CFD技术在暖通空调制冷工程中的应用

杨 红

中国核工业二三建设有限公司 北京 101300

在北方地区，由于受热建筑物的围护结构所占的比重很大，为了推动其节能发展，需要对其进行热工性能的改进。第二个方面是规划与设计的角色。建筑的规划设计可以为建筑的节能设计提供依据，而建筑的规划设计必须要考虑到建筑的位置；道路布局、建筑走向、主导风向、太阳辐射等，也就是在建筑的微气候条件下，尽可能利用主导风、地形地貌和太阳能。在建筑节能规划中，应从辐射、地理、空气等方面对环境的影响因素进行分析，使其在实际的规划设计中由不利变为有利，使其有利于节能。由于暖通系统在我国的应用越来越广泛，因此可以将CFD作为一种工程液体技术加以推广，以增强其在实际工程中的应用，CFD技术应用于暖通空调制冷项目具有操作简单，效率高，成本低等优点，对CFD应用于采暖系统具有十分现实的现实意义。

1 我国暖通工程在CFD技术上的发展前景

在电脑绘图、电脑微电脑技术飞速发展的今天，CFD的前、后处理技术也随之发展起来，例如 Fieldview，Tecplot、ICEM-CFD等。从70年代后期到80年代初期，我国已经建立了几所大学；李先庭、赵彬等学者对CFD技术进行了深入的探讨，并对 CFD技术在 PMV，空气龄，风口模型，室内颗粒物的传播特性进行了评估。CFD技术又称为“电脑流体技术”，是基于计算机技术和信息技术的发展而形成的一种新的数学模式。CFD技术在暖通系统中的运用，不仅能改善工程的设计，而且能保证其制冷的有效性，该方法可以有效地解决室内空气流通与换热与质量问题，从而有效地改善这方面的工作。本文着重论述CFD技术在采暖与空调系统中的应用原理与实践[1]。

2 CFD技术简析

就CFD技术来说，它的全名是计算机流体力学，中文意思是计算流体力学。CFD技术以电脑技术为核心，其作用是建立数学建模，在实际中得到了广泛的运用。这一热通技术具有显著的特征，比如要求数据完整、工作速率相对较高、操作费用低廉、数据齐全；快速和便宜的模型方法。它的技术原理很简单，只要经过计算，就能对其进行微分方程的控制，从而得出一个连续的局部流场的分布，然后利用CFD技术对其进行仿真，从而为今后的采暖系统建设打下基础。CFD技术在暖气系统中的运用，不仅可以准确的监测液体的流量，还可以改善整个系统的换热量；通过传递质量，可降低有关构件的内压，降低构件的变形等问题。由此可以看出CFD对暖通空调的最佳效果是十分显著的。CFD在暖通空调系统中的应用模块，包含前端处理、最终数据生成、后台处理等多个部分，并在此基础上进行协同工作，确保暖通系统的运行稳定、高效。在CFD技术的实施中，必须先进行建模、输入和网格的创建。其次是分析模块的工作。最终可以生成最终的数据。

CFD技术在暖通空调工程中的运用，要使其达到最大的效能，从而使暖通空调的制冷效果得到改善。在建模过程中，因为建模过程中所需的数据都是在前端处理过程中产生的，所以，在建模过程中，要将数据输入到数据库中，然后生成网格。而在这一步结束之后，电脑的中央处理器就会分析这些数据，然后将这些数据分析出来，然后送到后台。这样的程序，可以使这些资料己是最直观的；以最清楚的方式向员工展示。

在应用领域中，CFD可以在不同的复杂几何空间中进行数据分析，并可以解决流体问题，高温换热问题，气体；固体和液体的转换问题，非牛顿流体的流变问题、粉尘问题、混凝土问题、渗透性的媒质问题化学反应流程，粉煤，气态燃料，油雾，混合燃料，氧化气流等问题，如爆炸等，反应器的搅拌问题，为环境保护等问题提供一些数据基础。而CFD的资料对工程设计、生产管理、工艺改进等方面具有一定的借鉴意义。比如对液体的抗性。固体和液体的传热、固体、气体的滞留时间、产品的质量、反应速度、处理量等，可以根据不同的条件，对整个系统进行分析和定位。同时，通过对此部分资料的分析，对设备及设计中存在的缺陷进行技术上的修正与改进，以达到更好的建设目的。因此CFD在某种意义上是一个通用的多功能的大型实验数据库[2]。

3 CFD技术在暖通空调制冷工程中的应用功能及原则

3.1 应用的基本功能

在CFD技术能够探测到液体的流动特性，因此它可以被用于暖通系统的冷却系统，不仅可以改善设备的热传导特性，还可以减小外部环境对相关的装置的干扰，从而降低其变形的概率。因此CFD技术既能使暖气系统的制冷技术达到最优，同时也能改善其功能和使用的意义。当暖通空调器正常工作时，CFD技术能使暖通系统的各部分保持某种程度的协调，保证其工作的稳定，为使工作更高效，它可以采用它的数据运算、前、后处理等功能。

3.2 应用的基本原则

在现实生活中，CFD的各个部分都扮演着各自的角色，而在现实生活中，最关键的部分就是前端，由于所有的数据和计算都是在前端完成的，因此需要在前端的模型和输入上建立一个数据栅栏。同时，它的核心计算能力也在不间断的运转着，它需要对这些信息进行分析，然后将这些信息反馈到CFD的后台，从而更好地将这些信息转化为现实中的应用。从上述的研究结果可以看出，CFD技术在暖通系统中的运用，不仅可以改善其制冷性能，还可以加快运行的速率。采用计算机建模，由于所需的资料都是在最前面完成的，所以工作人员在进行建模的时候，会先建立一个模型，然后再将所有的资料输入到模型中，最后才能得到一个完整的网格。从这个流程可以看到，在实际的应用中，前端的操作对于保证以后的数据的正确利用是十分必要的。另外，在进行计算的时候，电脑的运算程序会一直保持着高速运转，对各个部分进行实时的处理，然后将这些处理的结果反馈到后台，保证数据处理的质量。从以上内容的分析可以看出，CFD技术在暖通空调系统中的运用，必须遵循模块原则、参数原则和周期原则，以保证其最大限度地利用热风系统，使其制冷效果最大化[3]。

4 CFD技术在暖通空调制冷工程中的运用特点

4.1 应用于CFD技术中的数学模型组成特征

CFD技术实质上是应用了电脑模拟技术，而在这一技术中，选择合适的数学模型是至关重要的。计算流体力学中的数学模式构成特性的差异将会极大地改变CFD技术。当前CFD常用的计算方法主要有纳维尔一斯托克斯程组以及多种紊动模式。并与其它多种模型相结合，形成计算流体力学的数学模型，CFD技术中，有限单元和有限容积是两种常见的数值模拟计算方法，其中最常用的就是有限容积法。

4.2 应用于CFD技术中的加速收敛技术

CFD技术是一种用于三维流体的数值计算方法，其计算工作量非常大，因而在CFD技术中必须采用快速收敛技术。在CFD技术中，常用的快速收敛性技术有：局部时间步长、残差光顺、多层网格等。虽然采用了快速收敛性技术，但在实际操作中，为了减轻运算负担，采用并行运算方法，以减少运算时间、内存不足等问题，提高运算速度。

4.3 应用于CFD技术中的各种专用模块

专门设计的功能模块，就是方便使用者使用，而特殊的功能，可以大大降低电脑运算的负担，是一种十分实用的辅助分析工具。另外，CFD技术受工艺条件的制约，在计算中耗费了较多的时间和精力，其经济效益极差，采用CFD技术建立专门的模型，可以利用专门的模组，实现计算所需的单元，大大提高了CFD技术的利用率，减少了在技术上的投入和时间。

5 CFD技术在暖通空调制冷工程中的应用方法

目前暖通系统的技术应用越来越广泛，CFD技术在建筑领域的运用也越来越广泛，它可以利用CFD技术对仿真结果进行高效的分析，从而大大的提升了仿真结果的运算速度，降低了系统的运行费用。在实际应用中，要根据工艺过程选取公式，建立计算模式，并进行数值解，并对其进行可视化评价[4]。

5.1 建立分析模型

暖通空调系统的工程分析建模分为两部分：一是数学建模，二是利用数学方法对其进行建模，使之能够完全符合系统的要求；在暖通空调系统中，大部分的流场都是紊流，可以通过建立紊流的数学模型来对紊流进行仿真，从而保证问题的完整，为以后的数值计算打下了坚实的依据。

5.2 进行数值求解

在此基础上，可以通过下列步骤来解决该问题：首先，确定数值解的初值和边界条件，只有在确定了该问题的技术要求后，方程式的数值分析就能得到较好的结果。边值问题是指在解的范围内，由不同的时序和地点因子引起的不同的微分引起的。在此基础上，首先确定了被测物体在流体运动初期所处的位置。如果是稳定问题，那么就没有必要设定初值。如果是暂态问题，需要设定初值。二是将计算单元进行适当的分区，其中包含了非结构单元和结构单元，使结构单元能够最大限度地发挥单元的正确性。三是建立一个离散的方程式，利用有限元或有限差分方法来建立一个离散化的方程式，以一种高效的方法来解决该问题。

5.3 数值解的可视化处理

利用CFD技术对空间流场进行了仿真，通过计算得到的大部分数值都是基于节点的数值，这不仅增加了工作的困难，还降低了工作的工作效率，造成了工作人员很难对其进行科学的观测和有效的研究。从现有的数值模拟结果来看，CFD的数值模拟可以将CFD的数值模拟进行后续的处理，然后将CFD的数据进行后期的处理，形成静态图片、曲线、数值报表等，从而得到更为精确的数值模拟[5]。

6 CFD技术在暖通空调制冷工程中的运用过程

6.1 问题分析和前处理

首先要明确正确的仿真对象；要对物理问题进行合理的简化；要找出适合的仿真手段。在确定仿真对象的时候，必须明确地说明所要获得的结论（例如：压力降、质量流量、阻力等等）、要怎样应用、要达到何种仿真精确性、所需的计算时间等等。最后，我们决定了仿真的计算区域。思考怎样将所关注的问题与整个大型的整体体系分离开，并在计算区域的开始和结束的地方，在决定这个区域的时候，要分析边界条件是否存在，边界条件是否符合这些信息，是否可以在有足够的资料的情况下，将计算区域边界划分成一个平面问题或者一个轴线对称问题。其次，依据结构的复杂性和流体特性，选取适当的网状元素。在简化的几何中，四边形和六面体格通常具有更高的品质和更小的元素数目。

6.2 解算器执行

首先要建立数学建模，其中包含了对紊动、火焰、多相流等物理模式的选取。界定材料的性质，例如流体，固体，混合材料等。说明操作环境。定义一个边界标准。给出一个初始化。设定解压因子、库朗数等运算程序的控制参数。设定会聚监测曲线。在此基础上，对求解的程序进行了详细的分析，并对其进行了详细的分析。要想得到更精确的解，就必须全面地判定收敛性和收敛性。

6.3 后处理

在进行了收敛性分析后，要对所求的结果进行检验，并从中抽取出有用的资料。常用的方法包括三种方法：彩色图像、曲线和物理量数字报表。再根据研究的结果，探讨了如何对该模式进行修改，从而得到更为满意的结果。

7 CFD技术在暖通工程中存在的问题

CFD工艺方案的确定及采暖制冷的节电；因此，从产品的制造和经营角度来看，CFD技术仍然是供热系统中的一个重要课题，在节能系统的开发中，以节能为主，然而，在技术上，由于技术的限制，其设计还未进一步完善。当前CFD技术在技术上存在着科学性不足、技术上的不足，其设计时间一般都比较短暂，且方案不完善，缺少一个科学的评估体系，从而对其进行有效的利用。同时，暖通空调的CFD技术缺乏有效的控制手段，对整个设计成果和质量都产生了一定的影响。随着能源与环境保护与发展的要求，暖通空调的能源与环境问题日益突出，CFD技术在这方面尚需改进。

8 CFD技术在暖通空调制冷工程中的应用范围

CFD技术在暖通空调系统中的应用，能够有效地预报液体的流场特征，并进行质量的传热；在此基础上，可以对设备的运动和有关的结构的压力和形状的改变进行有效的仿真，以便对建筑和工程中的建筑和使用提供参考。在实践中，将 CFD技术引入到采暖系统中，可以从建筑内部气流组织设计、建筑外部环境和工程装备的特性等几个角度进行论述。

8.1 室内气流组织设计

在室内空气的组织设计中，应充分考虑空气的组织方式对空间空调的影响，采用CFD技术对其进行数值模拟，并对其进行数值模拟，从而为通风和空调系统的设计提供技术依据。通风空调室内空间一般分为一般空间和特种空间，一般空间可用作生活和办公，而专用空间则是具有特定用途的空间，例如医疗空间、交通工具和其它特殊情况。

8.2 建筑外部环境分析

在分析建筑的外在环境时，必须先确定其对其产生的重大影响。在建设项目中，由于小区的热、二次风等因素，会对室内环境造成一定的影响，因此越来越引起人们的重视。利用CFD技术，可以对建筑物的外风环境进行有效的仿真和技术分析，从而为建筑外风环境的合理设计提供技术指南。

8.3 工程设备性能优化

一般而言，空调系统中的空调系统包括空调系统、蓄冰槽、风机等设备，但其运行状况会直接影响到系统的运行状况。在工程设备的性能上，很多设备的工作原理和工作原理都是以工质的流动为能源转化的，因此，从性能上讲，对设备的工质流动状况有很大的影响。CFD技术可以有效地对装置内的流体进行有效的模拟，并对其进行优化和改善，从而保证设备的运行稳定。

8.4 建筑内部空气质量

暖通空调系统在实际应用中，评价建筑内部控制质量是其中的一项重要工作。在室内风速、室内污染等方面，可以利用CFD技术精确地探测和解释有关的技术参数，并对其进行优化，从而为室内环境优化打下良好的基础，从而提高室内通风的频次和效率，改善室内的空气品质。

9 结束语

随着建筑业的迅速发展，供暖系统也日益进入到人们的日常生活中，据资料显示，暖通空调在建筑中的比例大约为60%，CFD技术已经从工业领域逐步转移到了建筑领域。因此，必须大力发展和推广CFD技术，使其在供热领域的发展与应用，其成果和科学性已可完全替代传统的采暖技术。人们的生活观念、生活方式的多元化；暖通空调的技术要求与细节问题有着密切的关系。在供热项目中应用CFD技术，改进采暖和空调系统，尽量使其更有效率；节能舒适的采暖系统，充分发挥暖通系统的经济性、经济性、经济性、安全性、舒适性和美观的功能。