1、毕业设计文献综述 建筑环境与设备工程 冷 藏集装箱内气体流场 分 析及优化设计 前言： 通用 CFD 软件包 ，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重 网格 加速收敛技术，因而 FLUENT 能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的 自适应网格 技术及成熟的物理模型，使 FLUENT 在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动 /变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。 CFD 通用软件包的出现与商业化，对 CFD 技术在工程中应用的推广起了巨大的促进作用。 冷藏库流场的设计一直是个难题。为了获取冷藏库内
2、流场的信息 ,传统的方法是进行实验测量或做流场可视化研究。这些做法在实际运用中都具有很大的局限性 ,使用成本也很高 ,而且不可能获得整个流场内 详尽的信息。计算流体力学 (Computational Fluid Dynamics, 以下简称为 CFD)是基于计算机技术的一种数值计算工具 ,用于求解流体的流动和传热问题。CFD 技术的运用可以很好地解决上述难题 ,它可以通过建立模型 , 并借助可靠的数值计算 ,模拟出整个流场的流动情况 , 因而可以更好地分析冷藏库内流体的流动情况。冷藏库内合理的气体流场可以保证库内冷量的均匀分配 ,提高传热效率 ,降低货物的干耗 ,提高货物的贮藏质量 ,并可达到
3、节能的目的 。调查发现 , 目前大多数冷藏库内的气流布置存在不合理的问题。因而 ,研 究和改善冷藏库内的气流组织具有实质性的意义。 CFD(Computationa1FluidDynamics)即计算流体动力学，是目前国际上一个强有力的研究领域，是进行 “ 三传 ”( 传热、传质、动量传递 )及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水力、环境化工等诸多领域，暖通空调行业是 CFD 技术应用的重要领域之一。 在传统的暖通空调工程设计及产品开发工作中，设计可行与否往往取决于大量的试验，产品开发周期长，费用高，此外，设计人员的经验起着举足轻重的 作用。
4、CFD 的应用则改变了传统的设计过程，由于 CFD 软件可以相对准确的给出流体流动的细节，如速度场、压力场、温度场、浓度场分布的时变特性，因而不仅可以准确预测流体产品的整体性能，而且很容易从对流场的分析中发现产品或工程设计中的问题，据此提出的改进方案只需重新计算一次就可以判断、评估改进是否有效，并更容易得到某些规律性的知识。这样产品或工程设计与优化对试验和经验的依赖性大为减少，能够显著缩短设计周期，降低费用。 空调设计的最终目的是以经济技术合理的系统设计以及设备选型实现所要求的室内气候环境 (温湿度 、气流、污染物浓度等的分布 )。为实现对这些环境参数的合理控制，有必要把握其分布特性， CFD
5、 是除模型实验外的可详细解析三维室内气 流分布特性的唯一手段。 由于 CFD 技术的上述特点，在暖通空调领域中的应用发展很快，其中室内热环境的计算机数值模拟技术在一些先进国家已经进入了实用阶段，尤其是在日本， CFD 技术已经成为不可缺少的设计手段。 1998 年，全球市场占有率最高的 CFD 软件 FLUENT 正式进入中国市场，为目前 CFD主流商业软件，其市场占有率达 40%左右。 在 CFD 软件中 , Fluent 软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。 Fluent的软件设计基于 “CFD 计算机软件群的概念 “ ,针对每一种流动的物理问题的特点 ,采用适合于它的数值解法
6、在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。由于囊括了 Fluent Dynamical International 比利时 PolyFlow和 Fluent Dynamical International(FID)的全部技术力量 (前者是公认的 在黏弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的公司 ,后者是基于有限元方法 CFD 软件方面领先的公司 ) FLUENT 软件的结构由前处理、求解器及后处理三大模块组成。 FLUENT 软件中采用GAMBIT 作为专用的前处理软件，使网格可以有多种形状。对二维流动可以生成三角形和矩形网格：对于三维流动，可以生成四面等网格；结合具体计算，还可以生成混合网格，其
7、体、六面体、三角柱和金字塔等网格；结合具体计算，还可以生成混合网格，其自适应功能，能对网格进行细分或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网格。 FLUENT 软件的求解模块是其核心部分，该模块的数学模型是以纳维斯托克斯方程组与各种湍流模型为主体，在加上多相流模型、燃烧与化学反应流模型、自由面模型以及非牛顿流体模型等。大多数附加的模型是在主体方程组上补充一些附加源项、附加输运方程与关系式。采用的是有限体积法离散方程，其计算精度和稳定性都优于传统编程中使用的有限差分法。采用压力校正法作为低速不可压流动计算方法，而可压缩流动采用耦合法。此外，FLUENT 软件采用的二阶上风格式是 Barth 与
8、Jerpersen 针对非结构网格提出的多维梯度重构法，较成功的用于非结 构网格的二阶上风格式，能较好的处理畸变网格的计算，使其在技术上处于领先。 Fluent 的优点： (1 )功能强 ,适用面广。包括各种优化物理模型 ,如 :计算流体流动和热传导模型 (包括自然对流、定常和非定常流动 ,层流 ,湍流 ,紊流 ,不可压缩和可压缩流动 ,周期流 ,旋转流及时间相关流等 ) ;辐射模型 ,相变模型 ,离散相变模型 ,多相流模型及化学组分输运和反应流模型等。对每一种物理问题的流动特点 ,有适合它的数值解法 ,用户可对显式或隐式差分格式进行选择 ,以期在计算速度、稳定性和精度等 方面达到最佳。 (2
9、 )高效 ,省时。 Fluent 将不同领域的计算软件组合起来 ,成为 CFD 计算机软件群 ,软件之间可以方便地进行数值交换 ,并采用统一的前、后处理工具 ,这就省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动 ,而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。 (3 )建立了污染物生成模型。包括 NOX 和 ROX(烟尘 )生成模型。其中 NOX 模型能够模拟热力型、快速型、燃料型及由于燃烧系统里回燃导致的 NOX 的消耗。而 ROX 的生成是通过使用两个经验模型进行 近似模拟 ,且只使用于紊流 FLUENT 同传统的 CFD 计算方法相比，具有以下的优点 1、稳定性
10、好， FLUENT 经过大量算例考核，同实验符合较好 2、适用范围广， FLUENT 含有多种传热燃烧模型及多相流模型，可应用于从可压到不可压、从低速到高超音速、从单相流到多相流、化学反应、燃烧、气固混合等几乎所有与流体相关的领域 3、精度提高，可达二阶精度。 FLUENT 是目前国际上比较流行的商用 CFD 软件包，在 美国 的市场占有率为 60%。举凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。其在石油天然气工业上的应用包括：燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、
11、油气消散 /聚积、多相流、管道流动等等。 Fluent 的软件设计基于 CFD 软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象， FLUENT 软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使 计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想， Fluent 开发了适用于各个领域的流动模拟软件，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象，软件之间采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。其各软件模块包括： GAMBIT 专用的 CFD 前置
12、处理器， FLUENT 系列产品皆采用 FLUENT 公司自行研发的Gambit 前处理软件来建立几何形状及生成网格，是一具有超强组合建 构模型能力之前处理器，然后由 Fluent 进行求解。也可以用 ICEM CFD 进行前处理，由 TecPlot 进行后处理。 Fluent 5.4 基于非结构化网格的通用 CFD 求解器，针对非结构性网格模型设计，是用有限元法求解不可压缩流及中度可压缩流流场问题的 CFD 软件。可应用的范围有紊流、热传、化学反应、混合、旋转流（ rotating flow）及震波（ shocks）等。在涡轮机及推进系统分析都有相当优秀的结果，并且对模型的快速建立及 sho
13、cks 处的格点调适都有相当好的效果。 Fidap 基于有限元方法的通用 CFD 求解器，为一专门解决科学及工程上有关流体力学传质及传热等问题的分析软件，是全球第一套使用有限元法于 CFD 领域的软件，其应用的范围有一般流体的流场、自由表面的问题、紊流、非 牛顿 流流场、热传、化学反应等等。 FIDAP本身含有完整的前后处理系统及流场数值分析系统。 对问题整个研究的程序，数据输入与输出的协调及应用均极有效率。 Polyflow 针对粘弹 性流动的专用 CFD 求解器，用有限元法仿真聚合物加工的 CFD软件，主要应用于塑料射出成形机，挤型机和吹瓶机的模具设计。 Mixsim 针对搅拌混合问题的专
14、用 CFD 软件，是一个专业化的前处理器，可建立搅拌槽及混合槽的几何模型，不需要一般计算流力软件的冗长学习过程。它的图形人机接口和组件数据库，让工程师直接设定或挑选搅拌槽大小、底部形状、折流板之配置，叶轮的型式等等。 MixSim 随即自动产生 3 维网络，并启动 FLUENT 做后续的模拟分析。 Icepak 专用的热控分析 CFD 软件，专门仿真电 子电机系统内部气流，温度分布的CFD 分析软件，特别是针对系统的散热问题作仿真分析，藉由模块化的设计快速建立模型。 CFD 技术的应用展望 1.加强 CFD 技术在建筑设计界的推广和普及 从上世纪 70 年代末起 ,我国开始着手 CFD 技术的
15、研究 ,20 多年来 ,已在应用方面取得了许多成就。但是 ,与国外的暖通空调界相比 ,尚存在着较大的差距。特别是在建筑设计企业 ,CFD 技术的应用还处于起步阶段 ,真正把 CFD 技术与实际工程的空调、通风设计结合的案例还很少 ,真正掌握 CFD 技术的暖通设计 人员数量有限 ,影响了 C F D 技术优化空调、通风设计作用的发挥 ,不利于解决现代建筑空调、通风设计中存在的问题。因此 ,应积极培训建筑设计企业的设计人员 ,使更多的人掌握 CFD 技术 ,以使其在建筑设计企业中得到推广和普及。 2 .加强对 CFD 软件计算结果的验证 随着计算机技术的发展 , 国内已有多种版本的 CFD 商用
16、软件 , 大量文献刊登了研究人员采用 CFD 软件模拟空调、通风工程室内热环境的计算结果。但是 , 对这些工程运行中的实测数据尚缺乏相关报道。没有实测数据与计算结果对比 , 就很难说明 CFD 软件运算的准确性 , 更难以发现软件本身或研究人员在使用中的问题。因此 , 应加强对 CFD 模拟工程进行数据实测 , 并按照工程类型 , 建立模拟工程实测数据库 , 为其他研究人员的计算结果提供校验数据。 3. 加强 CFD 软件自身的完善 目前 , 暖通空调领域面临许多新的研究课题 , 如热负荷计算动态模拟、背景送风和个人送风结合提高室内空气品质、空调系统由稳态调节向动态过程转化等。如不加强 CFD
17、 软件自身的研究 , 使其逐步完善 , 就无法满足暖通空调领域新课题的需要 , 因此 , 应从 CFD 算法和其通用性方面进 行研究 , 一方面加强 C F D 算法方面的理论研究 , 提高其计算精度 ; 一方面统一与 CFD 相关联的数据库 , 加强与 C A D 数据的连接 , 提高其通用性。只有这样 ,才能使 CFD 软件自身不断完善 ,在暖通空调领域发挥更大的作用。 我国在暖通空调领域 C F D 技术的应用已经取得了一定的成果 , 但是要达到国际应用水平 , 真正让 C F D 技术在建筑设计领域得到广泛应用 , 还有很长一段路要走。 参考文献 1 裴锋 ,何启林 ,贾群 .暖通空调
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