計(jì)算流體力學(xué)在制冷與空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用

計(jì)算流體力學(xué)在制冷與空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用

1通過(guò)學(xué)習(xí)，我們對(duì)計(jì)算社會(huì)學(xué)有了初步的了解1.1建立數(shù)學(xué)模型如果cc要單獨(dú)解決一個(gè)問(wèn)題，首先，使用計(jì)算機(jī)構(gòu)建相應(yīng)的物理模型，并使用數(shù)學(xué)方法表達(dá)具體值。然后使用ifs軟件計(jì)算具體值。最后，使用腳本軟件直觀地處理結(jié)果。歸納起來(lái),無(wú)外乎以下幾點(diǎn):建立數(shù)學(xué)模型、數(shù)值求解與結(jié)果可視化。具體內(nèi)容見表1。1.2cpd技術(shù)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面1.2.11.2.2實(shí)驗(yàn)條件靈活它可以比較容易地改變實(shí)驗(yàn)中的各項(xiàng)基本條件和參數(shù),這樣有利于工作人員靈活地運(yùn)用這些條件,以獲得到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中很難得到的信息資料,使得實(shí)驗(yàn)更加順利地完成;1.2.31.2.4cfd技術(shù)在物質(zhì)環(huán)境管理中的應(yīng)用可以運(yùn)用于一些我們?nèi)粘＜夹g(shù)手段無(wú)法到達(dá)的場(chǎng)所,如高溫、危險(xiǎn)的環(huán)境,利用CFD技術(shù)可以在這些場(chǎng)所進(jìn)行具體的測(cè)量和檢測(cè),將新的技術(shù)運(yùn)用于各個(gè)方面,發(fā)揮科技的實(shí)際功效;1.2.5節(jié)約了成本根據(jù)CFD技術(shù)模擬數(shù)據(jù),我們可以輕松的實(shí)現(xiàn)控制和優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的,減少了工作中的誤差,提高了工作的效率,節(jié)約了成本;1.2.6研究方法的設(shè)計(jì)節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本,它相對(duì)應(yīng)其他實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō),經(jīng)費(fèi)開支更少,而且精度很高,實(shí)驗(yàn)需要建立的模型也非常少。以最短的時(shí)間內(nèi)得到模擬的效果,為縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期奠定了基礎(chǔ)。1.3提高網(wǎng)格精度的原則我們?cè)诶肅FD軟件處理問(wèn)題時(shí),應(yīng)在能保證模擬準(zhǔn)確度的前提下,盡可能地選用簡(jiǎn)單的方法,研究者需慎重考慮網(wǎng)格形式、坐標(biāo)形式、網(wǎng)格密度及湍流模型等問(wèn)題,因?yàn)榫W(wǎng)格的形狀、結(jié)構(gòu)和所采用的基本算法等都會(huì)對(duì)精度有影響?？紤]這些問(wèn)題不僅可以簡(jiǎn)化問(wèn)題,而且可以節(jié)約計(jì)算機(jī)資源,減少計(jì)算時(shí)間。有利于提高工作的效率。2cpd用于特殊表面優(yōu)化設(shè)計(jì)2.1空調(diào)設(shè)計(jì)中的小程序現(xiàn)代空調(diào)越來(lái)越多地考慮到人體舒適性的要求,為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),就有必要把握其流場(chǎng)的分布特征,因?yàn)闅饬鬟^(guò)猛往往給人體帶來(lái)身體上的不舒適感,為了達(dá)到舒適性就必須要求流場(chǎng)的分布具有均勻性,尤其是人體附近區(qū)域溫度場(chǎng),避免人體各部分溫差過(guò)大給人們帶來(lái)不舒服感。這就要求在人體所在的區(qū)域里,應(yīng)把風(fēng)速均勻控制在一定數(shù)值內(nèi),我們可以在空調(diào)房間內(nèi)合理地布置送風(fēng)口和回風(fēng)口,促使室內(nèi)空氣流動(dòng),空調(diào)設(shè)計(jì)的最終目的就是以合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型實(shí)現(xiàn)所要求的室內(nèi)氣體環(huán)境,它要求室內(nèi)的溫度、濕度及氣流等指標(biāo)都符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),就得對(duì)氣流組織進(jìn)行設(shè)計(jì),將經(jīng)過(guò)凈化和熱、濕處理的空氣,合理地送入室內(nèi),從而使工作地區(qū)具有舒適和滿意的空氣分布,穩(wěn)定的溫度、濕度、氣流速度和潔凈度,都可以滿足人體對(duì)舒適的要求,最終實(shí)現(xiàn)我們空調(diào)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。與傳統(tǒng)的室內(nèi)氣流組織設(shè)計(jì)不同,新的室內(nèi)氣流組織設(shè)計(jì)可以相對(duì)準(zhǔn)確地給出流體流動(dòng)的細(xì)節(jié),很容易在對(duì)流場(chǎng)的分析中掌握室內(nèi)氣流的構(gòu)造、分布特征,為合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型提供有益的參考資料。而相比較而言,傳統(tǒng)的室內(nèi)氣流組織設(shè)計(jì)中,往往采用經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)及簡(jiǎn)單的理論分析來(lái)完成設(shè)計(jì)工作,這樣做容易造成很大的誤差,另一方面,工作人員往往憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)送風(fēng)口、回風(fēng)口和室內(nèi)熱源等因素進(jìn)行單純的合成,這樣盲目的試驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致成本的增加。CFD技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用很好地解決了這一問(wèn)題,為這些客觀存在的問(wèn)題提出了切實(shí)可行的解決方法。前人在這方面所做的工作包括:分析研究證明CFD模擬預(yù)測(cè)方法是有效的,驗(yàn)證和指導(dǎo)設(shè)計(jì)是切實(shí)可行的。(1)金泰木等指出:通過(guò)用有限元分析軟件ANSYS的流體計(jì)算模塊作為模擬分析平臺(tái),我們發(fā)現(xiàn)了采用包間行李臺(tái)側(cè)隱式風(fēng)口,可以使包間內(nèi)溫度場(chǎng)較均勻,而同時(shí)采用條縫貼附頂板側(cè)送風(fēng)的方案時(shí),鋪位兩端風(fēng)速對(duì)頭部的影響較小。這種通過(guò)對(duì)列車車廂硬臥包間送風(fēng)情況進(jìn)行計(jì)算模擬和分析,可以有效降低企業(yè)的成本。(2)董玉平等指出:通過(guò)對(duì)天津國(guó)際展覽中心擴(kuò)建工程B展廳高大空間建筑空調(diào)方案運(yùn)用Fluen進(jìn)行模擬研究,得出了展廳基本能滿足人體舒適性要求,氣流組織設(shè)計(jì)合理的結(jié)論。研究表明,空調(diào)系統(tǒng)的熱舒適性與氣流組織,都達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn),展廳的氣流組織合乎氣流要求標(biāo)準(zhǔn)。(3)春蘭集團(tuán)的陶建興等人提到:通過(guò)STAR-CD將某型號(hào)四面出風(fēng)式壁掛空調(diào)器與傳統(tǒng)空調(diào)做對(duì)比,并對(duì)房間進(jìn)行了溫度場(chǎng)的分析,在研究中發(fā)現(xiàn),采用四面出風(fēng)式壁掛空調(diào)器,可以保證房間溫度控制的精確性,在人體所處區(qū)域,保證風(fēng)速小于人敏感的0.5m/s,以使人體舒適,此外,在這里的溫度場(chǎng)均勻,且左右對(duì)稱,完全符合各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。從上述實(shí)例看出,CFD已在空調(diào)領(lǐng)域流場(chǎng)分析中得到廣泛的應(yīng)用。2.2冷凍箱充放電性能與結(jié)構(gòu)冰箱內(nèi)空氣流場(chǎng)和溫度分布,直接關(guān)系到食品的保鮮質(zhì)量,所以,流場(chǎng)的優(yōu)化問(wèn)題是冰箱設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題,同時(shí),我們還要面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題,就是耗電量的問(wèn)題,它與箱內(nèi)溫度場(chǎng)密切相關(guān)。CFD方法之所以得到廣泛的使用。就是因?yàn)樗苤苯拥玫搅鲌?chǎng)的具體信息,不用通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得而導(dǎo)致工作量過(guò)大,同時(shí),又避免了傳感器在布置上導(dǎo)致流場(chǎng)的破壞的麻煩。這也是它優(yōu)于其他技術(shù)的所在。前人在這方面所做的工作包括:(1)陶文銓教授等人指出:對(duì)冰箱從啟動(dòng)到周期性非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行這一非穩(wěn)態(tài)自然對(duì)流過(guò)程,進(jìn)行了二維數(shù)值模擬,以冰箱外表面溫度及兩個(gè)蒸發(fā)器溫度為邊界條件,給出了直冷式冰箱在周期性非穩(wěn)態(tài)工況下速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。并給出了蒸發(fā)器表面局部努謝特?cái)?shù)與平均努謝特?cái)?shù)隨時(shí)間作周期性變化的規(guī)律。(2)丁國(guó)良等使用有限元程序,對(duì)冰箱內(nèi)部的二維穩(wěn)態(tài)空氣流場(chǎng)進(jìn)行了模擬,研究了冰箱熱負(fù)荷、內(nèi)部隔板與蒸發(fā)器及門之間的間距、內(nèi)部隔板的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)箱內(nèi)溫度分布與流場(chǎng)的影響。(3)楊沫曾在一篇論文中,對(duì)冰箱內(nèi)的流動(dòng)和換熱建立了物理和數(shù)學(xué)模型,并對(duì)冰箱功能室內(nèi)流動(dòng)與換熱的物理模型進(jìn)行一些假設(shè),采用控制容積積分法對(duì)微分方程組進(jìn)行離散,應(yīng)用SIMPLE算法處理壓力和速度的耦合,對(duì)流-擴(kuò)散項(xiàng)的離散采用乘方格式,計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值吻合較好。(4)俞炳豐教授等人以東方機(jī)電集團(tuán)生產(chǎn)的BD-180冷凍箱為研究對(duì)象,建立了冷凍箱保溫層及箱內(nèi)空氣流動(dòng)與換熱的數(shù)學(xué)模型,在對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了冷凍箱內(nèi)部三維空氣溫度、壓力和速度場(chǎng)的整體求解,在求解過(guò)程中引入了輻射對(duì)冷凍箱內(nèi)溫度分布的影響,并對(duì)蒸發(fā)器的布置方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。(5)AlessandroRebora和LucaATagliafico采用ANSYS軟件,用有限元方法分析冰箱內(nèi)置式換熱器的主要幾何和物理特征對(duì)性能和換熱量的影響,得到的結(jié)論是:冷凝器的傳熱特性與蒸發(fā)器的傳熱特性是獨(dú)立的,互不干擾;增加與蒸發(fā)器相連的鐵板的厚度會(huì)改善冰箱性能。綜上所述,運(yùn)用CFD方法對(duì)冰箱箱內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬,并根據(jù)計(jì)算模擬的結(jié)果對(duì)冰箱結(jié)構(gòu)做出優(yōu)化調(diào)整,可使冰箱各方面性能如節(jié)能性、食品保鮮度等得到進(jìn)一步提高。3壓力場(chǎng)的離散形式20世紀(jì)80年代中期以來(lái),許多計(jì)算流體力學(xué)的計(jì)算方法逐漸在壓縮機(jī)工作過(guò)程的模擬計(jì)算中得到應(yīng)用。例如采用壓力修正法求解不可壓N-S方程,其中應(yīng)用較多的是SIMPLE算法。(該算法是由Patanker和Spadding在1972年提出的),其基本思想是:對(duì)于給定的壓力場(chǎng),按次序求解U和V的代數(shù)方程(U、V為網(wǎng)格中不同方向的速度),由此所得的速度場(chǎng)未必滿足質(zhì)量守恒,因而須對(duì)壓力場(chǎng)進(jìn)行修正,為此,把由動(dòng)量方程的離散形式所規(guī)定的壓力與速度的關(guān)系代入連續(xù)方程的離散形式中,得出壓力修正方程,求出修正壓力值,進(jìn)而去改進(jìn)速度,以得出在這一迭代層次上滿足連續(xù)方程的解,然后用新的速度值去校正動(dòng)量離散方程的系數(shù),開始下一層次的計(jì)算,如此反復(fù),直到收斂。該算法經(jīng)過(guò)許多學(xué)者的發(fā)展,出現(xiàn)了不少改進(jìn)版,如SIMPLER、SIMPLEC、SIMPLEST等。前人在這方面所做的工作包括:(1)KWLee,SULee,CHKim,THSong采用SIMPLER算法求解不可壓、低雷諾數(shù)的kεLaunder-sharma紊流模型,對(duì)壓縮機(jī)迷宮密封中的流體流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。(2)FEscanes,CDPerez-Segarra等人采用SIMPLEC算法對(duì)活塞壓縮機(jī)內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。(3)CDPerez-Segarra等考慮了閥口的可壓縮性的影響,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合很好。(4)HiroshiNishikawa等把在高壓級(jí)氣缸與柱塞活塞所構(gòu)成的迷宮密封間的可壓縮氣體流動(dòng)模型設(shè)定為k-ε紊流模型,其偏微分方程采用有限體積法進(jìn)行離散,計(jì)算采用SIMPLE算法。4排氣孔流場(chǎng)分布渦旋壓縮機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中存在各種阻力損失,其中最大的阻力損失發(fā)生在排氣孔處,尤其它與排氣量的大小是成正比的,排氣流動(dòng)損失大約占輸入功率的3%。要想進(jìn)一步減小排氣流動(dòng)損失,分析其流場(chǎng)分布是非常必要的,通過(guò)它可以詳細(xì)了解通過(guò)排氣孔的流動(dòng)特性。鑒于此,在對(duì)渦旋壓縮機(jī)進(jìn)行齒端修正的前提條件下,分析結(jié)果為探索引起排氣損失的原因具有重要意義,我們可以通過(guò)它進(jìn)行排氣區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)的三維數(shù)值模擬計(jì)算,從而揭示排氣過(guò)程中心腔內(nèi)的和通過(guò)排氣孔的重要流動(dòng)特征,改進(jìn)排氣孔的設(shè)計(jì),為大排量渦旋壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。4.1試驗(yàn)對(duì)象在這篇參考文獻(xiàn)中,其研究的對(duì)象是渦旋空氣壓縮機(jī),排氣量為1.6m3/min,齒端為對(duì)稱圓弧修正,排氣孔形狀為腰形。4.2簡(jiǎn)化準(zhǔn)靜態(tài)三維定常紊流流動(dòng)當(dāng)渦旋壓縮機(jī)工作時(shí),工作腔內(nèi)的流動(dòng)應(yīng)為三維非定常紊流流動(dòng),但相對(duì)于排氣平均流速來(lái)說(shuō),動(dòng)盤的運(yùn)動(dòng)速度很小,因此可以忽略動(dòng)渦盤運(yùn)動(dòng)速度的影響,將渦旋壓縮機(jī)在排氣一周內(nèi)的三維非定常紊流流動(dòng)簡(jiǎn)化為不同轉(zhuǎn)角位置下的準(zhǔn)靜態(tài)三維定常紊流流動(dòng),不同轉(zhuǎn)角位置的質(zhì)量流率可以根據(jù)渦旋壓縮機(jī)的容積變化規(guī)律求得。圖1為某一動(dòng)盤轉(zhuǎn)角位置排氣過(guò)程流動(dòng)的物理模型。4.3計(jì)算邊界條件4.3.1進(jìn)口邊界4.3.2出口限制4.3.3壁面條件4.4壓力損失的分布對(duì)渦旋式空氣壓縮機(jī)排氣過(guò)程的流動(dòng)進(jìn)行了三維湍流數(shù)值模擬計(jì)算,給出了排氣一周內(nèi)不同動(dòng)盤排氣轉(zhuǎn)角時(shí)刻中心腔內(nèi)的流動(dòng)分布、軸向不同截面內(nèi)的速度矢量分布及三維速度矢量分布。數(shù)值計(jì)算表明,渦旋壓縮機(jī)中心腔內(nèi)存在大量環(huán)流,沿著軸向在靠近排氣孔范圍內(nèi)軸向速度要比同一截面內(nèi)徑向速度大很多,差不多是一個(gè)數(shù)量級(jí)。從無(wú)量綱壓力損失系數(shù)分布圖可以得知,排氣流動(dòng)損失主要集中在排氣孔開啟階段,,因?yàn)閴毫p失在動(dòng)盤排氣轉(zhuǎn)角θ0為0°~60°的范圍內(nèi)很大,而相反,在排氣孔全部打開時(shí),流動(dòng)損失很小。所以,在開設(shè)排氣孔時(shí),不能一味追求大的排氣孔面積,而應(yīng)優(yōu)先考慮孔的開啟特