计算流体力学在制冷空调中的应用研究

摘 要：计算流体力学属于现代模拟仿真技术，研究专员利用计算机来模拟仿真实际的流体流动，通过虚拟的实验情况来得出相应理论，并将理论运用于实际的工程领域中。暖通空调CFD技术就是基于计算流体力学而发展的一种技术，该技术在暖通空调的实际工程领域中得到了广泛的应用，在此基础上激发了研究专员对制冷空调工程领域的探索，提出了基于计算流体力学在制冷空调中的应用研究。在此，本文将从暖通空调CFD技术出发，探究CFD技术在制冷空调中的应用。

关键词：计算机流体力学；CFD；制冷空调；应用研究

1 前言

计算流体力学，又名计算流体动力学，英文简称CFD，这是一种对流体学问题进行数值模拟与分析的新分支，主要得益于计算机技术与数值模拟技术的辅助。简而言之，CFD属于现代模拟仿真技术，研究专员利用计算机来模拟仿真实际的流体流动，通过虚拟的实验情况来得出相应理论，并将理论运用于实际的工程领域中。成本低、速度快、资料完备等这些都是CFD技术的优势，加之伴随计算机技术与数值模拟技术的越来越成熟，在解决工程中的实际问题时CFD技术发挥着越来越重要的作用。1974年，CFD首次被运用于HVAC（暖通空调）工程领域，丹麦的Nielsen利用CFD对通风房间内的空气流动进行模拟，主要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。

2 计算机流体力学在制冷空调中的应用

2.1 暖通空调CFD技术

暖通空调CFD技术，即结合CFD方法、流体力学、湍流力学、计算方法、计算机图形处理技术等在计算机中求解出流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术。在模拟暖通空调领域内流体流动实验时，分析结论是流动问题多为低速流动，保持10m/s以下的流速，而根据变化不大的流体温度与密度情况可判断其为不可压缩流动，这一结论等同与应用范围内的CFD与数值传热学。但由于湍流流动是暖通空调领域内的主要流体流动，而CFD技术对湍流现象尚未取得全面解决理论，因而只能依靠湍流半经验理论来解决暖通空调的湍流现象，不过在解决实际问题中依然存在诸多困扰。暖通空调CFD技术主要有建立模型、数值求解、可视化处理三大主要步骤。

2.1.1 建立模型

在研究流动问题时，需要通过建立数学物理模型才能完成数学描述。由于连续性方程、动量方程、能量方程都能满足HVAC领域的流动问题，一般可采用不可压流体的粘性流体流动的控制微分方程，但又因湍流流动是HVAC领域中的主要流体流动，为完整描述HVAC领域的流动问题，还需要运用适当的湍流模型模拟湍流流动及求解数值。当前，房间空气流动广泛采用两方程模型中的k-ε模型，也可以采用新的零方程模型来解决HVAC领域的一般工程。粘性流体流动通用的控制微分方程为： ，其中变量 可代表不同的物理量，进而表示不同含义的方程，如 表示速度时，就代表流体流动的动量守恒方程； 表示焓时，代表能量守恒方程； 表示湍流参数时，则代表湍流动能及湍流动能耗散率方程。通过上述方程，研究专员就可以计算出工程流场所需的温度、浓度、速度等物理量的分布。

2.1.2 数值求解

在对HVAC领域的流动问题进行数值求解时，可以通过上述各微分方程进行数值求解。但由于那些微分方程相互耦合且非线性特征非常明显，因而只能通过离散实际问题的求解区域采用数值方法来求解。一般，有限容积、有限差分、有限元这三种是数值方法中主要运用的离散形式，普遍应用在HVAC工程领域的CFD技术中。又因低速、不可压流动是HVAC领域的特征，且其存在传热问题，因而在离散情形中更多是采用有限容积的数值方法求解。

2.1.3 可视化处理

通过数值求解步骤能够得出离散后的各网格节点上的数值，不过这种方式的求解结果直观性不强，不便于一般工程人员及其他相关人员理解，因而需要对求解结果的温度场、浓度场、速度场进行可视化处理。运用计算机图形学技术直观形象的表示出HVAC工程领域中的温度场、浓度场、速度场，使之成为暖通空调CFD技术应用中的必要组成部分。

通过制冷空调的CFD预测仿真空调房间内的空气分布详细情况，从中得到的分析结果是要想达到良好的制冷空调效果，需要重点解决通风空调系统中通风空调空间的气流组织设计，合理的气流组织设计不仅能够实现制冷空调的满意效果，而且还能达到能源节省的目的。在制冷空调的设计中，通风空调空间是设计问题的关键部分，根据不同的空间特征可将制冷空调的通风空间划分为两类，一类是如住宅、办公室、高大空间等的普通建筑空间；一类是如洁净室、客车、列车等特殊空间。如此，可根据不同的空间需求在制冷空调设计中应用计算流体力学中的CFD技术，并借鉴暖通空调CFD技术的设计经验来帮助解决制冷空调设计中实际问题的解决。

2.2 食品的冷冻、冷藏与运输

现如今，随着我国经济的快速发展，食品物流行业获得了巨大的发展空间。但是，制约于保鲜、冷冻、冷藏技术的落后，造成我国每年因食品运输而浪费了大量的物资与财力。据统计，我国每年在转运与存放过程中因缺乏冷冻、冷藏技术的支持，进而造成每年腐烂损坏的果品高达25%、蔬菜高达30%、家禽肉类高达20%、奶制品高达23%，而这些腐烂损坏的食品每年高达上亿吨的总量，造成的经济损失巨大。如此可见，亟待解决我国食品运输中的冷冻、冷藏技术十分必要，而在冷冻、冷藏过程中食品的品质变化（如维生素的保持与损失、食品蛋白质的变性、食品质地与鲜度、脂肪氧化等）也引起了人们的广泛重视，食品安全也是研究冷冻、冷藏技术需要考虑的关键因素。为了解决食品运输过程中的腐烂损坏问题，研究者提出了将CFD技术应用于冷冻、冷藏技术的开发中，充分利用CFD技术的独特优势来有效解决食品冷冻、冷藏方面存在的问题，从而确保食品的安全性。

2.2.1 生活与商用的冷藏装置

冰箱、冷藏陈列柜、冷库等是较为常见的冷藏装置，主要适用于生活与商用。其中，冰箱的制冷原理是通过电能消耗来保持适当容积绝热箱体内的低温，以达到制冷目的来实现食品的保鲜、冷藏贮存。在冰箱冷藏装置的技术设计中，最主要的困扰问题是流场优化，绝热箱体内的空气流场与温度决定了食品的保鲜质量，箱内温度场受制于冰箱耗电量的影响。流场的具体信息获取也是一个棘手问题，不可以通过代数方程计算来获得，若采用实验的话传感器的装置会破坏箱内的流场，并加大了工作量，而应用CFD方法与技术能够有效解决这些困扰问题。

人们生活水平的提高促进了商业的发展，而人们生活节奏的加快也在一定程度上刺激了商品市场的崛起，其能够为人们提供各种生鲜食品、熟食与半熟食品，通过冷藏陈列柜来实现对蔬菜、肉类、水果、奶制品、日配品等的保鲜与冷藏。因而，人们对冷藏陈列柜的保鲜存储设备提出了高要求，研究工作者基于CFD技术对冷藏陈列柜进行了改良，温度与湿度控制、气流组织、节能等技术问题可广泛使用CFD技术来解决。

食品的冷冻加工与冷藏需要冷库来解决，而冷库的建筑结构复杂且具有严格标准，要求冷库具备坚固性、隔热性、抗冻性、密封性。其中，库内货物的贮藏质量、贮藏期直接受制于冷库内的温度场、湿度场、速度场三个方面的分布合理性，为了提高冷库内食品的卫生与安全，将CFD技术应用于冷库领域十分必要。

2.2.2 运输用冷藏装置

在运输食品的过程中，交通工具上的冷藏装置必不可少，这是确保食品在运输期间保鲜、保质的关键所在。为此，结合交通工具的特点，人们研制出了运输用冷藏装置，其相当于一个移动的冷库，冷藏集装箱、冷藏汽车、冷藏船、铁路冷藏车是当前主要的运输用冷藏装置，以确保运输过程中食品能够贮存在低温环境中，避免因运输而造成的食品腐败损坏。在运输用冷藏装置中应用CFD技术能够有效提高其对食品的保鲜冷藏质量，冷藏集装箱是冷藏食品运输中的主要工具，利用CFD方法能够实现对箱内稳态流场、温度场等进行实验及数值计算。而在铁路冷藏车中应用CFD，可以利于完成对充放冷过程（冷板冷藏车）、冷冻货物温度分布（运输过程）、温度场（堆码方式）的数值模拟，以及数值计算与分析。总之，在CFD方法与技术的支持下，运输用冷藏装置的功能会越来越完善，进而食品的运输过程中的保鲜冷藏等卫生安全性。

3 结语

通过上述分析可知，将计算流体力学应用在制冷空调还是一个全新的理论设计领域，得益于现代计算机技术与数值模拟技术的高速发展，以及HVAC（暖通空调）领域中CFD技术的广泛应用成效，使得制冷空调CFD技术及其应用具有很大的发展前景。相信在相关研究专员的努力下，CFD技术将在制冷空调工程领域中获得更普遍、广泛的实际应用。

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基金项目：本文是四川理工学院科研基金项目2012KY15的部分研究成果。

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