趙天蓉

（成都紡織高等專科學(xué)校，四川 成都 611731）

暖通空調(diào)工程的許多設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、蓄冰槽、空調(diào)器等，都是通過流體工質(zhì)的流動(dòng)而工作的，流動(dòng)情況對(duì)設(shè)備性能有著重要影響。通過CFD模擬計(jì)算設(shè)備內(nèi)部的流體流動(dòng)情況，可以研究改進(jìn)設(shè)備性能，降低建筑能耗，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

CFD軟件的一般結(jié)構(gòu)包括前處理、求解器及后處理三大模塊。三大模塊各有其的作用，前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；求解器是確定CFD的控制方程，選擇離散方法進(jìn)行離散；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡(jiǎn)便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果。

1 網(wǎng)格生成

在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)中，網(wǎng)格生成對(duì)CFD至關(guān)重要，直接關(guān)系到CFD計(jì)算的成敗。

（1）網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。CFD網(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化。結(jié)構(gòu)化是只有六面體的網(wǎng)格單元。長(zhǎng)方體所有邊是兩兩正交的六面體網(wǎng)格。如果邊與邊不正交，網(wǎng)格單元就有扭曲.用skewness來(lái)評(píng)估網(wǎng)格質(zhì)量，sknewness=V/(a*b*c).V是網(wǎng)格的體積，a，b，c是六面體長(zhǎng)，寬和斜邊。sknewness越接近1，網(wǎng)格質(zhì)量就越好。扭曲厲害的網(wǎng)格，sknewness很小。非機(jī)構(gòu)化：可以是多種形狀，四面體，六面體，棱形。Sknewness在這里同樣適用。網(wǎng)格質(zhì)量好壞經(jīng)常影響收斂，那么，如何判斷網(wǎng)格質(zhì)量好壞呢？單元邊夾角適中、尺寸分布與應(yīng)力集中性或梯度一致。三維盡量選用六面體單元，二維盡量選用四邊形單元，當(dāng)然這可以是掃掠形成的，也可以不是。這是對(duì)單元形狀的基本要求。當(dāng)然在求解的過程中，對(duì)同一形狀單元，還要根據(jù)實(shí)際受力及變形情況，慎重選擇單元的階次、積分方式、假設(shè)應(yīng)變、常體積、非協(xié)調(diào)等與單元相關(guān)的諸多開關(guān)，才能得到比較合理的計(jì)算結(jié)果。專家在空調(diào)房間內(nèi)研究了人體的換熱性能，將一個(gè)人體放在假想矩形房間，在房間內(nèi)采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對(duì)于不同網(wǎng)格形狀結(jié)構(gòu)影響的評(píng)價(jià)有待進(jìn)一步的探索。

（2）網(wǎng)格密度。網(wǎng)格密度很重要，如果網(wǎng)格過于粗糙，那么結(jié)果可能有嚴(yán)重的錯(cuò)誤，如果網(wǎng)格過于細(xì)致，將花費(fèi)過多的計(jì)算時(shí)間，而且模型過大可能導(dǎo)致在計(jì)算機(jī)上不能運(yùn)行，為避免這類問題的發(fā)生，在生成模型前應(yīng)考慮網(wǎng)格密度，因此必須進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)。著名學(xué)者Chila和Kaminski提出了自動(dòng)化解決網(wǎng)格獨(dú)立性的方法。

2 湍流模型

最近模擬流場(chǎng)遇到湍流模型能力不足的問題。目前計(jì)算流體力學(xué)常用的數(shù)值模擬方法主要有以下三種：DNS、LES、RANS分類的標(biāo)準(zhǔn)是直接求解的渦的尺度。目的是總結(jié)出一個(gè)最新的湍流模型發(fā)展現(xiàn)狀。為挑出合適的湍流模型，或者對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行簡(jiǎn)單修正（以應(yīng)用于所研究問題）做準(zhǔn)備，內(nèi)容隨著看文獻(xiàn)的深入不斷修正。隨著求解的渦的尺度越來(lái)越?。；牟糠衷絹?lái)越少），引入的假設(shè)減少，但是對(duì)網(wǎng)格數(shù)量的要求更高，求解時(shí)長(zhǎng)不斷增加（增長(zhǎng)速度比網(wǎng)格數(shù)量增長(zhǎng)速度快很多），因此，一般只用在簡(jiǎn)單幾何的簡(jiǎn)單流動(dòng)之中?；赗ANS的湍流模型中，使用時(shí)間最長(zhǎng)，積累經(jīng)驗(yàn)最豐富的是混合長(zhǎng)度模型和K-E模型。下面就是一些軟件操作的技巧。在Fleuent隱藏了很多湍流模型，在GUI面板中我們只能看到三種k-ε模型。但是實(shí)際上低雷諾數(shù)湍流模型我們同樣可以使用。在Fluent6.2中具體操作一共有三步：第一步，先在viscous model面板中選擇k-ε模型；第二步，鍵入下面的命令：

在模型選擇面板中我們就可以看見低雷模型low-re-ke model了。默認(rèn)使用第0種低雷諾數(shù)模型。

第三步，F(xiàn)luent中提供 6種低雷諾數(shù)模型，使用low-re-ke-index命令設(shè)定一種low-re-ke-index。Xu等人在室內(nèi)空氣流動(dòng)研究基礎(chǔ)上取得了令人滿意的準(zhǔn)確度和計(jì)算速度。

3 風(fēng)口模型

風(fēng)口入流邊界條件的描述是當(dāng)前通風(fēng)空調(diào)房間氣流組織數(shù)值模擬的難題之一。因此建立合理風(fēng)口模型是描述房間入流邊界條件的關(guān)鍵。實(shí)際上送風(fēng)口幾何形狀相當(dāng)復(fù)雜,如散流器、百葉風(fēng)口和孔板風(fēng)口等。為了準(zhǔn)確模擬湍流入流邊動(dòng)數(shù)值模擬的送風(fēng)口邊界條件，一些學(xué)者提出各種不同的風(fēng)口模型來(lái)解決此問題。目前CFD在暖通空調(diào)工程的應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面的新動(dòng)態(tài)有室內(nèi)空氣流動(dòng)的簡(jiǎn)化模擬：美國(guó)MIT，從描述空調(diào)風(fēng)口入流邊界條件的方法進(jìn)行研究，以對(duì)室內(nèi)空氣流動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬；中國(guó)清華大學(xué)，研究空調(diào)風(fēng)口入流邊界條件的新方法、建立室內(nèi)空氣流動(dòng)數(shù)值模擬的簡(jiǎn)捷體系；室內(nèi)外空氣流動(dòng)的大渦模擬：美國(guó)MIT、日本東京大學(xué)，研究大渦模擬這一高級(jí)湍流數(shù)值模擬技術(shù)在室內(nèi)外空氣流動(dòng)模擬中的應(yīng)用，目前已經(jīng)開始嘗試用于建筑小區(qū)和自然通風(fēng)模擬等；室內(nèi)空氣流動(dòng)模擬和建筑能耗的耦合模擬：美國(guó)MIT，通過將簡(jiǎn)化的CFD模擬方法和建筑能耗計(jì)算耦合對(duì)建筑環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)；風(fēng)口模型有雙層百頁(yè)風(fēng)口，球形可調(diào)風(fēng)口等。上個(gè)世紀(jì)70年代，風(fēng)口模型就被一些學(xué)者提出來(lái)解決室內(nèi)空氣流 。

4 輻射換熱

輻射換熱對(duì)室內(nèi)空氣分布有極其重要的作用。 輻射換熱對(duì)室內(nèi)空氣流動(dòng)情況有著重要的影響。物體表面間的輻射換熱量Q12可以用斯忒藩——玻耳茲曼定律表示：

F12為表面1、2間的輻射換熱系數(shù)：

5 人體模型

計(jì)算機(jī)人體模型是指將人體結(jié)構(gòu)數(shù)字化，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)，用電腦的語(yǔ)言符號(hào)來(lái)表述人體的三維結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了人體結(jié)構(gòu)信息的數(shù)字化。

通常用到物理人體體?；蛘邤?shù)字化仿真人體模型。基于物理人體體模的實(shí)驗(yàn)缺乏安全性、經(jīng)濟(jì)型和效率。相比之下數(shù)字化仿真人體模型，借助完善的計(jì)算方法和參數(shù)能夠方便、精確的模擬三維空間下的人體受到輻照?qǐng)鼍啊?/p>

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過去人體僅看成是簡(jiǎn)單的對(duì)流熱源。研究者采用RANS模型和DES模型研究了空調(diào)房間內(nèi)人體周圍的風(fēng)速和溫度分布，但其絕對(duì)值仍存在著一定的誤差。以上研究中，人員活動(dòng)對(duì)整個(gè)房間氣流組織的影響未被考慮進(jìn)去，隨著人體模型技術(shù)的成熟，人體模型與CFD模擬的耦合會(huì)成為發(fā)展趨勢(shì)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文從5個(gè)方面分析了CFD建模中的常見問題,提出了相應(yīng)的解決方法。盡管還存在諸多困難,相信 CFD建模的發(fā)展對(duì)暖通空調(diào)工程復(fù)雜的氣流組織進(jìn)行快速、精準(zhǔn)的計(jì)算,不會(huì)是夢(mèng)想。

［1］趙彬，李先庭，彥啟森.暖通空調(diào)氣流組織數(shù)值模擬的特殊性［J］．暖通空調(diào)，2004，34（11）:122-127．

［2］龔光彩.網(wǎng)格自動(dòng)生成技術(shù)進(jìn)展綜論［J］.建筑熱能與通風(fēng)空調(diào)，2006，25（1）．

［3］陳晨.嵌入式空調(diào)氣流組織評(píng)價(jià)［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

［4］郭永輝，劉朝.低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的房間內(nèi)氣流組織數(shù)值模擬［J］.制冷與空調(diào)，2006，6（5）:35-39．