计算流体力学(CFD)在制冷与空调专业中的应用
The application of CFD in refrigeration and air-conditioning
李钢
（长安大学信息工程学院，西安710064）
摘要：本文通过对相关文献的检索和整理，回顾了计算流体力学在制冷与空调领域中的应用，本文可分为四个部分：主要介绍了计算流体力学的优点、其在空调领域的应用、其在压缩机领域的应用和其在涡旋压缩机设计方面的应用。通过学习，本人掌握了一些基本的计算流体力学和计算传热学的分析方法，为今后在涡旋压缩机内部流场的数值模拟方面的科研工作奠定了坚实的基础。
Abstract: This article first reviewed the structure and main features of CFD, then introduced its applications in the three following aspects: 1, the application of CFD in simulating the distribution of the temperature field and velocity field in air-conditioning; 2, the application of CFD in the flowing feature of a hermetic refrigeration compressor; 3, especially the application of CFD in the designing of the discharge port of the scroll compressor.
关键字：计算流体力学，速度场，压缩机，数值模拟
Keyword: CFD, the field of velocity, compressor, numerical simulation
1 通过学习，对计算流体力学有了初步的了解
1.1 CFD的一般结构：
CFD主要包含3个主要环节:建立数学物理模型、数值算法求解与结果可视化。当着手研究某一问题时,我们首先要将实际问题用数学方法表示出来,并在计算机上建立物理模型,然后利用CFD软件进行数值求解,最后将结果用作图软件做可视化处理，具体内容见表1。
表1 CFD所包含的基本内容
前处理 1、几何模型 2、划分网格 1、确定CFD方法的控制方程 2、选择离散方法进行离散 3、选用数值计算方法 4、输入相关参数 速度场、温度场、压力场及其它参数的计算机可视化及动画处理 一般结构1.2 CFD技术的优点大致归纳如下:
(1)、可以更细致地分析、研究流体的流动、物质和能量的传递等过程；
(2)、可以容易地改变实验条件、参数,以获取大量在传统实验中很难得到的信息资料； (3)、整个研究、设计所花的时间大大减少；
(4)、可以方便地用于那些无法实现具体测量的场合,如高温、危险的环境； (5)、根据模拟数据,可以全方位的控制过程和优化设计；
(6)、经费开支更少,需要更少的实验模型,但是又可以在极短的时间内得到模拟结果, 而且精度
求解器 后处理 很高。为缩短产品的开发周期奠定了基础。
1.3 CFD最主要的问题就是精度问题。
网格的形状、结构和所采用的基本算法、离散格式和湍流模型等都会对精度有影响。因而我们在利用CFD软件处理问题时, 采用什么样的网格形式、坐标形式、网格密度及湍流模型都是需要研究者慎重考虑的。应在能保证模拟准确度、精确度的前提下,尽可能地选用简单的方法、模型。这样不仅可以简化问题,而且可以节约计算机资源,减少计算时间。
2 CFD在制冷与空调专业流场优化设计中的应用
2.1 CFD在空调流场优化设计中的应用
空调设计的最终目的是以合理的系统设计及设备选型实现所要求的室内气体环境(温湿度、气流、污染物质浓度等指标)。为了实现对这些环境参数的合理控制,就有必要把握其流场的分布特征。现代空调越来越多地考虑到人体舒适性的要求,而从流场的角度考虑人体舒适性就是要求流场的均匀,比如要求在人体所在的区域里,风速均匀控制在一定数值内,避免气流过猛给人体带来的不舒适感;要求整个流场区域温度场分布均匀,尤其是人体附近区域温度场,避免人体各部分温差过大产生不适。这就需要对气流组织进行设计。所谓气流组织设计,就是在空调房间内合理地布置送风口和回风口,组织通风空调室内的空气流动,使得经过净化和热、湿处理的空气,合理地送入室内,在扩散与混合的过程中,均匀地消除室内余热、余湿,从而使工作地区具有舒适和满意的空气分布,如均匀而稳定的温度、湿度、气流速度和洁净度,以满足人体舒适的要求。
在传统的室内气流组织设计中,往往采用经验和实验及简单的理论分析来完成设计工作,凭经验对送风口、回风口和室内热源等因素进行单纯的合成(即线性近似) ,这存在较大的误差,而试验又会带来极高的成本。CFD的应用则可以很好地解决这些问题,由于CFD软件可以相对准确地给出流体流动的细节,如速度场、压力场、温度场或浓度场分布的时变特性,因而很容易在对流场的分析中掌握室内气流的构造、分布特征,为合理的系统设计及设备选型提供有益的参考资料。
前人在这方面所做的工作包括：
(1)、春兰集团的陶建兴等人提到[1]：用STAR-CD对使用某型号四面出风式壁挂空调器的房间进行了温度场的分析,并与传统出风壁挂空调器流场作对比。在模拟研究中发现：采用四面出风式壁挂空调器的房间温度场均匀,且左右对称,在人体所处区域,风速小于人敏感的0.5 m/s ,可以保证房间温度控制的精确性。研究还表明,通过STAR-CD模拟房间温度场,结果直观,对于指导产品设计有重要作用。
(2)、金泰木等指出[2]：用有限元分析软件ANSYS的流体计算模块作为模拟分析平台,对列车车厢硬卧包间送风情况进行计算模拟和分析。在模拟中选择了k-ε模型,通过计算模拟发现，采用包间行李台侧隐式风口，条缝贴附顶板侧送风的方案时,包间内温度场较均匀,且铺位两端风速对头部的影响较小。
(3)、董玉平等指出[3]：利用Fluent对天津国际展览中心扩建工程B展厅高大空间建筑空调方案进行了模拟研究,预测其空调系统的热舒适性与气流组织,模拟预测了展厅的气流组织,得出展厅基本能满足人体舒适性要求,气流组织设计合理。
分析研究证明CFD模拟预测方法是有效的,验证和指导设计是切实可行的。从上述实例看出,CFD已在空调领域流场分析中得到广泛的应用。
2.2 CFD在冰箱流场优化设计中的应用
流场的优化是冰箱设计中的重要问题,因为食品的保鲜质量直接取决于箱内空气流场和温度分布,而冰箱耗电量则与箱内温度场密切相关。流场的具体信息不能由代数方程计算得到,而通过实验测得工作量又太大,并且实验中需布置的传感器又会在一定程度上破坏流场，这使得CFD方法得到广泛使用。
前人在这方面所做的工作包括：
(1)、陶文铨教授等人指出：[4]对冰箱从启动到周期性非稳态运行这一非稳态自然对流过程，进行了二维数值模拟,以冰箱外表面温度及两个蒸发器温度为边界条件,给出了直冷式冰箱在周期性非稳态工况下速度场和温度场的数值计算结果。并给出了蒸发器表面局部努谢特数与平均努谢特数随时间作周期性变化的规律。
(2)、丁国良等使用有限元程序,对冰箱内部的二维稳态空气流场进行了模拟,研究了冰箱热负荷、内部隔板与蒸发器及门之间的间距、内部隔板的导热系数对箱内温度分布与流场的影响。[5]
(3)、杨沫曾在一篇论文中[6]，对冰箱内的流动和换热建立了物理和数学模型,并对冰箱功能室内流动与换热的物理模型进行一些假设,采用控制容积积分法对微分方程组进行离散,应用SIMPLE算法处理压力和速度的耦合,对流-扩散项的离散采用乘方格式,计算结果和实验值吻合较好。
(4)、俞炳丰教授等人以东方机电集团生产的BD-180冷冻箱为研究对象, 建立了冷冻箱保温层及箱内空气流动与换热的数学模型, 在对制冷系统进行模拟的基础上, 实现了冷冻箱内部三维空气温度、压力和速度场的整体求解, 在求解过程中引入了辐射对冷冻箱内温度分布的影响, 并对蒸发器的布置方式进行了优化设计。[7]
(5)、Alessandro Rebora 和 Luca A Tagliafico采用ANSYS软件,用有限元方法分析冰箱内置式换热器的主要几何和物理特征对性能和换热量的影响,得到的结论是:冷凝器的传热特性与蒸发器的传热特性是独立的,互不干扰;增加与蒸发器相连的铁板的厚度会改善冰箱性能。[8]
综上所述,运用CFD方法对冰箱箱内流场进行模拟,并根据计算模拟的结果对冰箱结构做出优化调整,可使冰箱各方面性能如节能性、食品保鲜度等得到进一步提高。
3 计算流体力学在活塞压缩机设计中的应用
20世纪80年代中期以来, 许多计算流体力学的计算方法逐渐在压缩机工作过程的模拟计算中得到应用。例如采用压力修正法求解不可压N-S方程,其中应用较多的是SIMPLE算法。(该算法是由Patanker和Spadding 在1972年提出的),其基本思想是:对于给定的压力场, 按次序求解U和V 的代数方程(U、V 为网格中不同方向的速度),由此所得的速度场未必满足质量守恒,因而须对压力场进行修正,为此,把由动量方程的离散形式所规定的压力与速度的关系代入连续方程的离散形式中,得出压力修正方程,求出修正压力值,进而去改进速度,以得出在这一迭代层次上满足连续方程的解,然后用新的速度值去校正动量离散方程的系数,开始下一层次的计算,如此反复,直到收敛。该算法经过许多学者的发展,出现了不少改进版,如SIMPLER、SIMPLEC、SIMPLEST等。
前人在这方面所做的工作包括：
(1)、K W Lee, S U Lee, C H Kim, T H Song采用SIMPLER算法求解不可压、低雷诺数的 k–εLaunder-sharma紊流模型, 对压缩机迷宫密封中的流体流场进行了计算。[9]
(2)、F Escanes, C D Perez-Segarra等人采用SIMPLEC算法对活塞压缩机内工质的流动进行了数值计算。[10]
(3)、C D Perez-Segarra等考虑了阀口的可压缩性的影响, 数值计算结果与实验吻合很好。[11] (4)、Hiroshi Nishikawa等把在高压级气缸与柱塞活塞所构成的迷宫密封间的可压缩气体流动模型设定为k-ε紊流模型, 其偏微分方程采用有限体积法进行离散, 计算采用SIMPLE算法。[12]
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计算流体力学在涡旋压缩机排气孔口设计中的应用
涡旋压缩机在正常运转过程中存在各种阻力损失,其中最大的阻力损失发生在排气孔处(排气流动损失大约占输入功率的3%) ,尤其对于排气量比较大的情况更明显。要想进一步减小排气流动损失,详细了解通过排气孔的流动特性,分析其流场分布是非常必要的。鉴于此,在对涡旋压缩机进行齿端修正的前提条件下，进行排气区域内的流动的三维数值模拟计算,从而揭示排气过程中心腔内的和通过排气孔的重要流动特征,分析结果为探索引起排气损失的原因、改进排气孔的设计以及大排量涡旋压缩机的设计提供了重要的理论依据.
4.1 试验对象
在这篇参考文献中,其研究的对象是涡旋空气压缩机,排气量为1.6 m3/min ,齿端为对称圆弧修正,排气孔形状为腰形。
4.2 物理模型及简化
当涡旋压缩机工作时,工作腔内的流动应为三维非定常紊流流动,但相对于排气平均流速来说,动盘的运动速度很小,因此可以忽略动涡盘运动速度的影响,将涡旋压缩机在排气
图1 物理模型 一周内的三维非定常紊流流动简化为不同转角位置下的准静
态三维定常紊流流动,不同转角位置的质量流率可以根据涡
旋压缩机的容积变化规律求得.图1为某一动盘转角位置排气过程流动的物理模型.
4.3 数值计算方法
在涡旋压缩机的排气阶段,中心腔及排气区域内的流动一般均为湍流状态,湍流流动采用标准k-ε模型描述。计算采用有限容积法离散微分方程组,压力和速度的耦合采用SIMPLE算法来实现。在近壁区,由于k -ε方程的应用受到限制,所以采用改进的壁面函数法来处理。对流项采用高阶的二阶迎风格式离散,扩散项采用中心差分格式离散。根据计算区域几何形状的特点,由于整个计算区域不同地方的几何尺寸相差甚远,所以采用块结构化网格生成方法,将计算区域分成几个子区域,各个子区域分别采用适体坐标方法生成结构化网格。由于所研究的不同动盘排气转角时刻的计算区域都各不相同,所以需要分别生成网格。
4.4 计算边界条件
(1)、进口边界：计算区域的两个进口质量流量相等,且每个进口的质量流量为该转角时刻瞬时质量流量的一半；
(2)、出口边界：为使计算易于收敛,出口取在距离排气孔10H处(H为排气孔的高度),给定出口压力为设计排气压力；
(3)、壁面条件：壁面采用无滑移条件，近壁区采用上述改进的壁面函数法处理。 4.5 计算结果及分析
对涡旋式空气压缩机排气过程的流动进行了三维湍流数值模拟计算, 给出了排气一周内不同动盘排气转角时刻中心腔内的流动分布、轴向不同截面内的速度矢量分布及三维速度矢量分布。
θ0＝90°时速度矢量分布
θ0＝180°时速度矢量分布
图2 不同动盘排气转角时刻中心腔内的流动分布
(1)轴向顶部截面
(2)轴向中间截面
图3 轴向不同截面上的速度矢量分布
(3)轴向排气口截面
数值计算结果指出,涡旋压缩机中心腔内存在大量环流,沿着轴向在靠近排气孔范围内轴向速度很
大,比同一截面内径向速度大一个数量级。从无量纲压力损失系数分布图可以得知,压力损失在动盘排气转角θ0为0°～60°的范围内很大,表明排气流动损失主要集中在排气孔开启阶段,在排气孔全部打开时,流动损失很小。因此,在开设排气孔时, 应着重考虑孔的开启特性,而不要一味追求大的排气孔面积。
参考文献:
图4 三维速度矢量分布
[1] 陶建兴, 杨亚东, 孙庆宽. CFD 仿真技术在空调房间温度场研究中的应用[J]. 暖通空调,2002,32(2): 95～98. [2] 金泰木, 张明, 李连奎. CFD 在客车空调系统设计中的应用[J]. 铁道车辆,2003,41(3): 20-22.
[3] 董玉平, 由世俊等. 高大空间建筑空调气流CFD 模拟研究[J]. 河北建筑科技学院学报, 2003,20 (3): 23-27. [4] 陶文铨,凌长明. 冰箱内非稳态自然对流的二维数值模拟[J]. 西安交通大学学报, 1995, 29(10): 35-41. [5] 丁国良, Oellrich L R. 冰箱箱内空气温度场和流场的优化研究[J]. 制冷学报,1998, (1): 22-27. [6] 杨沫,王育清,傅燕弘等. 家用冰箱冷冻、冷藏室温度的数值计算[J]. 制冷学报, 1991, (4): 1-7.
[7] 俞炳丰, 万军, 王志刚, 邢涛, 冯键, 瞿幼明, 周喜良, 朱雪忠. 冷冻箱内温度场速度场的模拟计算[J]. 制冷学报, 1997,(1): 51-57.
[8] Alessandro Rebora , Luca A Tagliafico. Thermal performance analysis for hot2wall condenser and evaporator configurations in refrigeration appliance. International Journal of Refrigeration,1998 ,21(6): 490-502.
计算流体力学(CFD)在制冷与空调专业中的应用
