CFD

CFD模拟技术在暖通工程的应用

张瑞岭

山东工艺美术学院，山东 济南 250300

摘要：文章主要阐述暖通空调CFD 技术及其应用情况，并指出了CFD 技术在国内暖通工程中的研究现状及最新动态，同时对今后空调领域中CFD 技术的应用进行了展望。由于现代计算机技术的高速发展，相信不久的将来，CFD 技术会在暖通工程中得到更广大的应用。

关键词：CFD；暖通工程；问题分析 中图分类号：TU831.8 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)20-0034-02

1 导言

目前暖通空调系统在建筑节能环保的领域中扮演着越来越重要的角色，越来越多的暖通系统会应用到CFD 技术中去。暖通空调制冷行业是CFD 技术应用的重要领域之一，不少专家以及专业技术都已经运用CFD 技术取得了较大的成绩。

2 CFD的应用范围

CFD能够分析与研究在各种复杂几何形状的空间（装置）内、外发生的下列工程问题：

(1)流体流动；(2)高温传热（导热、对流、辐射换热、流固偶合传热）；(3)气－固、液－固、气－液、液－液等多相流（如均化库、增湿塔、气力输送等）；(4)非牛顿流体流动（流变、如粉体、混凝土、膏状物等）；(5)多孔介质流；(6)化工反应流；(7)煤粉燃烧、气态燃料燃烧、油雾燃烧、多种燃料混合及多氧化流燃烧（如燃烧器、分解炉、烘干炉等）；(8)爆炸、爆燃和着火（如煤粉仓的爆炸与防治）；(9)搅拌反应釜；(10)环保（气体、水污染的扩散与防治、脱硫、NOx等）。

CFD分析研究可以提供工程设计、生产管理、技术改造中所必需的参数，如流体阻力（阻力损失），流体与固体之间的传热量（散热损失等），气体、固体颗粒的停留时间，产品质量，燃烬程度，反应率，处理能力（产量）等综合参数以及各种现场可调节量（如风量、风温、组分等）对这些综合参数的影响规律性。还可以提供流动区域内精细的流场（速度矢量）、温度场、各种与反应进程有关的组分参数场，通过对这些场量的分析，发现现有装置或设计中存在的不足，为创新设计、改造设计提供依据。相当于是一个通用的、多功能的大型冷、热态试验场（数值试验）。

3 CFD 模拟技术可以解决以下几类暖通工程的问题 3.1 通风空调空间气流组织设计

在空调系统设计完成之后，在室内空调设计中应用CFD技术，可以在设备安装之前进行有效的气流组织模拟仿真，预测各种工况下室内气流的温度场，速度场。气流数值分析能够考虑室内各种可能的内扰、边界条件和初始条件，冈而它能全面地反映室内的气流分布情况，从而便于发现最优的气流分布方案，进而指导设计使其达到良好的通风空调效果。

3.2 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，所谓的建筑小区二次风、小区热环境等问题日益受到人们的关注。采用CFD 模拟技术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。

3.3 建筑设备性能的研究改进

暖通空调工程的许多设备，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。

3.4 室内空气品质研究

利用CFD 技术研究室内空气品质问题，主要是通过模拟得到室内各个位置的风速、温度、相对湿度、污染物浓度等

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参数，从而评价通风换气效率、热舒适和污染物排除效率等。2 暖通领域中C F D 模拟技术的求解过程暖通空调领域用CFD 进行模拟仿真，其主要环节包括几个方面：建立数学物理模型、进行气流数值求解、将数值解结果可视化。流程图如下图1所示：

图1

4 CFD 技术在暖通工程中的使用步骤 4.1 运用CFD 软件进行设计分析，计算出暖通工程的流体细节问题

计算流体力学即CFD 的应用改变了传统的设计过程，CFD 技术在暖通空调制冷工程设计与产品开发及其他行业中，进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，各有其独特的作用。张建忠分析了数值计算方法在暖通空调领域的应用情况，一般我们要先确定CFD 方法的控制方程，由于CFD 软件可以相对准确地给出流体流动的细节，对常见的暖通工程通风问题做数值计算分析，选择离散方法进行离散，依靠经验和试验及简单的理论分析来完成工程设计产品开发工作。不仅可以准确预测流体产品的整体性能，还能分析出该暖通工程的问题，同时，还应通过计算参考值以及选取参数来进行结论的应用，就容易从对流场的分析中发现产品或工程设计中的问题。

4.2 抽取实验样本进行控制计算得出措施

CFD 的核心是对NS 方程的处理，二次开发需要遵循软件的规则，它可以抽象出数学模型之后，需要寻求合适的计算方式以求解模型。而现代设计过程中，多个实验数据，这一环节中的大量工作已通过CFD 工作完成。在应用中，通常是找一些相类似的例子，即通过CFD 工作形成大量的可控数据以供参考，按照例子中的设置方式进行设置，利用试验来

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调整计算模型与算法，即可检验CFD 的技术是否科学、合理地进行，从而降低整个工序成本。

4.3 筛选方案，进行设计循环计算从而落实应用

在暖通工程中，最常用的方法就是经过一定考核的CFD 软件来拓宽实验研究的范围，分析暖通制冷系统，减少成本昂贵的实验工作量。方案的筛选是以科学性的分析为基础，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。但是，无论分析的方法或实验的方法都有较大的，所以需要去筛选出方案，进行CFD 技术的高效处理，才能够方便计算工作展开。采用统一的前、后处理工具，能够缩减工作时期，也就体现了CFD 方法具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。

5 我国暖通工程在CFD 技术上的发展前景

随着计算机图形学、计算机微机技术的快速进步，CFD 的前后处理软件得到了迅速发展。自70 年代末80 年代初起，已有一些高校、研究机构开始CFD 技术的应用研究，清华大学的李先庭和赵彬等人在CFD 方法评价PMV 和空气龄、风口模型、室内颗粒物的扩散规律等方面做出了重要贡献。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，20 年来已取得许多重要的成就。但是，开展CFD 方面的研究尚有大量工作要做，利用数值模拟方法和模型求解了气流的速度分布和温度分布的技术还有待研

（上接第 33 页） 2.5 加强教育和培训，提高施工和管理人员的综合素质 在土木工程施工之前，建筑企业应针对建设施工和管理人员素质参差不齐的实际情况，分层次，有针对性地开展相关教育和培训。首先，凡是进入施工现场的施工和管理人员都必须进行安全生产知识、安全操作技能的学习，并进行严格考核，合格后，方可进场；对特种岗位作业人员，按国家行业地方和企业规定进行特种专业培训资格考核，取得特种作业人员操作证后才能上岗。其次，施工现场的突发情况较多，应以工程现场为安全管理的背景，利用案例教育的形式实行现场教育，让他们提高安全意识，规范工作流程和技术，明确建筑施工安全管理相关的注意事项。

2.6 强化安全检查制度

要想确保安全施工管理发挥有效作用，就要创建并完善安检工作制度，加大对现场施工安全的检查、监督力度，定期对工程施工实施检查，对应做下记录，明确工程施工建设的重要部分和关键环节，以及其中的一些容易出现安全隐患问题的岗位，而且要将安检工作落实到具体工程项目的某一环节、某一岗位、某一人员等等，细化安检项目。例如: 施工前实施上岗检查、交底、记录等等，以周为单位组织一次安全评价活动，同时重点加强对一些关键施工机械设备，例

究。当前，CFD 技术在暖通工程中的应用，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。以室内空气分布以及建筑物内烟气流动规律的模拟为主，应继续加强算法方面的基础研究，从而形成一些可以解决实际问题的软件。

6 结论

CFD 相当于“虚拟”的在计算机上做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况，故CFD 是现代模拟仿真技术的一种。它在暖通工程中的应用，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情况。

CFD 具有模拟设备简单、投资低、计算速度决、计算空间不受、完整的资料获取、并且可以模拟各种工况，是其它三种方法所不具备的。随着经济发展、科技进步，CFD 模拟技术已成为现代建筑，水利、环境工程等重要的研究课题。

参考文献

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如: 塔吊、脚手架、井子架等的安全检查，确保这些设备都能够正常发挥作用，直到检验合格才能真正投入使用。安检过程中一旦出现问题，必须及时处理、纠正与解决，并设置专门人员负责监督，对于无法立即解决的安全问题，则要采取警示性措施严加防护，只有这样才能全面提高安检工作水平。

3 结论

总而言之，土木工程现场施工是一个复杂的过程，必须加强对施工现场的安全管理，提高全体施工人员的安全意识，积极履行安全生产责任和义务，全面维护土木工程现场施工安全，强化安全检查制度，加强教育和培训，提高施工和管理人员的综合素质，只有这样才能保证土木工程现场施工安全管理质量。

参考文献

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