CFD技术在制冷领域流场优化设计中的应用

    1 CFD技术的介绍

    CFD主要包含3个主要环节:建立数学物理模型、数值算法求解与结果可视化。当着手研究某一问题时,专业人员首先要将实际问题用数学方法表示出来,并在计算机上建立物理模型,然后利用CFD软件进行数值求解,最后将结果用作图软件做可视化处理。目前,CFD最主要的问题就是精度问题。网格的形状、结构和所采用的基本算法、离散格式和湍流模型等都会对精度有影响。应在能保证模拟准确度、精确度的前提下,尽可能地选用简单的方法、模型。这样不仅可以简化问题,而且可以节约计算机资源,减少计算时间。

    2 CFD在制冷领域流场优化设计中的应用

    2.1 CFD在暖通空调流场优化设计中的应用

    空调设计的最终目的是以合理的系统设计及设备选型实现所要求的室内气体环境(温湿度、气流、污染物质浓度等指标)。实现对这些环境参数的合理控制,有必要把握其流场的分布特征。现代空调越来越多地考虑到人体舒适性的要求,而从流场的角度考虑人体舒适性就是要求流场的均匀,比如要求在人体所在的区域里,风速均匀控制在一定数值内,避免气流过猛给人体带来的不舒适感;要求整个流场区域温度场分布均匀,尤其是人体附近区域温度场,避免人体各部分温差过大产生不适。这就需要对气流组织进行设计。所谓气流组织设计,就是在空调房间内合理地布置送风口和回风口,组织通风空调室内的空气流动,使得经过净化和热湿处理的空气,合理地送入室内,在扩散与混合的过程中,均匀地消除室内余热余湿,从而使工作地区具有舒适和满意的空气分布,如均匀而稳定的温度、湿度、气流速度和洁净度,以满足人体舒适的要求。

    在传统的室内气流组织设计中,往往采用经验和实验及简单的理论分析来完成设计工作,凭经验对送风口、回风口和室内热源等因素进行单纯的合成(即线性近似),这存在较大的误差,而试验又会带来极高的成本。CFD的应用则可以很好地解决这些问题,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,因而很容易在对流场的分析中掌握室内气流的构造、分布特征,为合理的系统设计及设备选型提供有益的参考资料。春兰集团陶建兴[1]等人用STAR-CD对使用某型号四面出风式壁挂空调器的房间的温度场进行了分析,并与传统出风壁挂空调器流场作对比。在模拟研究中发现采用四面出风式壁挂空调器的房间温度场均匀,且左右对称,在人体所处区域,风速小于人敏感的0.5 m/s,可以保证房间温度控制的精确性。研究还表明,通过STAR-CD模拟房间温度场,结果直观,对于指导产品设计有重要作用。金泰木[2]等使用有限元分析软件(ANSYS5.6.1版本)的多物理场分析中的流体计算模块作为模拟分析平台,对列车车厢硬卧包间送风情况进行计算模拟和分析。在模拟中选择了k-E模型,通过计算模拟发现采用包间行李台侧隐式风口条缝贴附顶板侧送风的方案时,包间内温度场较均匀,且铺位两端风速对头部的影响较小。董玉平[3]等利用FLUENT公司推出的AIRPAK2.1对天津国际展览中心扩建工程B展厅高大空间建筑空调方案进行了模拟研究,预测其空调系统的热舒适性与气流组织,模拟预测了展厅的气流组织,得出展厅基本能满足人体舒适性要求,气流组织设计合理。分析研究证明CFD模拟预测方法是有效的,验证和指导设计是切实可行的。从上述实例看出,CFD已在空调领域流场分析中得到广泛的应用。