暖通空调制冷工程中CFD技术的应用探析

【摘要】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。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。 本文从暖通空调CFD技术应用基本功能以及基本原则，讲述了CFD技术在暖通空调工程应用中的技术特点，提出了CFD在暖通空调制冷应用过程中的具体应用以及CFD技术在暖通空调制冷应用前景。

【关键词】 暖通空调 制冷工程 CFD技术 应用

前言

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。

一、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：

1.1 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。

1.2 CFD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。如下对这几方面进行详细介绍：

通常很难模型化的系统，而CFD分析能够展示别的手段所不能揭示的系统的性质和想象，因为CFD对你的设计提供很强的可视能力；一旦你给定你的问题与参量，CFD能够快速的给出你想要的结果；这样你才有可能在很短的时间内调整你设计的问题的参数，得到最好的优化结果；采用CFD是一种十分经济的做法。由于它的开发周期短，因此能节省大量的人力物力，使产品能更快的进入市场。

二、 CFD技术在暖通空调工程应用中的技术特点

2.1 CFD技术所采取的数学模型组成特征。

各种CFD通用软件的数学模型的组成都是以纳维尔-斯托克斯方程组与各种湍流模型为主体，再加上多相流模型、燃烧与化学反应流模型、自由面流模型以及非牛顿流体模型等。离散方法采用有限体积法或有限元素法。现在大多数CFD软件都采用有限体积法。

2.2 CFD通用软件中加速收敛技术的应用。

三维流动数值模拟的计算量巨大，所以CFD铜鼓软件尽可能采用各种加速收敛技术，如多层网络法、残差光顺法与当地时间步长法等来加速收敛。并且利用平行计算法缓解单机不足与计算时间过长的困难。

2.3 CFD 技术中各种专用模块的应用。

为了方便用户，CFD技术有针对性地设置各种专用模块，专用模块与专用版本使复杂留的那个计算中繁冗的网络声场和边界条件设置等工作得到很大程度减轻，而且提供计算结果分析处理的辅助工具，这在很大程度上吸引了工业用户。CFD软件都配有网络生成（前处理）与流动显示（后处理）模块。现在CFD通过软件都已能够借助CAD软件对流畅几何形状建模输入，但生成结构型网络仍是件相当费时费力的工作。CFD软件设置的各种专用模块有个很重要的作用，就是提供网络自动生成功能，叶轮机械模块都能按用户提供的几何参数自动生成单级或多级叶轮的三维网络。

三、CFD在暖通空调制冷应用过程中的具体应用

CFD技术对数值模拟计算的原理是被应用到暖通空调工程的主要原因，利用CFD技术可以帮助暖通空调工程的设计人员高效快速的完成模拟数值计算工作。例如，质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。具体的计算过程为，首先建立模型、数值求解、数值解可视化处理，最后进行暖通空调制冷应用的设计。如果可视化通过了评估，则进行投产或实施，如图：

3.1建立模型

建立数学物理模型是对所研究的流体问题进行数学描述，暖通空调领域的流动问题满足连续性方案，可以利用动量方程和能量方程，通常用不可压流体的粘性流体流动的控制微方程。又因为暖通空调领域的流体基本为湍流流动，所以需要采用适当的湍流模型模拟湍流流动才能实现对所研究问题的完整描述，以便于数值求解。如下方程：

3.2数值求解

3.2.1 确定边界条件与初始条件

初始条件和边界条件是控制方程有确定解的前提。初始条件是研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况。对于瞬态问题必须给定初始条件，对于稳态问题不需要初始条件。边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导致数随地点和时间的变化规律。

3.2.2 划分计算网络

网络分结构网格和非结构网格。简单说，结构网格在空间上比较规范，如对一个四边形区域，结构网格多事成行成列分布的，而非结构网格在空间分布上没有明显的行线和列线。目前各种CFD软件都有专门的网络生成工具。

3.2.3建立离散方程并求解

离散方程常用的方法有：有限容积法、有限差分法和有限元法的等。选择合适的方法，对求解区域进行离散。如下式：

3.3结果可视化

虽然通过CFD模拟技术对空间流体的数值进行了计算，但是计算结果是以节点数值的形式存在的，难以让工作人员观察结果数据和对结果进行分析。目前出现对CFD计算结果的处理工序，经过CFD数据后处理，得到的数据可以通过静态的图片显示出来。

四、结束语

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]刘 南 分析CFD技术在暖通空调制冷工程中的应用[J] 建筑建材装饰 2014（11）

[2]张译文 CFD技术在暖通空调制冷工程中应用分析[J] 科学导报 2014（11）

[3]龚光彩 CFD技术在暖通空调制冷工程中的应用[J] 暖通空调 2000（29）