CFD技术在暖通空调领域的应用

徐海文

摘 要：本文主要分析了CFD技术的特点，探讨了CFD技术的使用范围，并就CFD在暖通空调领域中的运用进行了具体的分析和求解分析。

关键词：CFD技术；暖通；空调；领域；应用

社会和经济的快速发展，推动了人们生活水平的提高，人们对居住建筑条件的要求也随之提高，在建筑环境和空气品质方面的要求也日渐提高，另外，因为电子和医疗行业快速发展的要求，急需有高校而严格的工作生产环境，这就促进了暖通通风空调技术的快速发展，对暖通空调领域也提出了较高的要求。CFD 即计算流体力学，CFD技术不但所需成本低，使用起来速度快，而且资料完备，随着计算机技术的快速发展，被人们普遍的运用在暖通空调领域。

1 CFD技术的特点

CFD就是计算流体动力学，换言之，就是通过使用计算杌求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术。也就是在设计工程时，先构建起数值模型，再通过计算和实验求得数据的技术。它主要会牵涉到流体力学、计算方法和计算机图形处理等多种学科。跟其他暖通空调技术相比，CFD技术具有较多独特的优点，主要包括了如下几个方面：

首先，CFD技术具有数学模型组成的特点。各类的CFD通用软件的数学模型在构成上的主体均为纳维尔一斯托克斯方程组与各种湍流模型，又因多相流模型、燃烧与化学反应流模型的参与，囊括了自由面流模型以及非牛顿流体模型等。离散方法采用有限体积法或有限元素法。当前很多的CFD软件都是使用了有限体积法。

其次，CFD通用软件使用了加速收敛技术。三维流动数值模拟在计算量上比较大，因此，FD通用软件尽量使用了各类的加速收敛技术，比方说多层网格法和残差光顺法等来加速收敛。还会通过使用平行计算法来有效解决单机容量不够和计算过久的问题。

再次，CFD技术使用了各种专用模块。为了让用户使用起来更加方便，CFD技术常会设计各类针对性较强的专用模块。专用模块和专用版本让原本复杂流动计算中繁冗的网格生成和边界条件设置等工作实现了简化，而且会提供计算结果协助分析处理，为工业用户提供了很大的方便。CFD软件基本上都包括了前处理和后处理两个环节，具体而言，就是包括了网格生成与流动显示两个模块。当前的CFD通用软件已经可以通过CAD軟件来输入流场几何形状建模，但是要做到生成结构型网格仍然需要花费较多的时间和费用。CFD软件中的各个专用模块的作用的不可替代的，能够提供网格自动生成功能，比方说CFX TASCflow与NUMECA的叶轮机械模块都能按用户提供的几何参数自动生成单级或者多级叶轮的三维网格。

2 CFD技术的使用范围

CFD技术能够实现在各种复杂的几何空间中完成相关数据分析，并能为下述问题提供一些数据依据：流动液体问题、高温传热问题、气固液态转换问题、非牛顿流体流动问题、多孔质介质问题、化工反应流问题、粉煤和气态燃料及氧化流燃烧等问题、爆炸、燃爆、着火等问题。而CFD技术下的研究数据可以更好的给它提供工程设计、生产管理与技术改造的相关数据参考。比方说可以通过流体的阻力、流体与固体之间的热传递、固气体的停留时间、产品质量、反应速率等综合指标实现现场各种情况的针对性调节，还能在此基础上针对系统进行有效的定位和定性。并且在分析了这些相关的数据后，能有效的更改和提升现场的装置和设计中存在的不足，更好的将施工目标完成好。因此，从某种意义上说，CFD技术是一种多功能且使用比较广泛的大型试验数据库。

3 CFD在暖通空调领域中的运用

3.1 具体运用

（1）通风空调房间气流组织设计

空调房间内合理的气流组织能有效地消除热湿负荷，提高人的舒适度。以往的室内气流组织设计主要是靠理论计算，这种方法是用模型实验的方法研究几种典型送回风方式的气流组织状况，获得一些简化的存在很大的局限性，可能根本就达不到设计要求。因此，在空调系统设计完成之后，在室内空调设计中应用C FD技术，可以在设备安装之前进行有效的气流组织模拟仿真，预测各种工况下室内气流的温度场，速度场。气流数值分析能够考虑室内各种可能的内扰、边界条件和初始条件，冈而它能全面地反映室内的气流分布情况，从而便于发现最优的气流分布方案，进而指导设计使其达到良好的通风空调效果。

（2）建筑外环境设计

在我们的居住环境中，建筑外部与建筑内部的环境同样重要。这就使在建筑设计中对于小区的二次送风、小区的热环境等问题也逐渐被人们重视起来。而利用CFD的计算模式可以便捷的将整个建筑的外环境进行一个分析模拟，从而得出最好的建筑效果和空气效果。并且能够通过对外环境的流动情况来对建筑内部的通风进行一个设计因素。

（3）室内空气品质

利用CFD的研究技术可以达到对于室内空气品质进行一定的鉴定。通过对室内的整体设计、相对温度、相对湿度和污染物浓度等参数进行一个综合的分析，从而得出通风的效率舒适度和排污效果的整体数值。

（4）改进建筑设备性能

在现阶段暖通工程的施工中，大部分的施工器械如风机、蓄水槽、空调等都是通过流体工艺制作的，由于流动情况对于设备的运转效果有着非常大的影响。利用CFD模拟算法则可以对设备内部的流动进行一个准确的计算，从而来对器械进行一定的调节，以提升其工作效率。

3.2 CFD在暖通空调中的求解过程

将CFD在暖通空调领域中，整个计算过程中都是如下的几个顺序：建立数学模型、进行气流数值计算、结果可视化等步骤。

（1）建立数学模型

建立数学模型就是指很对所要研究的问题将其各种条件进行

一个数理分析，建立一个合理的数学模型来进行计算，以为数值求解做出一定的准备工作。

（2）气流数值求解

在进行气流数值求解前，首先要将边界条件和初始条件进行一个明确，由于二者是控制方程存在合理解的前提。初始条件是指对于研究对象在开始的情况下各个求解变量的空间分布情况。而对于瞬间状态的问题是必须给定初始条件的，而对于稳定的环境问题则不需要给定初始条件。而边界条件则是指对于求解问题的边界上所存在的变量和导数的随机性的变化规律。其次是要进行计算网格的划分。利用网格划分和非网格的结构。由于网格式结构在空间上比较规范，而且对于一个时变性的区域可以简单的对其进行分类分析，现阶段的大部分CFD计算软件都有专门的网格生成功能。在最后建立一个离散方程，并且对其求解。选择一种合适的方法来对求解的区域进行离散化。

（3）结果可视化

结果可视化是指在进行方程求解之后因为其计算的结果是单纯的数据结果，不存在一定的可视性，并且不直观，很难被除了工程人员和计算人员所熟悉，所以就要利用相关的软件来讲计算的结果进行可视化处理，CFD软件的后期结果可以显示出温度、速度、浓度等相关的图片，也可以以一种动态的流动线条或者图形来进行表现。

总之，CFD技术因为其独特的众多优点，已经被广泛运用在暖通空调行业中，只是国内在相关技术的运用上跟日本和一些欧洲国家还存在很大的差距。我国虽说从二十世纪八十年代把CFD运用在暖通领域后，已经取得了较多的成果，但是，从整体上说，要将它全面的加入到暖通工程领域还需要较久的时间才行，因此，还需大力发展当前的科技水平，以便此技术能在暖通领域发挥更大的作用。

参考文献：

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[2]Flake K.K.，潭洪卫，等.空调设计中的CFD应用[J].现代空调，2011（1）.

[3]董玉平.高大空间建筑空调系统CFD模拟[D].天津：天津大学，2013.