CFD技術在暖通空調系統中的應用

趙天蓉

（成都紡織高等專科學校，四川 成都 611731）

暖通空調工程的許多設備，如風機、蓄冰槽、空調器等，都是通過流體工質的流動而工作的，流動情況對設備性能有著重要影響。通過CFD模擬計算設備內部的流體流動情況，可以研究改進設備性能，降低建筑能耗，節省運行費用。

CFD軟件的一般結構包括前處理、求解器及后處理三大模塊。三大模塊各有其的作用，前處理是建立有限元模型，完成單元網格劃分；求解器是確定CFD的控制方程，選擇離散方法進行離散；后處理則是采集處理分析結果，使用戶能簡便提取信息，了解計算結果。

1 網格生成

在計算流體動力學中，網格生成對CFD至關重要，直接關系到CFD計算的成敗。

（1）網格結構。CFD網格分為結構化和非結構化。結構化是只有六面體的網格單元。長方體所有邊是兩兩正交的六面體網格。如果邊與邊不正交，網格單元就有扭曲.用skewness來評估網格質量，sknewness=V/(a*b*c).V是網格的體積，a，b，c是六面體長，寬和斜邊。sknewness越接近1，網格質量就越好。扭曲厲害的網格，sknewness很小。非機構化：可以是多種形狀，四面體，六面體，棱形。Sknewness在這里同樣適用。網格質量好壞經常影響收斂，那么，如何判斷網格質量好壞呢？單元邊夾角適中、尺寸分布與應力集中性或梯度一致。三維盡量選用六面體單元，二維盡量選用四邊形單元，當然這可以是掃掠形成的，也可以不是。這是對單元形狀的基本要求。當然在求解的過程中，對同一形狀單元，還要根據實際受力及變形情況，慎重選擇單元的階次、積分方式、假設應變、常體積、非協調等與單元相關的諸多開關，才能得到比較合理的計算結果。專家在空調房間內研究了人體的換熱性能，將一個人體放在假想矩形房間，在房間內采用四面體非結構化網格。對于不同網格形狀結構影響的評價有待進一步的探索。

（2）網格密度。網格密度很重要，如果網格過于粗糙，那么結果可能有嚴重的錯誤，如果網格過于細致，將花費過多的計算時間，而且模型過大可能導致在計算機上不能運行，為避免這類問題的發生，在生成模型前應考慮網格密度，因此必須進行網格獨立性檢驗。著名學者Chila和Kaminski提出了自動化解決網格獨立性的方法。

2 湍流模型

最近模擬流場遇到湍流模型能力不足的問題。目前計算流體力學常用的數值模擬方法主要有以下三種：DNS、LES、RANS分類的標準是直接求解的渦的尺度。目的是總結出一個最新的湍流模型發展現狀。為挑出合適的湍流模型，或者對現有模型進行簡單修正（以應用于所研究問題）做準備，內容隨著看文獻的深入不斷修正。隨著求解的渦的尺度越來越小（模化的部分越來越少），引入的假設減少，但是對網格數量的要求更高，求解時長不斷增加（增長速度比網格數量增長速度快很多），因此，一般只用在簡單幾何的簡單流動之中。基于RANS的湍流模型中，使用時間最長，積累經驗最豐富的是混合長度模型和K-E模型。下面就是一些軟件操作的技巧。在Fleuent隱藏了很多湍流模型，在GUI面板中我們只能看到三種k-ε模型。但是實際上低雷諾數湍流模型我們同樣可以使用。在Fluent6.2中具體操作一共有三步：第一步，先在viscous model面板中選擇k-ε模型；第二步，鍵入下面的命令：

在模型選擇面板中我們就可以看見低雷模型low-re-ke model了。默認使用第0種低雷諾數模型。

第三步，Fluent中提供 6種低雷諾數模型，使用low-re-ke-index命令設定一種low-re-ke-index。Xu等人在室內空氣流動研究基礎上取得了令人滿意的準確度和計算速度。

3 風口模型

風口入流邊界條件的描述是當前通風空調房間氣流組織數值模擬的難題之一。因此建立合理風口模型是描述房間入流邊界條件的關鍵。實際上送風口幾何形狀相當復雜,如散流器、百葉風口和孔板風口等。為了準確模擬湍流入流邊動數值模擬的送風口邊界條件，一些學者提出各種不同的風口模型來解決此問題。目前CFD在暖通空調工程的應用基礎研究方面的新動態有室內空氣流動的簡化模擬：美國MIT，從描述空調風口入流邊界條件的方法進行研究，以對室內空氣流動進行簡化模擬；中國清華大學，研究空調風口入流邊界條件的新方法、建立室內空氣流動數值模擬的簡捷體系；室內外空氣流動的大渦模擬：美國MIT、日本東京大學，研究大渦模擬這一高級湍流數值模擬技術在室內外空氣流動模擬中的應用，目前已經開始嘗試用于建筑小區和自然通風模擬等；室內空氣流動模擬和建筑能耗的耦合模擬：美國MIT，通過將簡化的CFD模擬方法和建筑能耗計算耦合對建筑環境進行設計；風口模型有雙層百頁風口，球形可調風口等。上個世紀70年代，風口模型就被一些學者提出來解決室內空氣流 。

4 輻射換熱

輻射換熱對室內空氣分布有極其重要的作用。 輻射換熱對室內空氣流動情況有著重要的影響。物體表面間的輻射換熱量Q12可以用斯忒藩——玻耳茲曼定律表示：

F12為表面1、2間的輻射換熱系數：

5 人體模型

計算機人體模型是指將人體結構數字化，通過計算機技術和圖像處理技術，用電腦的語言符號來表述人體的三維結構，實現了人體結構信息的數字化。

通常用到物理人體體模或者數字化仿真人體模型。基于物理人體體模的實驗缺乏安全性、經濟型和效率。相比之下數字化仿真人體模型，借助完善的計算方法和參數能夠方便、精確的模擬三維空間下的人體受到輻照場景。

空調系統設計過去人體僅看成是簡單的對流熱源。研究者采用RANS模型和DES模型研究了空調房間內人體周圍的風速和溫度分布，但其絕對值仍存在著一定的誤差。以上研究中，人員活動對整個房間氣流組織的影響未被考慮進去，隨著人體模型技術的成熟，人體模型與CFD模擬的耦合會成為發展趨勢。

6 結語

本文從5個方面分析了CFD建模中的常見問題,提出了相應的解決方法。盡管還存在諸多困難,相信 CFD建模的發展對暖通空調工程復雜的氣流組織進行快速、精準的計算,不會是夢想。

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