CFD在暖通空调领域的应用
一、前言
CFD（计算流体动力学Computing Fluid Dynamics）是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它是以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值试验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。
计算流体力学的应用已经从最初的航空航天领域不断地扩展到船舶、海洋、化学、铸造、制冷、工业设计、城市规划设计、建筑消防设计、汽车等多个领域。近几年来计算流体力学在全机流场计算、旋翼计算、航空发动机内流计算、导弹投放、飞机外挂物、水下流体力学、汽车等方面获得广泛应用。这表明计算流体力学在解决工程实际问题方面具有重要的应用价值。制冷领域是CFD技术应用的重要领域之一，运用CFD技术对空调、冷库、冷柜中的流场进行模拟，可以使设计结果有一个直观的显示，并通过对计算模拟结果的分析评价制冷装置设计的合理性，同时也可以对设计方案进行优化，以获得更合理的数据。在我国制冷界，CFD的应用尚处于起步阶段。目前，我国制冷领域对CFD的应用研究主要集中在以下几个方面：（1）通风空调设计方案优化及预测；（2）冷库库房及制冷设计的CFD分析；（3）传热传质设备的CFD分析；（4）射流技术的CFD分析；（5）流体机械及流体元件的CFD分析（6）建筑热环境的CFD评价预测等。
二、CFD软件原理和结构
前处理器求解器后处理器
CFD软件通常包括三个模块: 前处理( Preprocessing) 模块、求解(Compute an result) 模块以及后处理(Post Processing) 模块。
1). 前处理模块：此过程通常要建立描述问题的几何模型 (或者从CAD 导入),输入各种必需的参数,最后由软件自动生成网络。对复杂的求解区域网络生成功能的完善程度是评价一个商业软件的重要指标。所完成的任务概括为两项:几何建模及自动生成网络。
2). CFD 的核心求解器 (SOLVER) 模块将根据前处理过程所生成的模型的网络、所选的数值算法、边界 (初始) 条件等进行迭代求解,并输出计算结果。所完成的任务概括为四项: Ⅰ确定求解问题的控制方程(如N - S 方程,湍流模型等) ;Ⅱ. 选用合适的离散算法(如有限容积法) 将控制方程离散为代数方程; Ⅲ. 选用常用的算法(如SIMPLE 系列算法) 对离散的代数方程求解;在求解过程中需输入初始(边界) 条件、松弛因子、物性参数等。
3). 后处理过程通常是对结果 (如温度场、速度场、压力场等) 进行可视化处理以及动画处理。
较著名的CFD 处理工具有以下一些:用于前处理: ICEM CFD、GAMBIT、PATRAN、IDEAS、TGRID、PLOT3D 等用于计算分析:FLUENT、FIDAP、POLYFLOW等用于后处理: TECPLOT、ENSIGHT、Field View、AVS 等提供综合的处理能力:ANSYS、PHOENICS、MAYASTAR - CD 等特殊领域的应用: AIRPAK、ICEPAK、MIXSIM、POLYFLOW等。
三、CFD在暖通空调领域的应用
随着社会进步发展，人们对建筑的要求越来越高，通风空调技术日新月异。早起的通风空调系统主要通过采用集总参数的方法设计，房间的空调效果也用平均参数来考察，因而往往出现房间的空调负荷很大、设备投资和运行费用很高的问题。同时，随着空调的日益普及，出现了很多\病态建筑\，室内空气品质 1、通风空调空间气流组织设计。通风空调空间气流组织设计是通风空调系统的关键，合理的气流组织可以达到满意的空调效果，并且节省能源。利用 CFD方法可以对室内空气流动形成的速度场、温度场、湿度场以及有害物浓度场等进行模拟和预测，从而可以得到房间内速度、温度、湿度以及有害物浓度等物理量的详细分布情况，这对于保证良好的房间空调系统气流组织设计方案、提高室内空气品质IAQ以及减少建筑物能耗都有着重要的指导意义。 如上图是对一个公交车内空调的模拟情况。 2、建筑外环境分析设计。建筑外环境对建筑内部居者的生活有着重要的影响，所谓的建筑小区的二次风、小区热环境等问题日益受到人们的关注。利用 CFD技术也能对建筑外部的空气流动情况进行模拟和预测，有助于建筑师进行建筑设计时全面考虑建筑物周围的微气侯。 3、建筑设备性能的研究改进。暖通空调工程的许多设备内的流动和传热也是暖通空调领域中常见的问题，如蓄冰槽、空调器、风机等中的流体流动和换热，用 CFD方法进行模拟，计算得到设备内部的流体流动情况，可以研究设备性能，并且能较快地提供给研究者详细的有关资料，避免大量昂贵复杂的实验。 四、结论和应用前景 目前，关于湍流模型还存在许多认识不够的问题，CFD也暖通空调的应用领域也才是起步阶段。所以我们不单要加强算法理论的基础研究、还要通过不断地实践来提高计算的精度。