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摘要：随着社会的不断发展，信息数据得到越来越广泛的应用，社会环境正在悄无声息的从信息化向数字化过渡，数字孪生，赛博物理系统等新鲜的热门词汇开始涌入我们的视线，我们的工作及生活方式也在确确实实的发生着巨大的改变。计算机信息技术、生物技术、三维机械、人工智能、大数据等高科技在逐渐影响着传统的生产方式，暖通空调行业同样需要新鲜血液的注入，助推产品及系统工程的建设，在传统空调领域，系统的设计通常是在经验和理论的支撑下完成的，室内空气分布情况的合理性很难实现准确的理论复现。目前用于空调区域气流组织分析的方式分为数值理论计算、实验验证及CFD数值仿真方法。数值理论计算是预测室内气流组织的最经济和最原始的方法，但需要非常扎实的专业基础，且对于复杂流场很难得到准确的解析解；而实验方法最为直观，但需要耗费大量的人力物力，资源浪费严重；CFD数值仿真是借助于计算机技术在快速准确得到解析解的同时进行数据的可视化，既有理论计算的准确性又继承了实验的直观性，同时具有资源占用少，计算响应快等优势。因此，CFD技术在暖通空调领域得到了越来越多的应用。
关键词：CFD技术；气流组织；暖通空调
前言
随着计算机技术的快速发展，及硬件设备性能的不断升级，CAE在产品开发及工程建设中占据着越来越重要的地位。产品开发仿真先行，工程建设仿真先行，不再是空话、大话，已经切实的在生产中得到验证，并普遍的应用到了各行各业中。在暖通空调领域，借助于CFD技术能够实现流场的精准仿真，可以快速得到不同产品部位或工程区域的温度场、速度场等关键技术数据，借助于计算机提升产品的一次成功率及工程建设的合理性。
一、CFD技术及应用范围
1.CFD技术简介
CFD是计算流体力学的简称，广泛应用于火力发电厂、航空航天、机械制造、车辆工程、液压仿真、环境化学工业等多个领域。 暖通空调领域对CFD技术同样有着迫切的需求。 二十世纪初，欧洲人第一次通过计算机得到二维粘性流体的数值解，这代表着计算流体动力学的诞生和存在，使用涡流粘滞系数模拟室内空气流动情况的方法成功的和暖通空调气流组织结合，以至于在接下来的数十年里，世界各地的发达国家都在努力通过该项技术实现能源的节约和产品的优化。
对于CFD技术的研究，各国都投入了大量的人力、物力和财力，并取得了一定的成果，在短短的20年时间里，使得这项技术得到了广泛的推广。其中美国是最早使用CFD技术且应用最为成熟的国家之一。1989年美国国家标准研究所总结了世界各国室内空气流动CFD模拟的发展，通过CFD方式进行室内空气流动预测，并且在同年建立了该研究的研究院。1970年初日本也开始采用CFD方法对室内气流组织进行数值模拟，并将此项技术应用于建筑工程中。
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2.CFD应用范围
借助CFD技术可以实现很多物理及化学现象的仿真，包括1.流体仿真：气流场分析、液体流动分析、血液流动分析等。2.传热仿真：热传导、热对流、热辐射等。3.多相流仿真：气-固多相流、液-固多相流、气-液多相流等相变过程模拟。4.力学分析：流体静力学及流体动力学等。5.环境保护仿真：污染物扩散分析、空气龄分析等。
CFD技术通过计算机技术实现了各专业平台的集成，可以实现流场、温度场、速度场、磁场、受力、化学反应等物理或化学现象的复现，为工程设计人员提供重要的参考依据，助力产品的优化升级及精品工程建设。集成化的CFD平台相当于一个多功能的大型冷热试验场(数值试验)。
二、CFD技术在暖通空调领域中的应用
1.CFD技术在暖通空调领域的应用点
（1）暖通功能间气流组织设计。CFD技术可用于预测通风和空调房间内的气流分布情况。通过对空气流动进行数值分析可以全面反映室内空气分布，识别到对气流产生影响的内部干扰、边界条件等关键因素，为空调或通风系统设备的优化提供指导依据，从而获得最优的空气流动布局方案，实现功能区域良好的通风和空调效果。
（2）建筑物外部环境的分析和设计，以及建筑物外部环境对建筑物内部居民生活的影响。利用CFD技术，可以很容易地对不同气候条件下的建筑物进行流场分析，通过优化设计得到适应于不同气候环境的建筑布局。同时，通过模拟建筑物外部环境中的气流流动状态，可以进一步指导建筑物进行自然通风设计。
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（3）室内空气质量的研究，采用了CFD技术研究室内空气环境，主要模拟室内空气流动趋势以减少通风死区及涡流区，以合理的空气龄作为设计指导实现室内温度场、相对湿度场的均匀分布及污染物浓度的控制，以评估通风效率、热舒适度及污染物清除效率。
（4）建筑设备性能研究与改进，风机、冰箱、空调器等大部分空气调节设备的工作原理都与流体相关，气体或液体的流动状态对设备性能有着非常重要的影响。通过对设备内的空气及换热介质流动进行CFD仿真，可以研究设备的运行状态，提高设备的使用性能，最大程度的控制建筑物投产后的能源消耗问题，从而压缩建筑物的运营成本。
2.HVAC系统CFD求解过程
（1）在暖通空调中，我们使用CFD方法进行数值模拟，主要进行数学物理模型建立、网格划分、数值分析及数据的可视化处理等。计算流体力学的解决方案是在物理模型及网格划分完成后，首先进行控制方程的建立，接着对初始边界条件进行预判和选择，进行计算节点的生成，得出离散方程，对离散方程进行迭代计算，得出控制参数，模型收敛后获得解析解，最后把结果进行显示和输出。
（2）通过物理模型的建立、数学模型的建立以及数学描述研究对流的数值分析准备。基本的数学模型是质量守恒定律方程、动量守恒定律方程、能量守恒方程及连续性方程，并在湍流中添加一个反映湍流特性的方程，实现计算方程的闭合。
(3)数据是计算的前提，通过气体流动的各个数据能推断出，此控制方程的两个重要条件：初始条件和边界条件。初始条件是用于解释过程开始时变量的空间分布。对于瞬态问题，必须给出初始条件，稳态不需要初始条件。边界条件反映变量或其微分边界上时间和地点的变化。
（4）结构化网格及非结构化网格都属于空间规格，用于生成仿真模型的计算节点，网格的数量对仿真结果的准确性具有直接的影响，因此仿真计算时需要进行网格独立性验证。目前，各类CFD软件基本都配备了专用的网格生成工具。且计算机硬件水平已经能够支撑密集型网格划分的需求，这也是CFD技术得到快速发展的重要因素之一。
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（5）CFD计算方法主要有直接数值模拟方法（DNS）、大涡模拟方法（LES）、雷诺平均N-S（RANS）方法。选择合适的方法寻求解决不同物理现象的解析解是我们针对具体问题应该首要考虑的。
（6）结果的可视化，通过计算机数值分析得到的结果就是节点的值。节点值得表现是数学解析解，如果视觉效果不具备可观察性，那么就很难被不具备数学专业功底的人员直接利用，技术成果也很难得到推广，因此，必须对仿真结果进行可视化处理。目前大多数CFD软件都具备结果可视化功能，而且有更专业的数据后处理软件应用于数据结果的再现。CFD的后处理内容一般包括流体的速度场、温度场、浓度场的云图像，也可以动态显示流体的流动和轨迹。
3.利用CFD改进暖通设计
采用CFD技术进行仿真测试，可以很容易地发现设计过程中存在的弊端，提出科学的改进措施，提高设计的效率和质量。利用CFD技术改善设计的流程如下，1.通过理论及经验提出初始方案2.通过CFD对初始方案进行数值模拟3.对仿真结果进行系统分析，找到系统不足并提出改进措施4.针对仿真结果提出具体可行的优化方案5.借助CFD技术对优化方案进行验证6.针对具体问题执行PDCA循环，直到得到理想的方案。
结束语
CFD在暖通空调领域的应用在欧美及日本有着悠久的历史，其CFD技术发展成果丰富，CFD软件的功能非常强大，且该项技术目前已经在业界进入普遍推广阶段。虽然我国CFD技术研究起步较晚，但随着改革开放带来的快速发展，使得该项技术得到了快速的应用，目前，很多高校及科研院所已经具备专业的CFD仿真技能，可以独立进行数值实例分析。但将CFD技术与实际工程结合起来的应用程度不够深入。CFD技术与暖通空调的结合需要专业技能的支撑，而大多数设计师实际掌握的CFD技术是有限的，所以暖通空调行业CFD研究还有很多工作要做。
参考文献
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