CFD技术在暖通空调制冷工程中的应用

引言：

为制定出最佳的通风空调方案，暖通设计师从建筑方案设计阶段就开始探寻建筑物室内外的气流的速度场、温度场、浓度场的分布，尽可能设计出最为高效、舒适、节能的空调系统。为达到空调系统运行高效且节能，暖通设备运行管理人员也一直致力于探寻设备能效的最大化。近年来，随着CFD技术的发展与完善，这些需求也日益能得到满足。CFD技术与暖通设计运行管理的结合发挥出越来越大的经济与社会效益。

1.CFD技术在暖通空调中的应用概况

随着计算机技术和离散数学等的发展，CFD作为一种模拟仿真技术，在暖通空调工程中得到了越来越广泛的应用。它主要在于模拟预测室内外或设备内的空气或其他工质流体的流动传热、燃烧等情况。就暖通空调专业来讲，CFD主要可用于解决以下问题[1][2]：

1.1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，所谓的建筑小区一次风、小区热环境等问题日益受到人们的关注[7]。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。

1.2通风空调空间气流组织设计

通风空调空间的气流组织直接影响到其通风空调效果，借助CFD可以预测仿真其中的空气分布详细情况，从而指导设计。通风空调空间通常又可分为：普通建筑空间，如住宅、办公室、高大空间等；特殊空间，如洁净室、客车、列车及其它需要空调的特殊空间。

1.3建筑设备性能的研究改进

暖通空调工的许多设备，如风机、蓄冰槽、空调器等，都是通过流体工质的流动而工作的，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，从而改进其更好地工作，降低建筑能耗，节省运行费用。

2.用CFD方法解决工程设计及产品开发等问题的

一般步骤在暖通空调制冷工程设计与产品开发及其它行业中, 一般只能依靠经验和试验及简单的理论分析来完成工程设计及产品开发工作, 其一般过程可表示如图1。

在这种设计过程中, 设计可行与否往往取决于试验, 为保证性能稳定, 就不得不进行大量试验, 而且, 产品方案的筛选和优化是在设计、制造、测试部门之间进行大循环, 由于牵涉的环节多, 产品的开发周期长, 费用高; 对工程设计而言, 往往需要进行方案选择、优化, 这一工作一般是靠经验完成, 难免导致方案可靠性降低, 从而引起设计失败。计算流体力学即CFD 的应用则改变了传统的设计过程, 由于CFD 软件可以相对准确地给出流体流动的细节, 如速度场、压力场、温度场或浓度场分布的时变特性( 不定常特性) , 因而不仅可以准确预测流体产品的整体性能, 而且很容易从对流场的分析中发现产品或工程设计中的问题, 据此提出的改进方案只需重新计算一次就可以判断、评估改进是否有效, 并更容易得到某些规律性的知识。这样, 产品或工程的设计与优化很少依赖经验或试验, 试验( 或经验) 的目的最多是进一步验证产品性能或设计过程的合理性。现代设计过程应呈图2 所示的结构。

在这一过程中, 用虚框表示的环节/ 试验验证或专家评估0与传统设计过程的相应环节/ 测试评估或专家论证0的工作量相比大为减少, 因为传统设计过程中/ 测试评估0所包含的试验往往是探究性试验,需要有大量的/ 试验样本0, 才能从这些/ 试验样本0中找到规律。而现代设计过程中, / 试验样本0这一环节中的大量工作已通过CFD 工作完成, 即通过CFD 工作形成大量的/ 虚拟试验样本0, 无需或只需极少实际的/ 试验样本0即可检验CFD 方法的可靠性、正确性, 故现代设计过程之工作量大为减少。在这种现代设计过程中, 方案设计在整个设计循环中占有很大的比重, 特别是方案设计阶段的CFD 分析占有相当重要的地位, 方案的筛选是以科学性的分析为基础, 因而比较容易保证设计成功和产品质量的稳定, 而且它将传统设计的大循环过程转变为方案设计带有预测性质的校验循环( 验证循环) , 当设计已经基本达到设计要求时再转入通常的详细设计, 大大减少了设计过程的中间环节。另外现代CFD 分析技术的发展不仅大大减少试验次数, 甚至完全取消试验, 即所谓的/ 虚拟产品开发0( VirtualProduct Development , 简称VPD) 。因此, CFD 技术的大量应用能显著缩短设计周期, 降低费用。

3.建筑设备性能的研究改进

在建筑物运行管理阶段，CFD技术也能发挥其独特的优势。如果采用先进的监测及管理方法，使各种设备能够安全、高效、稳定地运行，能快速排除出现的故障甚至准确预测可能的故障，则可以节约能量；如果管理方法比较过时，出现故障不能及时排除，则会大大耗费原本不必消耗的能量。在传统的设备管理模式中，往往是在有明显迹象表明设备性能变化差别很大时，才去确定这台设备是否应该检修，或根据规程已经到了大修期限，才着手组织大修。这样就存在以下问题：一是其运转情况无法准确统计；二是本可不必大修解决的问题因故障累积而达到了必须大修的程度，导致设备维修费用升高。传统的维修思路是：当设备不能正常工作甚至无法工作后才去寻找故障，找到故障后才去修理。这样做的结果，首先是设备停止运行，影响了正常服务，其次是故障往往不仅是部件问题，甚至到了必须更换主要部件的地步，使得维修成本剧增；三是故障只在设备运行时才表现出来，当设备停止运行后，有些故障特征就不再表现，各种故障数据也再无法采集，这就给故障排除带来很大困难[4]。

CFD技术可以在设备故障尚未出现时就对整个系统进行模拟、监控、诊断，为预先消除设备故障、避免过大经济损失提供了可能。虽然HVAC系统非常复杂，但也是由不同层次的子系统组成。譬如：冷却水循环系统、冷冻水循环系统、制冷剂循环系统、自动控制系统等等。所以，故障发生时，它总是隶属于某一层次，在这一层次中，总有一个或几个特征参数的变化与之相对应。利用故障的这一特性，我们可以提出诊断模型，并对原因参数和结果参数进行分类，从而实现对故障的正确诊断。针对不同的研究对象，应该选择不同的特征参数。

4.我国暖通空调制冷行业开展CFD研究的发展方向

自70 年代末80 年代初起, 即已有一些高校、研究机构开始CFD 技术的应用研究, 20 年来已取得许多重要的成就, 研究的范围从以室内空气分布以及建筑物内烟气流动规律的模拟为主, 逐渐扩展到室外及建筑小区绕流乃至大气扩散问题, 并已形成一些可以解决实际问题的软件。但从总体上看, 我们与国外先进水平是有较大差距的。前面已经谈到, CFD 的软件一般应包括3 部分, 即前处理、求解( 核心) 部分及后处理( 科学计算可视化) 部分。从软件工程的角度来看, 求解( 核心计算) 的部分与国外先进水平差距不大, 主要差距表现在前处理即几何造型与网格生成技术、后处理即科学计算可视化部分。所以, 从总体上看, 我国暖通空调制冷行业中开展CFD 方面研究尚有大量工作要做, 主要表现在以下几个方面:

4.1继续加强算法理论方面的基础研究;

4.2研究网格自动生成技术;

4.3研究科学计算可视化技术;

4.4用CFD 技术开展本行业中的应用研究。CFD 技术在CAE 工程中已表现出巨大的优势, 将与CAD 及CAM 乃至AI 技术有效地结合在一起并将显示其强大的生命力。

5.结语

CFD技术以其高效、节能、省时、便捷等多种优点，在暖通空调中发挥了越来越重要的作用。这一技术的应用设计了空调、制冷、流体力学、计算机、自控等多个学科的专业知识，因而还存在一些问题有待进一步的研究和探讨。