CFD技术在暖通空调制冷工程中应用

CFD技术在暖通空调制冷工程中应用

王盛文

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摘要：CFD技术是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。简单地说，CFD相当于“虚拟”地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数值求秤控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。可以认为CFD是现代模拟仿真技术的一种。如今，CFD技术逐渐成为广大空调工程师和建筑师解决分析工程问题的有力工具。

关键词：CFD技术；应用范围；暖通空调

CFD技术即计算机流体动力学，其功能主要是可以对流动的流体数据进行捕捉，并建立数据模型，对其进行空间模拟分析，最后通过图像的形式进行显示，供对其进行分析。CFD模拟设备具有操作简单，价格低廉，数值计算不受外界空间的限制、模拟各种工况等特点。

1CFD介绍

CFD就是计算流力动力学（ComputaionalFluidDynamics）的缩写，即通过计算机的计算和图像显示功能，将含有流体流动数据和热传导等数据进行一个系统的分析。CDF可以视为一种流体的方程式来对流动的数值进行模拟计算和控制分析。并进行热传导、热传递、动量传递以及燃烧等化学反应研究的重要技术[1]。

在世界上，不断有人对CFD技术进行应用和发展，早在1933年thom就利用数值法来对偏微分方程进行解决，这也是CFD技术正是的在方程式中得以体现，而1974年P.V.Nielsen也将CFD技术应用到期计算领域中，并且对空气流动情况进行一个全面详细的解答。在随后的不断发展中，世界各个国家都为了节约能源和提高生产力水平，对其投入了大量的资源和时间来对CFD技术进行研究。并且经过了10年的不断研究，取得了一定的成果，并且其在暖通空调领域的研究和使用也是大量的进行。现阶段CFD技术已经成为空调设计和建造师解决实际的工程问题的重要手段，并且提供了大量的技术参考。

在全世界中，CFD的技术使用是从美国开始的。在1986年美国就已经对CFD模拟室内空气流动的发展研究成果进行了一定的分析和整理，并且成立了相关的部门来对室内空气流动进行研究。1989年美国的ASHARE成立了专门机构以研究CFD方法预测室内空气流动，并且完整的对CFD在空气流动的方法进行了一个阐述。日本也是一个在CFD使用技术上比较成功的国家，其最开始将CFD应用到室内空气流动问题上是20世纪70年代。

2暖通空调CFD技术应用基本功能以及基本原则

CFD技术是一种成本较低、速度快以及资料完备的暖通技术，通过实现对整体设计过程中性能的提升，改善空调制冷效果不强问题，从而保障整体空调系统的最优化模式。如下对暖通空调CFD技术应用的基本功能以及基本原则进行详细介绍：

2.1暖通空调CFD技术应用基本功能。

对于CFD技术而言，在暖通空调制冷过程中不仅可以预测流体流动性质，还能够实现整体传质、传热、相变等功能，有效地改善了相关结构的压力和变形，对于暖通空调制冷系统的优化有着非常重要的作用。一般对于暖通空调制冷中包括前端处理、计算和结果数据生成以及后台相关处理三个功能模块，通过这几个模块的相互协调从而实现暖通空调制冷系统的高效性和稳定性。

2.2CFD软件基本原则。

在暖通空调制冷系统中应用CFD技术时，由于前端处理通常要生成计算模型所必需的数据，一般在这个环节上要进行建模、数据录入以及网格的生成。同时核心运算器还要对模块任务进行相应的解析分解，最终形成结果数据以供后台进行相应的数据组织和诠释，在以直观的形式生成方便使用。因为在应用CFD技术时基本要考虑的原则就是模块、参量、周期[2]。

3CFD技术在暖通空调领域的应用

3.1CFD在暖通空调中的主要应用领域

CFD主要可用于解决以下几类暖通空调工程的问题：

（1）通风空调房间气流组织设计

借助CFD可以预测仿真通风空调空间的气流分布详细情况。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，因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）建筑外环境分析设计

建筑外环境对建筑内部居住者的生活有重要的影响，建筑小区二次风、小区热环境等问题日益受到人们的关注。采用CFD可以方便地对建筑外环境进行模拟分析，从而设计出合理的建筑风环境。而且，通过模拟建筑外环境的风流动情况，还可进一步指导建筑内的自然通风设计等[3]。

（3）室内空气品质研究

利用CFD技术研究室内空气品质问题，主要是通过模拟得到室内各个位置的风速、温度、相对湿度、污染物浓度等参数，从而评价通风换气效率、热舒适和污染物排除效率等。

（4）建筑设备性能的研究改进

暖通空调工程的许多设备，如风机、蓄冰槽、空调器等，都是通过流体工质而工作的，流动情况对设备性能有着重要的影响。通过CFD模拟计算设备内部的流体流动情况，可以研究设备性能，从而改进其工作，降低建筑能耗，节省运行费用。

3.2CFD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[4]。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[5]。

4总结

CFD技术在欧美和日本等国家应用已经相对较为成熟，能够有效地改善暖通空调制冷系统中存在的不足。由于我国正处于社会主义发展中阶段，部分科技技术水平相对其他发达国家还有一定程度上的不足。这样就导致在暖通空调行业中我国的一些核心技术未达到国际标准水平，为了能够有效地推动我国暖通行业的快速高效发展，我国应加强在技术水平上的提高，从而有效地保障我国暖通行业整体实力的提升，推动我国社会主义现代化建设的步伐，为我国经济效益的增长提供坚实的基础。

参考文献

[1]郭胜杰，宋斌.浅谈暖通空调工程施工中的常见问题及有效对策[J].黑龙江科技信息.2015,17(5):215-216.

[2]连辛泉.暖通空调工程设计技术的优化分析与评价[J].中小企业管理与科技（上旬刊）.2015,21(12):99-101.

[3]何清华，张静.建筑施工企业BIM应用障碍研究[J].施工技术，2016,18(2):34-35.

[4]何关培.BIM总论[M].北京：中国建筑工业出版社，2016,26(7):35-36.

[5]程建华，王辉.项目管理中BIM技术的应用与推广[J].施工技术，2015,17(5):105-106.