CFD基本算法及其在暖通空调领域中的运用

CFD基本算法及其在暖通空调领域中的
运用
摘要：CFD是20世纪70年代后期在计算机技术、流体力学和工程数值计算
方法的共同发展下形成的一门新兴学科。

在暖通空调领域中，CFD方法主要应用
于暖通空调领域的暖通空调系统设计和暖通空调系统的性能评估。

基于此，本文
详细分析了CFD基本算法及其在暖通空调领域中的运用策略，以供参考。

关键词：CFD基本算法；暖通空调；运用
引言：CFD （Computational Fluid Dynamics）即计算流体力学，它是一种
模拟流体流动的数值方法。

它的基本思想是：将流体控制方程离散为有限个数值量，并用这些数值量来描述流体流动，再通过计算机对这些数值量进行数值模拟，得到流场的分布及流体的状态。

CFD以其特有的优势成为了一种快速、有效和可
靠的手段来解决在流体运动和传热过程中所遇到的各种问题。

1.CFD基本算法
1.1控制方程
CFD的控制方程分为两大类：一类是连续方程，一类是不连续方程。

前者包
括速度场与压力场的控制方程，后者包括湍流模型、辐射模型等。

流体力学中，
常用的基本控制方程是连续性方程和动量守恒方程。

由于粘性的存在，这两个方
程分别对应着动网格和液、气两相流模型，因此，通常把这两个控制方程叫做流
体力学的控制方程。

对于定常流体，控制方程只有一个——连续性方程，该方程
描述了流体在单位时间内的运动情况。

1.2离散方法
在数值模拟中，离散方法是非常重要的，它能直接影响到计算结果的精度。

对于某些物理现象的数值模拟，由于问题的复杂性，往往采用较简单的离散方法。

通常情况下，可采用有限体积法来进行计算。

有限体积法是一种无网格计算方法，其基本思想是把连续方程和非连续方程都离散为有限个空间坐标上的点，每个点
对应于一个坐标值。

通过采用这种离散方法，可以得到一组离散格式，每组离散
格式又可以表示为空间上的一个有限体积。

有限体积法在处理具有复杂边界条件
和高度非线性问题时具有明显优势。

因此，在数值模拟中得到了广泛应用。

1.3时间推进算法
时间推进算法（Time Propagation Algorithm）是指将时间和空间变量在连
续相和离散相之间交替地推进，以逼近问题的解。

时间推进算法包括两种，一种
是基于时间步的，如线性插值法；另一种是基于空间步的，如局部平均法。

线性
插值法即在一个时间步内对时间和空间变量同时进行插值，这意味着一个局部平
均是一个具有有限精度的近似。

局部平均法是基于误差最小化的思想，即在一个
计算网格上对所有的点进行插值，然后将结果以网格为单位进行处理。

局部平均
法在计算精度上优于线性插值法，但是它不能用于数值扩散问题[1]。

2.CFD在暖通空调领域中的运用策略
2.1流体热湿传输和传热模拟
暖通空调中流体热湿传输和传热模拟包括：气流组织的模拟、空调房间内空
气温度场和速度场的模拟、空气处理机组工作状态的模拟、空调系统能耗的模拟等。

在气流组织方面， CFD可以用于气流组织设计及气流组织性能的优化，包括
送风速度、回风温度、回风比等参数的优化。

在空调房间内空气温度场和速度场
的模拟中，可以用来预测空调房间内空气温度分布及分布规律，为空调房间的设
计提供理论依据。

在热湿传输方面，可以用于预测空调系统中热湿介质的迁移、扩散和传热传
质过程，如含湿空气在空调房间中的传输，湿空气在室内气流组织中的流动状态等。

通过对流体热湿传输和传热过程进行模拟，可以为空调系统节能和控制提供
理论依据。

2.2通风系统的设计和优化
对于通风系统，它的设计是在满足建筑功能要求的前提下，寻求最优化方案。

这其中涉及到空调系统、送风系统、排风系统等。

其中，空调系统对通风的要求
很高，其主要目的是保持室内温度的舒适性，并降低空调系统运行能耗。

由于目
前空调通风设计中使用的软件多为通用的商业软件，所以，在设计过程中仍存在
许多问题，如软件选择不合理、设计不合理等。

此外，由于每个建筑物的功能不同，通风设计时所需考虑的因素也各不相同，因此，在设计过程中仍需要进行大
量的计算。

目前，随着计算机技术的发展和 CFD技术在暖通空调领域中的应用日
益广泛，设计人员在暖通空调工程设计过程中也越来越多地采用 CFD技术进行计算。

2.3对暖通空调系统进行建模
在对暖通空调系统进行建模的时候，需要先了解暖通空调的主要组成部分，
暖通空调是由主机、系统管道以及末端装置等组成的，其中主机的作用是将能源
输送到末端装置上，其能够在室内实现供暖或者制冷的效果。

而系统管道主要是
将能量输送到各个设备当中，其主要作用是进行热量或者冷热量的传输。

在对暖
通空调系统进行建模的时候，需要对各个部分进行分析和研究，尤其是对于末端
装置来说，其能够将能量输送到各个房间中去。

末端装置主要是将房间中的热负
荷和冷负荷等进行计算和分析，为系统管道提供一个最合适的位置。

在对暖通空
调系统进行建模的时候，还需要了解气流组织情况以及气流速度等情况。

通过对
气流组织情况和气流速度等情况进行分析和研究，可以掌握系统在不同情况下的
实际运行状况和实际性能。

此外还需要了解温度以及压力等参数对系统性能产生
的影响[2]。

2.4CFD技术在空调设计中的运用
空调设计中运用 CFD技术，可以为暖通空调系统设计提供合理的优化方案，
为空调系统设计人员提供更加科学、准确的数据和更有效的指导，对空调系统进
行优化和改进。

具体来说， CFD技术在暖通空调系统中主要运用于以下几个方面：首先，在对空调系统进行设计时， CFD技术可以根据实际情况为设计者提供更加
准确的数据和信息。

例如，在对冷热空气混合时间进行计算时，可以通过 CFD技
术提供的相关参数来判断当前冷热空气混合是否彻底，为暖通空调系统的运行提
供可靠的数据。

其次， CFD技术可以通过计算结果为暖通空调系统的设计人员提
供合理的优化方案。

例如，在对某一具体建筑进行设计时，可以通过 CFD技术分
析暖通空调系统的设计是否合理。

2.5确定计算域与边界条件
计算域是指暖通空调系统内部的几何区域，包括风机盘管、新风机组、风阀、空调箱等；计算域边界条件是指暖通空调系统内部的几何边界，包括风机盘管、
新风机组等设备的入口、出口以及风阀的开启或关闭等。

暖通空调系统内部几何边界条件的确定，需要综合考虑以下因素：（1）建
筑物内或建筑物外不同方向的气流速度分布是否均匀；（2）建筑物内或建筑物
外不同方向的风速是否存在明显差异；（3）建筑物内或建筑物外不同方向的静
压分布是否均匀；（4）建筑物内或建筑物外不同方向的温度分布是否存在明显
差异；（5）房间或房间内部不同区域的温度变化规律[3]。

总结：CFD技术在暖通空调领域中的应用，以数值模拟为基础，基于物理模
型建立数学模型，以计算机为工具，将计算流体力学的理论方法、数值模拟方法
和计算机技术有机结合，借助数学工具进行分析和解释。

CFD在暖通空调领域中
的应用涵盖了从初始条件设置到最终运行状态的全过程，涉及到热传导、流动和
传热、流体力学等多个领域，在此基础上获得了很多研究成果，具有广阔的应用
前景。

参考文献：
[1]张智力,吴喜平.CFD基本算法及其在暖通空调领域中的运用[J].能源技
术,2002(01):8-11.
[2]唐柱才.CFD技术在暖通空调制冷工程中的应用[J].电子世
界,2018(03):201.
[3]冯淳.计算流体力学在制冷空调中的应用研究[J].无线互联科技,2013(11):121-122.。