2021年計算流體力學在制冷空調(diào)中的應用研究

1、計算流體力學在制冷空調(diào)中的應用研究 隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，食品物流行業(yè)獲得了巨大的發(fā)展空間，下面是搜集的一篇探究計算機流體力學一樣的，歡迎閱讀參考。 計算流體力學屬于現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)，研究專員利用計算機來模擬仿真實際的流體流動，通過虛擬的實驗情況來得出相應理論，并將理論運用于實際的工程領(lǐng)域中。暖通空調(diào)CFD技術(shù)就是基于計算流體力學而發(fā)展的一種技術(shù)，該技術(shù)在暖通空調(diào)的實際工程領(lǐng)域中得到了廣泛的應用，在此基礎上激發(fā)了研究專員對制冷空調(diào)工程領(lǐng)域的探索，提出了基于計算流體力學在制冷空調(diào)中的應用研究。在此，本文將從暖通空調(diào)CFD技術(shù)出發(fā)，探究CFD技術(shù)在制冷空調(diào)中的應用。 計算流體力學，又名計算流體動

2、力學，英文簡稱CFD，這是一種對流體學問題進行數(shù)值模擬與分析的新分支，主要得益于計算機技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù)的輔助。簡而言之，CFD屬于現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)，研究專員利用計算機來模擬仿真實際的流體流動，通過虛擬的實驗情況來得出相應理論，并將理論運用于實際的工程領(lǐng)域中。成本低、速度快、資料完備等這些都是CFD技術(shù)的優(yōu)勢，加之伴隨計算機技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù)的越來越成熟，在解決工程中的實際問題時CFD技術(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用。1974年，CFD首次被運用于HVAC(暖通空調(diào))工程領(lǐng)域，丹麥的Nielsen利用CFD對通風 _內(nèi)的空氣流動進行模擬，主要模擬預測室內(nèi)外或設備內(nèi)的空氣或其他工質(zhì)流體的流動情況。 2

3、.1 暖通空調(diào)CFD技術(shù) 暖通空調(diào)CFD技術(shù)，即結(jié)合CFD方法、流體力學、湍流力學、計算方法、計算機圖形處理技術(shù)等在計算機中求解出流體流動的各種守恒控制偏微分方程組的技術(shù)。在模擬暖通空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)流體流動實驗時，分析結(jié)論是流動問題多為低速流動，保持10m/s以下的流速，而根據(jù)變化不大的流體溫度與密度情況可判斷其為不可壓縮流動，這一結(jié)論等同與應用范圍內(nèi)的CFD與數(shù)值傳熱學。但由于湍流流動是暖通空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)的主要流體流動，而CFD技術(shù)對湍流現(xiàn)象尚未取得全面解決理論，因而只能依靠湍流半經(jīng)驗理論來解決暖通空調(diào)的湍流現(xiàn)象，不過在解決實際問題中依然存在諸多困擾。暖通空調(diào)CFD技術(shù)主要有建立模型、數(shù)值求解、可視化

4、處理三大主要步驟。 2.1.1 建立模型 在研究流動問題時，需要通過建立數(shù)學物理模型才能完成數(shù)學描述。由于連續(xù)性方程、動量方程、能量方程都能滿足HVAC領(lǐng)域的流動問題，一般可采用不可壓流體的粘性流體流動的控制微分方程，但又因湍流流動是HVAC領(lǐng)域中的主要流體流動，為完整描述HVAC領(lǐng)域的流動問題，還需要運用適當?shù)耐牧髂Ｐ湍M湍流流動及求解數(shù)值。當前， _空氣流動廣泛采用兩方程模型中的k-模型，也可以采用新的零方程模型來解決HVAC領(lǐng)域的一般工程。粘性流體流動通用的控制微分方程為： ，其中變量 可代表不同的物理量，進而表示不同含義的方程，如 表示速度時，就代表流體流動的動量守恒方程; 表示焓時，

5、代表能量守恒方程; 表示湍流參數(shù)時，則代表湍流動能及湍流動能耗散率方程。通過上述方程，研究專員就可以計算出工程流場所需的溫度、濃度、速度等物理量的分布。 2.1.2 數(shù)值求解 在對HVAC領(lǐng)域的流動問題進行數(shù)值求解時，可以通過上述各微分方程進行數(shù)值求解。但由于那些微分方程相互耦合且非線性特征非常明顯，因而只能通過離散實際問題的求解區(qū)域采用數(shù)值方法來求解。一般，有限容積、有限差分、有限元這三種是數(shù)值方法中主要運用的離散形式，普遍應用在HVAC工程領(lǐng)域的CFD技術(shù)中。又因低速、不可壓流動是HVAC領(lǐng)域的特征，且其存在傳熱問題，因而在離散情形中更多是采用有限容積的數(shù)值方法求解。 2.1.3 可視化處

6、理 通過數(shù)值求解步驟能夠得出離散后的各網(wǎng)格節(jié)點上的數(shù)值，不過這種方式的求解結(jié)果直觀性不強，不便于一般工程人員及其他相關(guān)人員理解，因而需要對求解結(jié)果的溫度場、濃度場、速度場進行可視化處理。運用計算機圖形學技術(shù)直觀形象的表示出HVAC工程領(lǐng)域中的溫度場、濃度場、速度場，使之成為暖通空調(diào)CFD技術(shù)應用中的必要組成部分。 通過制冷空調(diào)的CFD預測仿真空調(diào) _內(nèi)的空氣分布詳細情況，從中得到的分析結(jié)果是要想達到良好的制冷空調(diào)效果，需要重點解決通風空調(diào)系統(tǒng)中通風空調(diào)空間的氣流 _設計，合理的氣流 _設計不僅能夠?qū)崿F(xiàn)制冷空調(diào)的滿意效果，而且還能達到能源節(jié)省的目的。在制冷空調(diào)的設計中，通風空調(diào)空間是設計問題的關(guān)

7、鍵部分，根據(jù)不同的空間特征可將制冷空調(diào)的通風空間劃分為兩類，一類是如 _、辦公室、高大空間等的普通建筑空間;一類是如潔凈室、客車、列車等特殊空間。如此，可根據(jù)不同的空間需求在制冷空調(diào)設計中應用計算流體力學中的CFD技術(shù)，并借鑒暖通空調(diào)CFD技術(shù)的設計經(jīng)驗來幫助解決制冷空調(diào)設計中實際問題的解決。 2.2 食品的冷凍、冷藏與運輸 現(xiàn)如今，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，食品物流行業(yè)獲得了巨大的發(fā)展空間。但是，制約于保鮮、冷凍、冷藏技術(shù)的 _，造成我國每年因食品運輸而浪費了大量的物資與財力。據(jù)統(tǒng)計，我國每年在轉(zhuǎn)運與存放過程中因缺乏冷凍、冷藏技術(shù)的支持，進而造成每年腐爛損壞的果品高達25%、蔬菜高達30%、家

8、禽肉類高達20%、奶制品高達23%，而這些腐爛損壞的食品每年高達上億噸的總量，造成的經(jīng)濟損失巨大。如此可見，亟待解決我國食品運輸中的冷凍、冷藏技術(shù)十分必要，而在冷凍、冷藏過程中食品的品質(zhì)變化(如維生素的保持與損失、食品蛋白質(zhì)的變性、食品質(zhì)地與鮮度、脂肪氧化等)也引起了人們的廣泛重視，食品安全也是研究冷凍、冷藏技術(shù)需要考慮的關(guān)鍵因素。為了解決食品運輸過程中的腐爛損壞問題，研究者提出了將CFD技術(shù)應用于冷凍、冷藏技術(shù)的 _中，充分利用CFD技術(shù)的獨特優(yōu)勢來有效解決食品冷凍、冷藏方面存在的問題，從而確保食品的安全性。 2.2.1 生活與商用的冷 _置 冰箱、冷藏陳列柜、冷庫等是較為常見的冷 _置，主

9、要適用于生活與商用。其中，冰箱的制冷原理是通過電能消耗來保持適當容積絕熱箱體內(nèi)的低溫，以達到制冷目的來實現(xiàn)食品的保鮮、冷藏貯存。在冰箱冷 _置的技術(shù)設計中，最主要的困擾問題是流場優(yōu)化，絕熱箱體內(nèi)的空氣流場與溫度決定了食品的保鮮質(zhì)量，箱內(nèi)溫度場受制于冰箱耗電量的影響。流場的具體信息獲取也是一個棘手問題，不可以通過代數(shù)方程計算來獲得，若采用實驗的話傳感器的裝置會破壞箱內(nèi)的流場，并加大了工作量，而應用CFD方法與技術(shù)能夠有效解決這些困擾問題。 人們生活水平的提高促進了商業(yè)的發(fā)展，而人們生活節(jié)奏的加快也在一定程度上 _了商品市場的崛起，其能夠為人們提供各種生鮮食品、熟食與半熟食品，通過冷藏陳列柜來實現(xiàn)

10、對蔬菜、肉類、水果、奶制品、日配品等的保鮮與冷藏。因而，人們對冷藏陳列柜的保鮮存儲設備提出了高要求，研究工 _基于CFD技術(shù)對冷藏陳列柜進行了改良，溫度與濕度控制、氣流 _、節(jié)能等技術(shù)問題可廣泛使用CFD技術(shù)來解決。 食品的冷凍 _與冷藏需要冷庫來解決，而冷庫的建筑結(jié)構(gòu)復雜且具有嚴格標準，要求冷庫具備堅固性、隔熱性、抗凍性、密封性。其中，庫內(nèi)貨物的貯藏質(zhì)量、貯藏期直接受制于冷庫內(nèi)的溫度場、濕度場、速度場三個方面的分布合理性，為了提高冷庫內(nèi)食品的衛(wèi)生與安全，將CFD技術(shù)應用于冷庫領(lǐng)域十分必要。 2.2.2 運輸用冷 _置 在運輸食品的過程中，交通工具上的冷 _置必不可少，這是確保食品在運輸期間保

11、鮮、保質(zhì)的關(guān)鍵所在。為此，結(jié)合交通工具的特點，人們研制出了運輸用冷 _置，其相當于一個 _的冷庫，冷藏集裝箱、冷藏汽車、冷藏船、鐵路冷藏車是當前主要的運輸用冷 _置，以確保運輸過程中食品能夠貯存在低溫環(huán)境中，避免因運輸而造成的食品變質(zhì)損壞。在運輸用冷 _置中應用CFD技術(shù)能夠有效提高其對食品的保鮮冷藏質(zhì)量，冷藏集裝箱是冷藏食品運輸中的主要工具，利用CFD方法能夠?qū)崿F(xiàn)對箱內(nèi)穩(wěn)態(tài)流場、溫度場等進行實驗及數(shù)值計算。而在鐵路冷藏車中應用CFD，可以利于完成對充放冷過程(冷板冷藏車)、冷凍貨物溫度分布(運輸過程)、溫度場(堆碼方式)的數(shù)值模擬，以及數(shù)值計算與分析?？傊?，在CFD方法與技術(shù)的支持下，運輸用冷 _置的功能會越來越完善，進而食品的運輸過程中的保鮮冷藏等衛(wèi)生安全性。 通過上述分析可知，將計算流體力學應用在制冷空調(diào)還是一個全新的理論設計領(lǐng)域，得益于現(xiàn)代計算機技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù)的高速發(fā)展，以及HVAC(暖通空調(diào))領(lǐng)域中CFD技術(shù)的廣泛應用成效，使得制冷空調(diào)CFD技術(shù)及其應用具有很大的發(fā)展前景。相信在相關(guān)研究專員的努力下，CFD技術(shù)將在制冷空調(diào)工程領(lǐng)域中獲得更普遍、廣泛的實際應用。 1田虎，李娜.暖通空調(diào)中CFD技術(shù)的應用概述J.中國科技博覽，xx(6)：17-17. 2李鋼.計算流體力學(CFD)在制