[推荐]CFD技术在暖通空调制冷工程中的应用

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标题：CFD技术在暖通空调制冷工程中的应用

作者： 湖南大学土木工程学院 龚光彩 摘自《暖通空调》

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1、简介

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CFD（Computational Fluid Dynamics，即计算流体动力学简称CFD）是目前国际上一个强有力的研究领域。暖通空调制冷行业是CFD技术应用的重要领域之一。我国暖通空调制冷行业已有不少专家对CFD的应用研究开展了大量的工作，并取得了许多重要成果，主要表现在以下方面：

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（1）通风空调设计方案优化及预测，如长沙世界之窗中心剧场（大剧院）空调设计方案的数值预测（仿真）、高大空间气流组织、置换通风方式的数值模拟、洁净室气流分布的数值模拟等；

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（2）传热传质设备的CFD分析，如各种换热器、冷却塔的CFD分析。

（3）射流技术的CFD分析，如空调送风的各种末端设备等；

（4）冷库库房及制冷设备的CFD分析；

（5）流体机械及流体元件，如泵、风机等旋转机械内流动的CFD分析，各种阀门的CFD分析等；

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（6）空气品质及建筑热环境的CFD方法评价、预测；

（7）建筑火灾烟气流动及防排烟系统的CFD分析；

（8）锅炉燃烧（油、气、煤）规律的CFD分析；

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（9）通风除尘领域，如工业通风系统，各种送排风罩的CFD分析，静电除尘器、旋风除尘器、重力沉降室内气粒分离过程的CFD分析；

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（10）城市风（或建筑小区微气候）与建筑物及室内空气品质的相互影响过程的CFD分析；

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（11）管网水力计算的数值方法。

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2 用CFD方法解决工程设计及产品开发等问题的一般步骤。

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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进论分析来完成工程设计产品开发工作。

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，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。

而现代设计过程中，“试验样本”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”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。

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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。

CFD技术的大量应用能显著缩短设计周期，降低费用。

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3、CFD软件的一般结构

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3.1、一般结构

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CFD软件的一般结构可分为前处理、求解器及后处理等三大模块，各有其独特的作用。

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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主为，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。

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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。开展CFD方面的研究尚有大量工作要做，表现为：（1）继续加强算法理信纸方面的基础研究；（2）研究网络自动生成技术；（3）研究科学计算可视化技术；（4）用CFD技术开展本行业中的应用研究。

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标题：洁净室流型及气流组织与CFD方法

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作者：龚光彩 王先蓉 任承钦 汤广发陈在康（湖南大学土木工程学院，410082，长沙）（长炼石油化工设计院，414012，岳阳）

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1 洁净室流型及气流组织

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通常，洁净室可分为乱流洁净室与单向流洁净室。就洁净室的气流状态而言，其流动一般均处于紊流状态。乱流洁净室与单向流洁净室并不是以层、紊流状态即Re数大小来划分的（层流状态时虽可得到真正意义上的单向流，但在实际工程中因Re数太小几乎不能实现），而是以流场（以流线是否为平行或近似平行的直线来判定。对紊流来讲，流线是否为平行或近似平行的直线是一种统计意义上即系统的概念）是否均匀来划分的。当洁净室气流处于均匀或渐变流状态时，洁净室可称为单向流洁净室；当洁妆室气流处于急变或突变流状态时，洁净室可称为乱流洁净室。

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2 洁净室流型及气流组织的CFD模拟

2.1 用CFD方法进行洁净模拟与预报的一般步骤

现代设计过程应呈如下结构 ：

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而现代设计过程中，"试验样本"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"，只需要少或无需实际的"试验样本"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。

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。因此，CFD技术的大量应用能显著缩短设计周期，降低费用。

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2.2 洁净室气流组织模拟与预报的CFD过程

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洁净环境模拟与预报的一般CFD过程可表示为图3。在图3所示的过程中，"试验或经验判定"环节在使用CFD方法后仅需少量的试验工作，大量的试验工作可通过计算机"虚拟"实现。

3 CFD软件的一般结构与洁净室气流控制方法

CFD软件的一般结构可表示如下：

前处理---->求解器---->后处理

求解器：

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1.确定CFD方法的控制方程（N-S方程，湍流模型及浓度方程）

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2.选择离散方法进行离散

3.选用数值计算方法（SIMPLE系列、MAC系列）

4.输入相关参数：

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a.初始条件

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b.边界条件

c.松驰因子

d.物性参数

e.其它

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后处理：1.速度场、温度场、浓度场及其它参数的

2.计算机可视化与动画处理

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由于我们在分析洁净室净化效果时，必须了解颗粒物的时空变化规律，故一般情况下宜将洁净室气流视为气粒两相流动。就室内洁净气流而言，其相流场可用双方程模型、DSM模型、ASM模型、K方程模型、零方程模型等。对粒相而言，应充分分析颗粒在流场中所受到的各种外力的作用，由于空气洁净所研究的颗粒尺度很小，处于微米数量级，很容易随气流飘散，一个最简单的假设即是对粒子运动采用单流体模型，更复杂但更合理的则是采用多流体或随机轨道模型等。

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4 结束语

前面已经谈到，CFD软件一般应包括三部分，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，求解的（核心计算）部分与国外先进水平的差距不大，主要差距表现在前处理即几何造体与网格自动生成技术、后处理即科学计算可视化部分。目前在我国国内已出现了CFX和PHOENICS等流体模拟商业软件，它们可用于洁净环境模拟问题中。从目前应用看，CFX系统存在一定优势，其界面友好且功能强大，其软件结构见前述。从总体上看，我国洁净环境工程领域中开展CFD方面研究尚有大量工作要做。但是，由于CFD技术本身固有优点，其在洁净室模拟与优化工程中必将有很大的应用前景。