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2022-12-23
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什么是CFD?简单地说,CFD就是利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术,这其中将涉及流体力学(尤其是湍流力学)、计算方法乃至计算机图形处理等技术。
因问题的不同,CFD技术也会有所差别,如可压缩气体的亚音速流动、不可压缩气体的低速流动等。对于暖通空调领域内的流动问题,多为低速流动,流速在10m/s以下;流体温度或密度变化不大,故可将其看作不可压缩流动,不必考虑可压缩流体高速流动下的激波等复杂现象。从此角度而言,此应用范围内的CFD和数值传热学NHT(Numerical Heat Transfer)等同。另外,暖通空调领域内的流体流动多为湍流流动,这又给解决实际问题带来很大的困难。由于湍流现象至今没有完全得到解决,目前HVAC内的一些湍流现象主要依靠湍流半经验理论来解决。
总体而言,CFD通常包含如下几个主要环节:建立数学物理模型、数值算法求解、结果可视化。 建立数学物理模型是对所研究的流动问题进行数学描述,对于暖通空调工程领域的流动问题而言,通常是不可压流体的粘性流体流动的控制微分方程。另外,由于暖通空调领域的流体流动基本为湍流流动,所以要结合湍流模型才能构成对所关心问题的完整描述,便于数值求解。
如下式为粘性流体流动的通用控制微分方程,随着其中的变量f的不同,如f代表速度、焓以及湍流参数等物理量时,上式代表流体流动的动量守恒方程、能量守恒方程以及湍流动能和湍流动能耗散率方程。基于该方程,即可求解工程中关心的流场速度、温度、浓度等物理量分布。 上述代数方程求解后的结果是离散后的各网格节点上的数值,这样的结果不直观,难以为一般工程人员或其他相关人员理解。因此将求解结果的速度场、温度场或浓度场等表示出来就成了CFD技术应用的必要组成部分。通过计算机图形学等技术,就可以将我们所求解的速度场和温度场等形象、直观地表示出来。如下图2所示即为某会议室侧送风时的速度场和温度场。其中颜色的暖冷表示温度高低,矢量箭头的大小表示速度大小。
可见,通过可视化的后处理,可以将单调繁杂的数值求解结果形象直观地表示出来,甚至便于非专业人士理解。如今,CFD的后处理不仅能显示静态的速度、温度场图片,而且能显示流场的流线或迹线动画,非常形象生动。
CFD是一种模拟仿真技术,在暖通空调工程中的应用主要在于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。以预测室内空气分布为例,目前在暖通空调工程中采用的方法主要有四种:射流公式,Zonal model,CFD以及模型实验。
由于建筑空间越来越向复杂化、多样化和大型化发展,实际空调通风房间的气流组织形式变化多样,而传统的射流理论分析方法采用的是基于某些标准或理想条件理论分析或试验得到的射流公式对空调送风***流的轴心速度和温度、射流轨迹等进行预测,势必会带来较大的误差。并且,射流分析方法只能给出室内的一些集总参数性的信息,不能给出设计人员所需的详细资料,无法满足设计者详细了解室内空气分布情况的要求;
Zonal model是将房间划分为一些有限的宏观区域,认为区域内的相关参数如温度、浓度相等,而区域间存在热质交换,通过建立质量和能量守恒方程并充分考虑了区域间压差和流动的关系来研究房间内的温度分布以及流动情况,因此模拟得到的实际上还只是一种相对精确的集总结果,且在机械通风中的应用还存在较多问题。
模型实验虽然能够得到设计人员所需要的各种数据,但需要较长的实验周期和昂贵的实验费用,搭建实验模型耗资很大,有文献指出单个实验通常耗资3000~20000美元,而对于不同的条件,可能还需要多个实验,耗资更多,周期也长达数月以上,难于在工程设计中广泛采用。
另一方面,CFD具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点,故其逐渐受到人们的青睐。由表1给出的四种室内空气分布预测方法的对比可见,就目前的三种理论预测室内空气分布的方法而言,CFD方法确实具有不可比拟的优点,且由于当前计算机技术的发展,CFD方法的计算周期和成本完全可以为工程应用所接受。尽管CFD方法还存在可靠性和对实际问题的可算性等问题,但这些问题已经逐步得到发展和解决。因此,CFD方法可应用于对室内空气分布情况进行模拟和预测,从而得到房间内速度、温度、湿度以及有害物浓度等物理量的详细分布情况。
进一步而言,对于室外空气流动以及其它设备内的流体流动的模拟预测,一般只有模型实验或CFD方法适用。表1的比较同样表明了CFD方法比模型实验的优越性。故此,CFD方法可作为解决暖通空调工程的流动和传热传质问题的强有力工具而推广应用。
比较项目1射流公式2ZONAL MODEL 3CFD 4模型实验
房间形状复杂程度简单较复杂基本不限基本不限
对经验参数的依赖性几乎完全很依赖一些不依赖
预测成本最低较低较昂贵最高
预测周期最短较短较长最长
结果的完备性简略简略最详细较详细
结果的可靠性差差较好最好
适用性1机械通风,且与实际射流条件有关2机械和自然通风,
3一定条件机械和自然通风4机械和自然通风
1.建立模型1.玻璃烧杯直径60mmCFD仿真 云,高度为90mmCFD仿真 云;搅拌桨分为两层,底层为四叶45°螺旋桨式搅拌器,桨叶直径50mm,桨厚1mm,宽度7mm,搅拌轴直径8mm;上层为四叶直叶桨,桨叶直径35mm,桨厚1mm,宽度5mm;底层搅拌桨离烧杯底部2mm。
2.用fluent12.0自带的后处理工具或者tecplot9.0对计算结果进行简单的后处理,得到一系列云图、矢量图、残差图以及迹线图,如附录所示。
3.根据湍流强度云图,可以清楚的看到CFD仿真 云:不管是何种形式的桨,在搅拌过程中,主要受力点都集中在桨叶的叶头上(红色区域),受力矩最大的地方也是叶头,而且在底层桨进行搅拌的同时,,使得流场内流体运动不再具有对称性,搅拌更加杂乱无章,混合更加均匀,传热传质速率加快,这也是设置双层桨的优点所在,是混沌理论强化搅拌过程的重要内容之一。边界条件的设置烧杯全部设置为静域,记为stator,两层搅拌桨设置为动域,分别记为rotor1、rotor2;动域与静域接触面设置为interface(一共有5对interface),搅拌轴、搅拌桨、烧杯外壁及烧杯底全部设置为wall,烧杯表面设置为自由表面symmetry,其余表面设置为内表面interior。
4.导出msh文件,导入fluent12.0中进行计算。3.求解计算1 将msh文件导入到fluent12.0(启用3D)中,进行最初设置:⑴.check网格,检查有无负体积;⑵.Scale网格,转换单位;⑶.将转速单位由rad/s换成rpm;⑷.选择瞬态,重力加速度方向为Z轴负向,⑸.圆整网格
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