分析计算流体力学在暖通空调工程中的运用

欧佳才

摘要：为了提高暖通空调工程建设质量，分析计算流体力学在其中的应用。明确暖通空调工程建设基本要求和计算流体力学应用侧重点，为两者融合奠定基础，发挥计算流体力学优势优化暖通空调工程效果。最后提出设计内部环境气流组织、外风环境模拟、特殊空间与设备流体流动与传热数值模拟三点建议，从不同方面与角度了解计算流体力学的应用优势与要点，旨在凭借其实用价值保证暖通空调工程设计效果。

关键词：计算流体力学；暖通空调工程；STACH-3；k－模型

城镇中建筑物增多，对暖通空调工程（Heating,Ventilating and Air Conditioning）的需求量也逐渐加大，但是通风采暖调节、流体预测等方面存在难度，要想保证暖通空调工程质量，计算流体力学成为工程建设中的常用方法。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称为CFD）可对室内空气流动进行准确计算，属于数值模拟范畴，广泛应用在暖通空调工程中。对比CFD和传统计算方法，如模型实验，或者采用经验公式形式进行流体流动与传热的预测，CFD不仅成本低、效率高，还能够为暖通空调工程计算提供完善的资料，在信息技术、数值模拟技术等支持下，CFD也将暖通空调工程中的实际问题予以解决，具有非常高的实用价值。

一、暖通空调工程建设要求

（一）节能减排与绿色环保

编制暖通空调工程整体方案，要了解该系统的运作原理、功能，达到绿色环保目标。暖通空调系统可以自动化调节温度，既能够有效发挥基础功能，又可以减少能源耗损，减少大量不可再生资源被浪费，凭借已经掌握的工艺技术与资源，维持暖通空调系统稳定运行^[1]。

（二）因地制宜与经济性

暖通空调工程在设计环节，要对各个设备安装环境与要求、建设方案等进行综合分析，使绿色理念在暖通空调工程中得到全面渗透，加强设计方案的可操作性与合理性。此外，对于暖通空调的能源消耗要有所了解，可以充分开利用自然资源，如自然通风与采光，降低当地环境资源的需求量与使用量。暖通空调工程选材方面，一方面以复合墙体、环保材料为主，另一方面则要遵循因地制宜原则，缩短材料运输时间，保证材料运输经济性。

二、计算流体力学应用侧重点

（一）数学物理建模

暖通空调工程中计算流体力学的应用，一般会运用连续性方程和动量方程等，属于不可压湍流。站在暖通空调工程实际应用这一视角，创建湍流模型可以对湍流流动情况进行模拟，比较简单的湍流模型以零方程模型为主，其中以混合长度模型最为常见。建筑物内部环境空气流动的模拟多采用k－ 模型，是两方程模型的代表。－- 模型主要计算湍动能K、湍能耗散率 输运方程，最终计算得到湍流粘性系数。

数学物理建模建议使用CFD软件——STACH-3，该软件可以满足k－ 模型、自然对流与混合对流模拟等零方程模型等要求。因为零方程模型用于模拟室内空气流动数据可以保证精度，无需大量时间，所以更多被应用在微型机上^[2]。

对于连续性方程、动量方程、能量方程的计算，通常以通用方程为主要表达形式，如 ①。公式①中 为通用变量， 表示的是密度、速度矢量、扩散通量、源项。

（二）计算具体数值

计算环节运用微分方程，彼此之间互相祸合具有非线性特点，但这种方法只适用于求解数值方法。求解区域一旦有网格形成之后，可通过有限容积法离散各微分方程，表现为 ②。公式②中a为离散方程系数， 是所有网格节点变量值，b在离散方程源项。

计算之后可暖通空调工程中运用CFD进行流体流动与传热的模拟，需按照如下流程进行：①为变量赋初值；②创建离散动量方程后求解；③获得坐标轴方向速度值；④创建压力修正方程并求解，获得修正到压力，再以修正压力对估计压力进行修正。得到修正压力后，修正坐标轴方向速度值；⑤创建并求解离散能量方程，获得空气焓值、温度值；⑥判敛。

三、暖通空调工程中计算流体力学的应用建议

（一）设计内部环境气流组织

通风空调工程中的气流组织设计十分关键，保证气流组织设计质量可达到理想空调效果，还能够满足节能降耗目的。因为变风量系统不是任意时刻送风速度都很大，多数为侧送风，极有可能导致冷风下坠，通过STACH-3模拟半负荷环境下的各个气流组织工况，创建零方程湍流模型，了解到不同工况中心立面速度、温度分布情况，发现当有冷风下坠形成后会形成吹风感。此外，分析风口出风方向斜上这一工况，室内环境气流组织中的速度温度分布情况较为合理。以往在这一层面多运用射流理论，但很难展开类似分析，冬季工况凭借STACH-3展开不同条件下气流组织型式的对比分析，发现内部环境气流组织设计中应用CFD有非常显著的优势。

（二）外风环境模拟

建外来流风绕流条件下，采用CFD展开风环境数值模拟，切实掌握室外环境质量，也可以对自然通风设计提供强有力的指导。此环节也可应用STACH-3，建议运用两步法得出室外风环境模拟结论。创建湍流模型，即k一￡模型，按照实际外空气流动状况进行自然通风的合理组织，但是要注意采取创建模型实验的方式进行外风环境模拟评价，整体周期比较长，而且价格贵，可能不满足暖通空调工程需求

^[3]。

（三）特殊空间与设备流体流动与传热数值模拟

如果是针对特殊空间流体流动、传热数值进行模拟，此时采用CFD，一般应用STACH-3软件，该软件中包括新零方程湍流模型，可准确计算特殊空间环境下，空调送风速度场、温度场分布结果，分别以冷色调和暖色调表示不同的温度，不同的颜色对应数值以颜色－温度对应标识来表示。由于CFD计算之后得到的结果主要为空气流体温度，所以CFD模拟得出结论具有直观、形象的特点，观察得出特殊空间内部空气分布和人体热舒适的契合度，对暖通空调工程设计提供指导。

对于不同设备内部流动、传热的模拟，在暖通空调工程中也十分常见。采用CFD进行模拟分析，具体可应用在风机、冷藏柜等设备的流体流动与传热数值模拟分析。STACH-3软件中新零方程湍流模型分析蓄热动态，最后得出数值模拟结论，其间可得到中间任意时刻槽内温度的分布情况，根据分析得出结果观察色调，以此来了解实际温度。根据分析发现槽内温度分层、蓄热效果等具体情况^[4]。此外，CFD还具有动态展示功能，即以动画的形式表示动态蓄热、取热的操作过程，如此一来设计人员便可直观掌握不同设备的性能，完善暖通空调工程设计方案。

结束语：

综上所述，暖通空调工程是建筑行业不可或缺的一部分，做好暖通空调设计，可以从根本上提升建筑项目整体质量。在此环节应用计算流体力学，可采用计算机技术与建模等多种形式，更加全面地了解暖通空调设计现状，模拟对比分析后提出暖通空调设计优化建议，在实践中积累计算流体力学的应用经验，也有助于加强暖通空调设计水平。

参考文献：

[1]王强.计算流体力学在化学工程中的应用研究[J].清洗世界，2020，v.36;No.309(11):32-33.

[2]钟阳，王良明，吴映锋.基于计算流体力学与刚体动力学耦合的高速旋转弹丸弹道计算方法[J].兵工学报，2020(6):1085-1095.

[3]王阳阳，赵锐.基于AMESim的矿用安全阀动态仿真及计算流体力学验证[J].煤炭技术，2020，v.39;No.316(04):189-192.

[4]吕小敬，刘钊，褚学森，etal.面向超大规模并行模拟的LBM计算流体力学软件[J].计算机科学，2020，047(004):13-17.