計算流體力學在制冷空調中的應用研究

摘 要：計算流體力學屬于現代模擬仿真技術，研究專員利用計算機來模擬仿真實際的流體流動，通過虛擬的實驗情況來得出相應理論，并將理論運用于實際的工程領域中。暖通空調CFD技術就是基于計算流體力學而發展的一種技術，該技術在暖通空調的實際工程領域中得到了廣泛的應用，在此基礎上激發了研究專員對制冷空調工程領域的探索，提出了基于計算流體力學在制冷空調中的應用研究。在此，本文將從暖通空調CFD技術出發，探究CFD技術在制冷空調中的應用。

關鍵詞：計算機流體力學；CFD；制冷空調；應用研究

1 前言

計算流體力學，又名計算流體動力學，英文簡稱CFD，這是一種對流體學問題進行數值模擬與分析的新分支，主要得益于計算機技術與數值模擬技術的輔助。簡而言之，CFD屬于現代模擬仿真技術，研究專員利用計算機來模擬仿真實際的流體流動，通過虛擬的實驗情況來得出相應理論，并將理論運用于實際的工程領域中。成本低、速度快、資料完備等這些都是CFD技術的優勢，加之伴隨計算機技術與數值模擬技術的越來越成熟，在解決工程中的實際問題時CFD技術發揮著越來越重要的作用。1974年，CFD首次被運用于HVAC（暖通空調）工程領域，丹麥的Nielsen利用CFD對通風房間內的空氣流動進行模擬，主要模擬預測室內外或設備內的空氣或其他工質流體的流動情況。

2 計算機流體力學在制冷空調中的應用

2.1 暖通空調CFD技術

暖通空調CFD技術，即結合CFD方法、流體力學、湍流力學、計算方法、計算機圖形處理技術等在計算機中求解出流體流動的各種守恒控制偏微分方程組的技術。在模擬暖通空調領域內流體流動實驗時，分析結論是流動問題多為低速流動，保持10m/s以下的流速，而根據變化不大的流體溫度與密度情況可判斷其為不可壓縮流動，這一結論等同與應用范圍內的CFD與數值傳熱學。但由于湍流流動是暖通空調領域內的主要流體流動，而CFD技術對湍流現象尚未取得全面解決理論，因而只能依靠湍流半經驗理論來解決暖通空調的湍流現象，不過在解決實際問題中依然存在諸多困擾。暖通空調CFD技術主要有建立模型、數值求解、可視化處理三大主要步驟。

2.1.1 建立模型

在研究流動問題時，需要通過建立數學物理模型才能完成數學描述。由于連續性方程、動量方程、能量方程都能滿足HVAC領域的流動問題，一般可采用不可壓流體的粘性流體流動的控制微分方程，但又因湍流流動是HVAC領域中的主要流體流動，為完整描述HVAC領域的流動問題，還需要運用適當的湍流模型模擬湍流流動及求解數值。當前，房間空氣流動廣泛采用兩方程模型中的k-ε模型，也可以采用新的零方程模型來解決HVAC領域的一般工程。粘性流體流動通用的控制微分方程為： ，其中變量 可代表不同的物理量，進而表示不同含義的方程，如 表示速度時，就代表流體流動的動量守恒方程； 表示焓時，代表能量守恒方程； 表示湍流參數時，則代表湍流動能及湍流動能耗散率方程。通過上述方程，研究專員就可以計算出工程流場所需的溫度、濃度、速度等物理量的分布。

2.1.2 數值求解

在對HVAC領域的流動問題進行數值求解時，可以通過上述各微分方程進行數值求解。但由于那些微分方程相互耦合且非線性特征非常明顯，因而只能通過離散實際問題的求解區域采用數值方法來求解。一般，有限容積、有限差分、有限元這三種是數值方法中主要運用的離散形式，普遍應用在HVAC工程領域的CFD技術中。又因低速、不可壓流動是HVAC領域的特征，且其存在傳熱問題，因而在離散情形中更多是采用有限容積的數值方法求解。

2.1.3 可視化處理

通過數值求解步驟能夠得出離散后的各網格節點上的數值，不過這種方式的求解結果直觀性不強，不便于一般工程人員及其他相關人員理解，因而需要對求解結果的溫度場、濃度場、速度場進行可視化處理。運用計算機圖形學技術直觀形象的表示出HVAC工程領域中的溫度場、濃度場、速度場，使之成為暖通空調CFD技術應用中的必要組成部分。

通過制冷空調的CFD預測仿真空調房間內的空氣分布詳細情況，從中得到的分析結果是要想達到良好的制冷空調效果，需要重點解決通風空調系統中通風空調空間的氣流組織設計，合理的氣流組織設計不僅能夠實現制冷空調的滿意效果，而且還能達到能源節省的目的。在制冷空調的設計中，通風空調空間是設計問題的關鍵部分，根據不同的空間特征可將制冷空調的通風空間劃分為兩類，一類是如住宅、辦公室、高大空間等的普通建筑空間；一類是如潔凈室、客車、列車等特殊空間。如此，可根據不同的空間需求在制冷空調設計中應用計算流體力學中的CFD技術，并借鑒暖通空調CFD技術的設計經驗來幫助解決制冷空調設計中實際問題的解決。

2.2 食品的冷凍、冷藏與運輸

現如今，隨著我國經濟的快速發展，食品物流行業獲得了巨大的發展空間。但是，制約于保鮮、冷凍、冷藏技術的落后，造成我國每年因食品運輸而浪費了大量的物資與財力。據統計，我國每年在轉運與存放過程中因缺乏冷凍、冷藏技術的支持，進而造成每年腐爛損壞的果品高達25%、蔬菜高達30%、家禽肉類高達20%、奶制品高達23%，而這些腐爛損壞的食品每年高達上億噸的總量，造成的經濟損失巨大。如此可見，亟待解決我國食品運輸中的冷凍、冷藏技術十分必要，而在冷凍、冷藏過程中食品的品質變化（如維生素的保持與損失、食品蛋白質的變性、食品質地與鮮度、脂肪氧化等）也引起了人們的廣泛重視，食品安全也是研究冷凍、冷藏技術需要考慮的關鍵因素。為了解決食品運輸過程中的腐爛損壞問題，研究者提出了將CFD技術應用于冷凍、冷藏技術的開發中，充分利用CFD技術的獨特優勢來有效解決食品冷凍、冷藏方面存在的問題，從而確保食品的安全性。

2.2.1 生活與商用的冷藏裝置

冰箱、冷藏陳列柜、冷庫等是較為常見的冷藏裝置，主要適用于生活與商用。其中，冰箱的制冷原理是通過電能消耗來保持適當容積絕熱箱體內的低溫，以達到制冷目的來實現食品的保鮮、冷藏貯存。在冰箱冷藏裝置的技術設計中，最主要的困擾問題是流場優化，絕熱箱體內的空氣流場與溫度決定了食品的保鮮質量，箱內溫度場受制于冰箱耗電量的影響。流場的具體信息獲取也是一個棘手問題，不可以通過代數方程計算來獲得，若采用實驗的話傳感器的裝置會破壞箱內的流場，并加大了工作量，而應用CFD方法與技術能夠有效解決這些困擾問題。

人們生活水平的提高促進了商業的發展，而人們生活節奏的加快也在一定程度上刺激了商品市場的崛起，其能夠為人們提供各種生鮮食品、熟食與半熟食品，通過冷藏陳列柜來實現對蔬菜、肉類、水果、奶制品、日配品等的保鮮與冷藏。因而，人們對冷藏陳列柜的保鮮存儲設備提出了高要求，研究工作者基于CFD技術對冷藏陳列柜進行了改良，溫度與濕度控制、氣流組織、節能等技術問題可廣泛使用CFD技術來解決。

食品的冷凍加工與冷藏需要冷庫來解決，而冷庫的建筑結構復雜且具有嚴格標準，要求冷庫具備堅固性、隔熱性、抗凍性、密封性。其中，庫內貨物的貯藏質量、貯藏期直接受制于冷庫內的溫度場、濕度場、速度場三個方面的分布合理性，為了提高冷庫內食品的衛生與安全，將CFD技術應用于冷庫領域十分必要。

2.2.2 運輸用冷藏裝置

在運輸食品的過程中，交通工具上的冷藏裝置必不可少，這是確保食品在運輸期間保鮮、保質的關鍵所在。為此，結合交通工具的特點，人們研制出了運輸用冷藏裝置，其相當于一個移動的冷庫，冷藏集裝箱、冷藏汽車、冷藏船、鐵路冷藏車是當前主要的運輸用冷藏裝置，以確保運輸過程中食品能夠貯存在低溫環境中，避免因運輸而造成的食品腐敗損壞。在運輸用冷藏裝置中應用CFD技術能夠有效提高其對食品的保鮮冷藏質量，冷藏集裝箱是冷藏食品運輸中的主要工具，利用CFD方法能夠實現對箱內穩態流場、溫度場等進行實驗及數值計算。而在鐵路冷藏車中應用CFD，可以利于完成對充放冷過程（冷板冷藏車）、冷凍貨物溫度分布（運輸過程）、溫度場（堆碼方式）的數值模擬，以及數值計算與分析。總之，在CFD方法與技術的支持下，運輸用冷藏裝置的功能會越來越完善，進而食品的運輸過程中的保鮮冷藏等衛生安全性。

3 結語

通過上述分析可知，將計算流體力學應用在制冷空調還是一個全新的理論設計領域，得益于現代計算機技術與數值模擬技術的高速發展，以及HVAC（暖通空調）領域中CFD技術的廣泛應用成效，使得制冷空調CFD技術及其應用具有很大的發展前景。相信在相關研究專員的努力下，CFD技術將在制冷空調工程領域中獲得更普遍、廣泛的實際應用。

[參考文獻]

[1]田虎，李娜.暖通空調中CFD技術的應用概述[J].中國科技博覽，2010（6）：17-17.

[2]李鋼.計算流體力學（CFD）在制冷與空調專業中的應用[J].價值工程，2011，30（28）：261-263.

[3]謝秋榮.CFD的應用范圍及在暖通空調中的應用分析[J].黑龍江科技信息，2007（4X）：232-232.

[4]賈宗樸.CFD技術在暖通空調施工的應用探析[J].中國科技財富，2011（8）.

[5]牛愛明，李振江，喬鶯.CFD技術在暖通空調領域的應用[J].山西能源與節能，2006（3）：14-15，17.

基金項目：本文是四川理工學院科研基金項目2012KY15的部分研究成果。