楊 紅

中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 101300

在北方地區(qū)，由于受熱建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)所占的比重很大，為了推動(dòng)其節(jié)能發(fā)展，需要對(duì)其進(jìn)行熱工性能的改進(jìn)。第二個(gè)方面是規(guī)劃與設(shè)計(jì)的角色。建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)可以為建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)提供依據(jù)，而建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)必須要考慮到建筑的位置；道路布局、建筑走向、主導(dǎo)風(fēng)向、太陽(yáng)輻射等，也就是在建筑的微氣候條件下，盡可能利用主導(dǎo)風(fēng)、地形地貌和太陽(yáng)能。在建筑節(jié)能規(guī)劃中，應(yīng)從輻射、地理、空氣等方面對(duì)環(huán)境的影響因素進(jìn)行分析，使其在實(shí)際的規(guī)劃設(shè)計(jì)中由不利變?yōu)橛欣?，使其有利于?jié)能。由于暖通系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因此可以將CFD作為一種工程液體技術(shù)加以推廣，以增強(qiáng)其在實(shí)際工程中的應(yīng)用，CFD技術(shù)應(yīng)用于暖通空調(diào)制冷項(xiàng)目具有操作簡(jiǎn)單，效率高，成本低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)CFD應(yīng)用于采暖系統(tǒng)具有十分現(xiàn)實(shí)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 我國(guó)暖通工程在CFD技術(shù)上的發(fā)展前景

在電腦繪圖、電腦微電腦技術(shù)飛速發(fā)展的今天，CFD的前、后處理技術(shù)也隨之發(fā)展起來(lái)，例如 Fieldview，Tecplot、ICEM-CFD等。從70年代后期到80年代初期，我國(guó)已經(jīng)建立了幾所大學(xué)；李先庭、趙彬等學(xué)者對(duì)CFD技術(shù)進(jìn)行了深入的探討，并對(duì) CFD技術(shù)在 PMV，空氣齡，風(fēng)口模型，室內(nèi)顆粒物的傳播特性進(jìn)行了評(píng)估。CFD技術(shù)又稱為“電腦流體技術(shù)”，是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展而形成的一種新的數(shù)學(xué)模式。CFD技術(shù)在暖通系統(tǒng)中的運(yùn)用，不僅能改善工程的設(shè)計(jì)，而且能保證其制冷的有效性，該方法可以有效地解決室內(nèi)空氣流通與換熱與質(zhì)量問題，從而有效地改善這方面的工作。本文著重論述CFD技術(shù)在采暖與空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用原理與實(shí)踐[1]。

2 CFD技術(shù)簡(jiǎn)析

就CFD技術(shù)來(lái)說，它的全名是計(jì)算機(jī)流體力學(xué)，中文意思是計(jì)算流體力學(xué)。CFD技術(shù)以電腦技術(shù)為核心，其作用是建立數(shù)學(xué)建模，在實(shí)際中得到了廣泛的運(yùn)用。這一熱通技術(shù)具有顯著的特征，比如要求數(shù)據(jù)完整、工作速率相對(duì)較高、操作費(fèi)用低廉、數(shù)據(jù)齊全；快速和便宜的模型方法。它的技術(shù)原理很簡(jiǎn)單，只要經(jīng)過計(jì)算，就能對(duì)其進(jìn)行微分方程的控制，從而得出一個(gè)連續(xù)的局部流場(chǎng)的分布，然后利用CFD技術(shù)對(duì)其進(jìn)行仿真，從而為今后的采暖系統(tǒng)建設(shè)打下基礎(chǔ)。CFD技術(shù)在暖氣系統(tǒng)中的運(yùn)用，不僅可以準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)液體的流量，還可以改善整個(gè)系統(tǒng)的換熱量；通過傳遞質(zhì)量，可降低有關(guān)構(gòu)件的內(nèi)壓，降低構(gòu)件的變形等問題。由此可以看出CFD對(duì)暖通空調(diào)的最佳效果是十分顯著的。CFD在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用模塊，包含前端處理、最終數(shù)據(jù)生成、后臺(tái)處理等多個(gè)部分，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行協(xié)同工作，確保暖通系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定、高效。在CFD技術(shù)的實(shí)施中，必須先進(jìn)行建模、輸入和網(wǎng)格的創(chuàng)建。其次是分析模塊的工作。最終可以生成最終的數(shù)據(jù)。

CFD技術(shù)在暖通空調(diào)工程中的運(yùn)用，要使其達(dá)到最大的效能，從而使暖通空調(diào)的制冷效果得到改善。在建模過程中，因?yàn)榻＿^程中所需的數(shù)據(jù)都是在前端處理過程中產(chǎn)生的，所以，在建模過程中，要將數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后生成網(wǎng)格。而在這一步結(jié)束之后，電腦的中央處理器就會(huì)分析這些數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)分析出來(lái)，然后送到后臺(tái)。這樣的程序，可以使這些資料己是最直觀的；以最清楚的方式向員工展示。

在應(yīng)用領(lǐng)域中，CFD可以在不同的復(fù)雜幾何空間中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并可以解決流體問題，高溫?fù)Q熱問題，氣體；固體和液體的轉(zhuǎn)換問題，非牛頓流體的流變問題、粉塵問題、混凝土問題、滲透性的媒質(zhì)問題化學(xué)反應(yīng)流程，粉煤，氣態(tài)燃料，油霧，混合燃料，氧化氣流等問題，如爆炸等，反應(yīng)器的攪拌問題，為環(huán)境保護(hù)等問題提供一些數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。而CFD的資料對(duì)工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、工藝改進(jìn)等方面具有一定的借鑒意義。比如對(duì)液體的抗性。固體和液體的傳熱、固體、氣體的滯留時(shí)間、產(chǎn)品的質(zhì)量、反應(yīng)速度、處理量等，可以根據(jù)不同的條件，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析和定位。同時(shí)，通過對(duì)此部分資料的分析，對(duì)設(shè)備及設(shè)計(jì)中存在的缺陷進(jìn)行技術(shù)上的修正與改進(jìn)，以達(dá)到更好的建設(shè)目的。因此CFD在某種意義上是一個(gè)通用的多功能的大型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)[2]。

3 CFD技術(shù)在暖通空調(diào)制冷工程中的應(yīng)用功能及原則

3.1 應(yīng)用的基本功能

在CFD技術(shù)能夠探測(cè)到液體的流動(dòng)特性，因此它可以被用于暖通系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)，不僅可以改善設(shè)備的熱傳導(dǎo)特性，還可以減小外部環(huán)境對(duì)相關(guān)的裝置的干擾，從而降低其變形的概率。因此CFD技術(shù)既能使暖氣系統(tǒng)的制冷技術(shù)達(dá)到最優(yōu)，同時(shí)也能改善其功能和使用的意義。當(dāng)暖通空調(diào)器正常工作時(shí)，CFD技術(shù)能使暖通系統(tǒng)的各部分保持某種程度的協(xié)調(diào)，保證其工作的穩(wěn)定，為使工作更高效，它可以采用它的數(shù)據(jù)運(yùn)算、前、后處理等功能。

3.2 應(yīng)用的基本原則

在現(xiàn)實(shí)生活中，CFD的各個(gè)部分都扮演著各自的角色，而在現(xiàn)實(shí)生活中，最關(guān)鍵的部分就是前端，由于所有的數(shù)據(jù)和計(jì)算都是在前端完成的，因此需要在前端的模型和輸入上建立一個(gè)數(shù)據(jù)柵欄。同時(shí)，它的核心計(jì)算能力也在不間斷的運(yùn)轉(zhuǎn)著，它需要對(duì)這些信息進(jìn)行分析，然后將這些信息反饋到CFD的后臺(tái)，從而更好地將這些信息轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用。從上述的研究結(jié)果可以看出，CFD技術(shù)在暖通系統(tǒng)中的運(yùn)用，不僅可以改善其制冷性能，還可以加快運(yùn)行的速率。采用計(jì)算機(jī)建模，由于所需的資料都是在最前面完成的，所以工作人員在進(jìn)行建模的時(shí)候，會(huì)先建立一個(gè)模型，然后再將所有的資料輸入到模型中，最后才能得到一個(gè)完整的網(wǎng)格。從這個(gè)流程可以看到，在實(shí)際的應(yīng)用中，前端的操作對(duì)于保證以后的數(shù)據(jù)的正確利用是十分必要的。另外，在進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，電腦的運(yùn)算程序會(huì)一直保持著高速運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理，然后將這些處理的結(jié)果反饋到后臺(tái)，保證數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量。從以上內(nèi)容的分析可以看出，CFD技術(shù)在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的運(yùn)用，必須遵循模塊原則、參數(shù)原則和周期原則，以保證其最大限度地利用熱風(fēng)系統(tǒng)，使其制冷效果最大化[3]。

4 CFD技術(shù)在暖通空調(diào)制冷工程中的運(yùn)用特點(diǎn)

4.1 應(yīng)用于CFD技術(shù)中的數(shù)學(xué)模型組成特征

CFD技術(shù)實(shí)質(zhì)上是應(yīng)用了電腦模擬技術(shù)，而在這一技術(shù)中，選擇合適的數(shù)學(xué)模型是至關(guān)重要的。計(jì)算流體力學(xué)中的數(shù)學(xué)模式構(gòu)成特性的差異將會(huì)極大地改變CFD技術(shù)。當(dāng)前CFD常用的計(jì)算方法主要有納維爾一斯托克斯程組以及多種紊動(dòng)模式。并與其它多種模型相結(jié)合，形成計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，CFD技術(shù)中，有限單元和有限容積是兩種常見的數(shù)值模擬計(jì)算方法，其中最常用的就是有限容積法。

4.2 應(yīng)用于CFD技術(shù)中的加速收斂技術(shù)

CFD技術(shù)是一種用于三維流體的數(shù)值計(jì)算方法，其計(jì)算工作量非常大，因而在CFD技術(shù)中必須采用快速收斂技術(shù)。在CFD技術(shù)中，常用的快速收斂性技術(shù)有：局部時(shí)間步長(zhǎng)、殘差光順、多層網(wǎng)格等。雖然采用了快速收斂性技術(shù)，但在實(shí)際操作中，為了減輕運(yùn)算負(fù)擔(dān)，采用并行運(yùn)算方法，以減少運(yùn)算時(shí)間、內(nèi)存不足等問題，提高運(yùn)算速度。

4.3 應(yīng)用于CFD技術(shù)中的各種專用模塊

專門設(shè)計(jì)的功能模塊，就是方便使用者使用，而特殊的功能，可以大大降低電腦運(yùn)算的負(fù)擔(dān)，是一種十分實(shí)用的輔助分析工具。另外，CFD技術(shù)受工藝條件的制約，在計(jì)算中耗費(fèi)了較多的時(shí)間和精力，其經(jīng)濟(jì)效益極差，采用CFD技術(shù)建立專門的模型，可以利用專門的模組，實(shí)現(xiàn)計(jì)算所需的單元，大大提高了CFD技術(shù)的利用率，減少了在技術(shù)上的投入和時(shí)間。

5 CFD技術(shù)在暖通空調(diào)制冷工程中的應(yīng)用方法

目前暖通系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，CFD技術(shù)在建筑領(lǐng)域的運(yùn)用也越來(lái)越廣泛，它可以利用CFD技術(shù)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行高效的分析，從而大大的提升了仿真結(jié)果的運(yùn)算速度，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)工藝過程選取公式，建立計(jì)算模式，并進(jìn)行數(shù)值解，并對(duì)其進(jìn)行可視化評(píng)價(jià)[4]。

5.1 建立分析模型

暖通空調(diào)系統(tǒng)的工程分析建模分為兩部分：一是數(shù)學(xué)建模，二是利用數(shù)學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行建模，使之能夠完全符合系統(tǒng)的要求；在暖通空調(diào)系統(tǒng)中，大部分的流場(chǎng)都是紊流，可以通過建立紊流的數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)紊流進(jìn)行仿真，從而保證問題的完整，為以后的數(shù)值計(jì)算打下了堅(jiān)實(shí)的依據(jù)。

5.2 進(jìn)行數(shù)值求解

在此基礎(chǔ)上，可以通過下列步驟來(lái)解決該問題：首先，確定數(shù)值解的初值和邊界條件，只有在確定了該問題的技術(shù)要求后，方程式的數(shù)值分析就能得到較好的結(jié)果。邊值問題是指在解的范圍內(nèi)，由不同的時(shí)序和地點(diǎn)因子引起的不同的微分引起的。在此基礎(chǔ)上，首先確定了被測(cè)物體在流體運(yùn)動(dòng)初期所處的位置。如果是穩(wěn)定問題，那么就沒有必要設(shè)定初值。如果是暫態(tài)問題，需要設(shè)定初值。二是將計(jì)算單元進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆謪^(qū)，其中包含了非結(jié)構(gòu)單元和結(jié)構(gòu)單元，使結(jié)構(gòu)單元能夠最大限度地發(fā)揮單元的正確性。三是建立一個(gè)離散的方程式，利用有限元或有限差分方法來(lái)建立一個(gè)離散化的方程式，以一種高效的方法來(lái)解決該問題。

5.3 數(shù)值解的可視化處理

利用CFD技術(shù)對(duì)空間流場(chǎng)進(jìn)行了仿真，通過計(jì)算得到的大部分?jǐn)?shù)值都是基于節(jié)點(diǎn)的數(shù)值，這不僅增加了工作的困難，還降低了工作的工作效率，造成了工作人員很難對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的觀測(cè)和有效的研究。從現(xiàn)有的數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，CFD的數(shù)值模擬可以將CFD的數(shù)值模擬進(jìn)行后續(xù)的處理，然后將CFD的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期的處理，形成靜態(tài)圖片、曲線、數(shù)值報(bào)表等，從而得到更為精確的數(shù)值模擬[5]。

6 CFD技術(shù)在暖通空調(diào)制冷工程中的運(yùn)用過程

6.1 問題分析和前處理

首先要明確正確的仿真對(duì)象；要對(duì)物理問題進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化；要找出適合的仿真手段。在確定仿真對(duì)象的時(shí)候，必須明確地說明所要獲得的結(jié)論（例如：壓力降、質(zhì)量流量、阻力等等）、要怎樣應(yīng)用、要達(dá)到何種仿真精確性、所需的計(jì)算時(shí)間等等。最后，我們決定了仿真的計(jì)算區(qū)域。思考怎樣將所關(guān)注的問題與整個(gè)大型的整體體系分離開，并在計(jì)算區(qū)域的開始和結(jié)束的地方，在決定這個(gè)區(qū)域的時(shí)候，要分析邊界條件是否存在，邊界條件是否符合這些信息，是否可以在有足夠的資料的情況下，將計(jì)算區(qū)域邊界劃分成一個(gè)平面問題或者一個(gè)軸線對(duì)稱問題。其次，依據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和流體特性，選取適當(dāng)?shù)木W(wǎng)狀元素。在簡(jiǎn)化的幾何中，四邊形和六面體格通常具有更高的品質(zhì)和更小的元素?cái)?shù)目。

6.2 解算器執(zhí)行

首先要建立數(shù)學(xué)建模，其中包含了對(duì)紊動(dòng)、火焰、多相流等物理模式的選取。界定材料的性質(zhì)，例如流體，固體，混合材料等。說明操作環(huán)境。定義一個(gè)邊界標(biāo)準(zhǔn)。給出一個(gè)初始化。設(shè)定解壓因子、庫(kù)朗數(shù)等運(yùn)算程序的控制參數(shù)。設(shè)定會(huì)聚監(jiān)測(cè)曲線。在此基礎(chǔ)上，對(duì)求解的程序進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的分析。要想得到更精確的解，就必須全面地判定收斂性和收斂性。

6.3 后處理

在進(jìn)行了收斂性分析后，要對(duì)所求的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，并從中抽取出有用的資料。常用的方法包括三種方法：彩色圖像、曲線和物理量數(shù)字報(bào)表。再根據(jù)研究的結(jié)果，探討了如何對(duì)該模式進(jìn)行修改，從而得到更為滿意的結(jié)果。

7 CFD技術(shù)在暖通工程中存在的問題

CFD工藝方案的確定及采暖制冷的節(jié)電；因此，從產(chǎn)品的制造和經(jīng)營(yíng)角度來(lái)看，CFD技術(shù)仍然是供熱系統(tǒng)中的一個(gè)重要課題，在節(jié)能系統(tǒng)的開發(fā)中，以節(jié)能為主，然而，在技術(shù)上，由于技術(shù)的限制，其設(shè)計(jì)還未進(jìn)一步完善。當(dāng)前CFD技術(shù)在技術(shù)上存在著科學(xué)性不足、技術(shù)上的不足，其設(shè)計(jì)時(shí)間一般都比較短暫，且方案不完善，缺少一個(gè)科學(xué)的評(píng)估體系，從而對(duì)其進(jìn)行有效的利用。同時(shí)，暖通空調(diào)的CFD技術(shù)缺乏有效的控制手段，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)成果和質(zhì)量都產(chǎn)生了一定的影響。隨著能源與環(huán)境保護(hù)與發(fā)展的要求，暖通空調(diào)的能源與環(huán)境問題日益突出，CFD技術(shù)在這方面尚需改進(jìn)。

8 CFD技術(shù)在暖通空調(diào)制冷工程中的應(yīng)用范圍

CFD技術(shù)在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠有效地預(yù)報(bào)液體的流場(chǎng)特征，并進(jìn)行質(zhì)量的傳熱；在此基礎(chǔ)上，可以對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和有關(guān)的結(jié)構(gòu)的壓力和形狀的改變進(jìn)行有效的仿真，以便對(duì)建筑和工程中的建筑和使用提供參考。在實(shí)踐中，將 CFD技術(shù)引入到采暖系統(tǒng)中，可以從建筑內(nèi)部氣流組織設(shè)計(jì)、建筑外部環(huán)境和工程裝備的特性等幾個(gè)角度進(jìn)行論述。

8.1 室內(nèi)氣流組織設(shè)計(jì)

在室內(nèi)空氣的組織設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮空氣的組織方式對(duì)空間空調(diào)的影響，采用CFD技術(shù)對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，從而為通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。通風(fēng)空調(diào)室內(nèi)空間一般分為一般空間和特種空間，一般空間可用作生活和辦公，而專用空間則是具有特定用途的空間，例如醫(yī)療空間、交通工具和其它特殊情況。

8.2 建筑外部環(huán)境分析

在分析建筑的外在環(huán)境時(shí)，必須先確定其對(duì)其產(chǎn)生的重大影響。在建設(shè)項(xiàng)目中，由于小區(qū)的熱、二次風(fēng)等因素，會(huì)對(duì)室內(nèi)環(huán)境造成一定的影響，因此越來(lái)越引起人們的重視。利用CFD技術(shù)，可以對(duì)建筑物的外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行有效的仿真和技術(shù)分析，從而為建筑外風(fēng)環(huán)境的合理設(shè)計(jì)提供技術(shù)指南。

8.3 工程設(shè)備性能優(yōu)化

一般而言，空調(diào)系統(tǒng)中的空調(diào)系統(tǒng)包括空調(diào)系統(tǒng)、蓄冰槽、風(fēng)機(jī)等設(shè)備，但其運(yùn)行狀況會(huì)直接影響到系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。在工程設(shè)備的性能上，很多設(shè)備的工作原理和工作原理都是以工質(zhì)的流動(dòng)為能源轉(zhuǎn)化的，因此，從性能上講，對(duì)設(shè)備的工質(zhì)流動(dòng)狀況有很大的影響。CFD技術(shù)可以有效地對(duì)裝置內(nèi)的流體進(jìn)行有效的模擬，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和改善，從而保證設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定。

8.4 建筑內(nèi)部空氣質(zhì)量

暖通空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，評(píng)價(jià)建筑內(nèi)部控制質(zhì)量是其中的一項(xiàng)重要工作。在室內(nèi)風(fēng)速、室內(nèi)污染等方面，可以利用CFD技術(shù)精確地探測(cè)和解釋有關(guān)的技術(shù)參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，從而為室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化打下良好的基礎(chǔ)，從而提高室內(nèi)通風(fēng)的頻次和效率，改善室內(nèi)的空氣品質(zhì)。

9 結(jié)束語(yǔ)

隨著建筑業(yè)的迅速發(fā)展，供暖系統(tǒng)也日益進(jìn)入到人們的日常生活中，據(jù)資料顯示，暖通空調(diào)在建筑中的比例大約為60%，CFD技術(shù)已經(jīng)從工業(yè)領(lǐng)域逐步轉(zhuǎn)移到了建筑領(lǐng)域。因此，必須大力發(fā)展和推廣CFD技術(shù)，使其在供熱領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用，其成果和科學(xué)性已可完全替代傳統(tǒng)的采暖技術(shù)。人們的生活觀念、生活方式的多元化；暖通空調(diào)的技術(shù)要求與細(xì)節(jié)問題有著密切的關(guān)系。在供熱項(xiàng)目中應(yīng)用CFD技術(shù)，改進(jìn)采暖和空調(diào)系統(tǒng)，盡量使其更有效率；節(jié)能舒適的采暖系統(tǒng)，充分發(fā)揮暖通系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、經(jīng)濟(jì)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、舒適性和美觀的功能。