（环境工程专业论文）窄巷中不同排列方式的空调室外机冷凝热排放相互间的影响研究.pdf

摘要 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，分体式空调作为一种能够改善生活和 工作环境、简单灵活、易于安装的设备，已逐渐成为人们日常生活中不可或缺的家用电 器。现在我国城市居民家用空调拥有率逐年上升，空调耗能量逐年增大，全国的分体空 调机运行的耗能量已超过了三峡电站的总容量，而且其安装排列方式杂乱无章，致使空 调器的c o p ( c o e 伍c i e n to f p e r f 0 衄a n c e ) 值降低，更加剧了空调能耗，所以空调室外机 的安装排列方式对冷凝热排放的影响研究，目前已成为对空调器能耗研究的一个方向。 本课题采用七一占双方程模型，以西安交通大学附属医院内一条长1 5 m 、宽3 m 的窄 巷为例，对巷内两种不同安装排列方式的室外机冷凝排热及其主要影响因素，利用f l u e n t 公司推出的专业软件加r p a l ( 2 1 进行模拟研究。本文首先对c f d 计算原理和方法从数学 理论的角度进行了全面阐述，并在此基础上，确定了该技术应用于空调室外机冷凝热排 放模拟的可行性；之后，以此长1 5 m 、宽3 m 的窄巷为例，模拟了空调室外机两种不同 安装排列方式，对环境温度、气流速度和空调室外机冷凝器进、出口温度进行分析比较， 得出一种较优的空调室外机安装排列方式；最后，从窄巷宽度、长度、室外机个数、多 层建筑的室外机四个方面，研究了影响室外机冷凝排热的主要因素。 关键词：空调室外机、窄巷、冷凝热、c f d 模拟、能耗 a b s t r a c t 触c o n d e n s i n g 砌t sa r cs i m p l e 、n e x i b l e 觚de a s yt 0b e 劬【a 1 1 e d ，m e y c a n1 m p r o v et h c l i v i n g 觚dw o m n ge n v i r o 眦e n t a l o n gw i m 雠d e v e l o p m e n t o fn a t i o n a le c o n o m y 觚dt n e h p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n g 咖n d 矾s ，a i r c o n d e n s i n g 蚰i t sh a v eg r a d u a l l y b e c o m e 砌i s p e 璐a b l eh o u s e h o l da p p l 妇e s n o w i l lm ec 戤也e n 眦b e ro fa i rc o n d e n s l n g 邮1 s r i s i n g ”a rb yy e 甄t h ee n e r j 盱c o n s 硼叩t i o n i si n c r e a s i r 冯y e a rb yy e 鹅也ee n e 嗡7 c o i l s 哪p t i o no fa i rc o n d e n s i n gu i l i t sh a sa l r e a d ys 唧a s s e d 恤t 0 协l c a p a c 时0 f 1 。g o r g e s p o w c rp l a n t m o r e o v e f ，m e i rc h a o t i c 试刚l e d 绷n g e m c n t c a u s e sm ec o p ( c o e m c i e n t0 f p e 触a i l c e ) v a l u eo f a i rc o n d e n s i n g 试t st ob el o w ，a n dc o n s u l l l e sm u c h m o r ee n e 嘞s o t h e r e s e a r c ho fm ei n n u e n c eo fc o n d e n s i n g h e a tr e l e a s eb 印v e e nd i 仃e r e n t a r r a i l g e d a l r c o n d e i l s i i l gu i l i t si sb e c o i i l i n ga l la i r - c o n d i t i o n e re n e r g yc o n s l 埘p t i o n r e s e a r c hd l r e g t l o n t a “n gal l a 册wa l l e yw 1 1 i c hi s 1 5ml o n ga i l d3m 砸d ei 1 1 ) ( i a 1 1j i a o t o n gu m v e r s l t y 瓶l i a t e d h o s p i t a la s 此e x a m p l e ，t h i si s s u eu s e s 一e q m t i o nm o d e l t 0s i m u l a t e us m g m e p r o f e s s i o n a ls o 脚a r ea i r p a k2 1o ff l u e n tc o 印。嘶毗w cs i 删l a t c 血e c o n d e n s l n gh e a t r e l e a s eo f 咖l ( i n do fa 脚g e da i rc o n d e 璐堍u 豳通a l l e y ，锨dr e s e a r c h 妣喇o r e 撒c t f a c t o r s 1 1 1 “sp a p e r ，f i r s tm e 埘n c i p l e s a n dm e t h o d s0 fc f d ( c o m p u t a t l o 枷1 u l d d v n 锄i c s ) t e “q u ca r em d u c e d i nd “1 a m db a s e do n 帆i m d u c t i o n ，t h j s s o 士t1 s f - e a s i b l et 0s i m u l a t et h ec o n d e n s i n gh e a tr e l e a s eo fa i rc o n d e n s i n g u n i t s t h e nt a k m gt h e i l a l wa l l e yw m c hi s1 5ml o n ga n d3m 、) r i d e 弱m ee x 锄p l e ，w e s i m u l a t et 、7 旧k i n do t d i 能r e n ta 玎a n g e da i rc o n d e n s i n g 吼i t s b ya 1 1 a l y z i n gt e m p e r a t u r e 、f l o wv e l o c l 够a n d a l r c o n d e n s i n gu r l i t s ，i i l l e ta n d o u t l e tt e m p e r a t u r e ，a no p t i m i z e di n s t a l l e d 跏g e m e n t 1 sd e s l g n e d a n dc o i l f i 咖e d f i n a l l y ，恤m 洳鲰t o r sw t l i c h 疵c t 位c o n d e n s i n g h e a tr e l e a s e0 士a l r c o n ( 1 e n s i n g 戚t sa r ed e t e n i l i n e da c c o r d i n g t ot h e 谢d t ho fa l l e y ，m el e n 咖o fa l l e y 、妣 n u m b e ro fa i rc o n d e n s i n g 戚t sa n dm ea i rc o n d e i l s i n g 砌t s o u to fm u l t i s t o r e yb u l l d l n g k e vw o r d s ：a j rc o n d e i l s i n gu n i t s 、n 踟wa l l e y 、 c o n d e n s i n gh e a t 、c f ds i m u l a _ t l o n 、 e n e r g yc o n s 啪p t i o n l l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：毒娃夕年s 月日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 哆年s 月h 日 冲年r 月彻日 长安大学硕士学位论文 第一章绪言帚一早三百i 1 1 课题背景 近年来，随着国民经济的高速增长、人民生活水平的不断提高，空调也已逐渐走入 了千家万户，像电视机、洗衣机等一样，几乎成了人民日常生活中不可或缺的一种家用 电器。其中，分体式空调以其简单灵活、易于安装的特点成为住宅及一些公共建筑中的 首选。据调查，上海地区居民家用空调拥有量从1 9 9 0 年的每百户平均1 台增长到2 0 0 1 年的每百户平均1 0 0 台，现在广州家庭拥有的分体空调机数量平均每家已超过2 台。空 调的广泛应用，使得空调能耗也急剧上升，据广州大学对广州地区居民住宅能耗的调查， 2 0 0 0 年广卅i 空调季节平均能耗与非空调季节平均能耗相比，每月人均用电量增幅 7 1 6 9 ，每月人均空调能耗为2 3 3 k w h ，现在全国分体空调机运行的耗能量已超过了三 峡电站的总容量【1 】。因此，空调作为建筑的能耗大户，它的运行效率和电能损失，在建 筑能耗中占有举足轻重的作用。 分体式空调包括室内机和室外机两部分。其中，室外机是由轴流风扇和散热翅片组 成的风冷式冷凝器，一般安装在建筑物的外墙表面上。夏季，空调室外机组上的轴流风 扇驱动周围空气经过冷凝器翅片，降低制冷剂的温度，带走冷凝热。目前在实际工程中， 空调室外机的安装存在很多问题【1 】： 1 ) 严重影响建筑的外观： 一幢建筑，从建筑美学上来说，它要求统一、均衡、比例、尺度、韵律等。当 采用大量的分体式空调机外挂于建筑物的外墙时，将会与建筑外观格格不入。此外， 安装在室外的空调机是由铁架支撑固定的，经日晒雨淋，铁支架会慢慢产生锈蚀， 棕红色的铁锈流沿着墙面往下流，形成的痕迹，严重地影响了建筑物外观。为此， 人们采用种种措施，如采用预留空腔加百叶的掩蔽，或将空调室外机安装在对建筑 外观影响较小的街道上，虽然能在一定程度上解决一定的美观问题，但同时也带来 了更多的问题。 2 ) 分体式空调运行效率低： 分体式空调机的运行效率祗，是一个不争的事实，与中央空调相比，分体式空 调机的性能系数只有中央空调的三分之一。而且，由于分体式空调机的安装问题， 导致本来效率就很祗的分体式空调机效率更低，从而进入一个恶性循环的运行状 态。为了建筑美观，空调器室外机一般安装在加百叶的空腔或建筑凹进去处( 见图 第章绪论 ) ，使得空调运行时排热不畅，室外机附近的空气温度升高，从而使冷凝温度升 图1 1 住宅建筑外的空谓室外机 高，空调设备的运行效率降低，致使空调的制冷量大大减少，能耗加剧。 3 1 对周围环境的热效应影响： 分体式空调机的热量排放都是无规律的、随意的，因此很容易造成各种不良热 效应。室外机组释放的冷凝热在宏观上是“城市热岛效应”的重要成因之一，在微观 上使周围环境中的空气温度上升，引起热和空气的流动，从而改变整个建筑物周田 的热环境，建筑物周阐空气温度的升高，将直接导致空调室内负荷的增加，从而增 加了电能的消耗。同时，冷凝热排放使周围环境温度升高，这加大了室内外空气的 密度差，增加了热压力，也会影响到自然通风口及新风口位置的选取口“。 4 ) 分体空调机的其他影响： 空调机在运行时，风机本身及支架振动都会产生噪声。帘外空调机上安装的雨 棚虽然可以在一定程度上保护空调室外机，但也会影响到空调室外机的排热。大量 的室外空调机安放在建筑物外墙上时，还会产生安全问题，空调机的安装铁架会对 雷电有吸引的作用，造成雷击的机会会增加，同时铁架的安装稳定也不能够全部有 保证，使用久了会对地下的行人及车辆的安全造成很大威胁。 分体式空调器虽然存在以上缺点，但它同时具有以下优点： 1 ) 外形美观、型式多样、结构紧凑、占地小、使用灵活。 2 ) 分体式空调器分成室内机组和室外机组，室外机组安装位置灵活，可以由 多个室内机组和个室外机组配套使用，而且室外机组的外形尺寸不受限 制。 长安大学硕十学位论女 3 1 易于安装、检修方便。 分体式空调器的这些优点，决定了它虽然存在许多缺点，但仍广泛应用于分散的小 空间和个体家庭。 现在，随便走进一条小巷，都会发现，巷_ 两边摆满了分体式空调的室外机( 见图 12 、1 3 ) 。室外机的运行排热，使得巷内空气的温度急剧上升，从而影响到空调室外机 图1 2 单侧放置室外机的窄巷图l j 职侧放置室外机的窄巷 的运行效率。那么，在同样的建筑t f i 局中，这些室外空调机如何安装才能取得同等条 什下最好的运行效率，也成为人们关注的问题。 1 2 课题的研究目的及意义 经济的发展，人们生活水平的提高，使得分体式空调得到了广泛应用。分体式空调 的工作原理如下：如图l4 所示，从蒸发器出来的低温低压制冷剂蒸气进入压缩机，压缩 成高温高压制冷剂蒸气，然后进入冷凝器，通过冷凝盘管与周围的空气进行换热，冷凝 成高压液态制冷荆，同时放出冷凝热，高压液态制冷机经过节流阀后节流减压，压力降 低从而沸点下降，然后进入蒸发器，在蒸发器内吸取室内的热量，使低压液态制冷剂气 化变成低压蒸气，完成制冷过程，低压制冷剂蒸气再进入压缩机进行下一个循环。空调 机的工作就是把室内的热量运送到室外去。冷凝器散发的热量等于室内的制冷量加上压 缩机的输入功率，一般输入功率是制冷量的o3 o3 8 倍，压缩机的功率与室外机的环境 温度有关n 从分体式空调器的运行原理看来，空调机的运行效率不但与设备本身有关外，还与 冷凝器周围的空气环境有密切关系。在空调机的制玲循环中，蒸发温度不变时( 空调空 间温度) ，玲凝温度升高( 室外温度) ，制冷量就会下降，性能系数就会变小，能耗增大。 第一章绪论 蒸发 室内 室外机 图1 4 分体空调制冷原理图 因此，在空调运行过程中，从节能角度看，应尽量降低冷凝温度。 空调室外机的不同安装方式，使得冷凝热的散热效果不同。几年来新建住宅在设计 时大多都安排了空调器室外机的安装位置，既考虑建筑物外形美观又满足室外机通风要 求，实际使用效果较好。但对于两边店面较多而又比较狭窄的街巷，一般都没有统一规 划，室外机随意布置，既影响环境美观，又影响散热效果。分体式空调室外机散热效果 的好坏直接影响空调器的耗电量，研究表明，目前全国的分体空调机运行的耗能量已超 过了三峡电站的总容量【l 】。如何通过空调室外机的合理安装，来达到良好的散热效果， 从而提高室外机的性能系数，达到同等条件下最节能的目的，已成为人们越来越关注的 课题。 本课题主要研究分体式空调器室外机的安装排列方式，通过对不同安装排列方式的 研究，找到一种合理、优化的室外机安装排列方式，达到节能的目的。 1 3 研究现状 目前有很多学者在从事空调室外机运行时引起的空气流动问题研究，主要集中在以 下几个方面： 1 ) 对于多层或高层建筑空调室外机下层对上层的影响【5 6 7 1 在大中城市中，高层住宅建筑的数量不断增加，建筑物外空调室外机分层安装，下 层空调室外机冷凝放热上升，使得上层室外机周围空气温度升高，提高了上层室外机的 冷凝温度。对于这方面的研究，主要是利用c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n 锄i c s ) 技术，通 过建立模型，来研究多层建筑各层空调室外机散热的相互影响，进而分析室外机的热释 4 长安大学硕士学位论文 放效率和风机的功率不同时，下层设备运行对上层设备造成的影响。如陈大宏等利用数 值模拟方法，模拟分析多层住宅建筑中室外机运行时引起的热和空气的流动，及其对上 层空调设备运行的不良影响。 2 ) 空调室外机安装方式对节能的影响【4 8 9 1 0 1 1 】 建筑师考虑到建筑物外观的美观，会预先为空调室外机预留安装空腔，而且为了配 合建筑物外观的统一，在空腔外面会装上百叶、镂空铁栏栅等，这会使室外机气流不畅， 妨碍室外机冷凝散热。针对这个问题的研究，主要是利用c f d 技术建立模型，分析空 调室外机在不同的安装方式如安装时无任何遮挡、为配合建筑装饰外加百叶遮挡、安装 距离过近等情况时，对空调室外机运行效率及能耗的影响。如黄章星针对室外机安装的 平台形式、平台的几何尺寸、外饰材料等问题进行了研究，分析了空调室外机安装方式 对空调器能耗的影响；叶宏等人也就空调室外机安装在阳台专用机柜时的不同情况进行 了研究，证明如果室外机安装位置处气流不畅，会直接影响到空调器能耗，使能耗增加 1 4 15 。 3 ) 空调室外机周围环境对节能的影响【4 1 2 1 3 】 立方体式建筑是最节能的，但建筑师们考虑到建筑的美观，往往会将建筑物外观设 计的复杂多变，这会影响建筑物周围的气流分布，而且有些建筑物的凸、凹也会给室外 机的运行效率造成影响。针对这个问题的研究，主要是利用相关软件如f l u e n t 、印a l 【 等建立模型进行模拟，分析空调室外机在不同建筑环境下，或在室内温度降低时的节能 状况，研究室外环境温度的降低，对空调能耗的影响。如m b o j i c 等人利用c f d 软件中 的f l u e n t 来计算分析窗式空调设备制冷时高层建筑外墙的热空气流动和温度变化，并分 析了空调设备散热对同层空调器室外机的影响；t t c h o w 等人研究了安装在建筑凹角处 的分体式空调室外机附近的环境流场和温度场，并分析了凹角的形状对空调设备制冷效 果的影响。 4 ) 分体式空调室外机冷凝排热对周围环境的影响【2 3 1 4 】 城市街谷效应是指城市覆盖层内相邻建筑物与地面围合而成的类似于峡谷的空间， 是城市户外环境的构成基础，也是城市微气候研究中的重要基础工作。热岛效应是指一 个地区由于工业密集、人口密集、建筑密集以及植被稀少等原因造成的温度高于周围地 区的现象，一般出现在城市里。城市里大量的空调冷凝放热，加剧了城市的街谷效应和 热岛效应。针对这个问题的研究，主要是利用c f d 技术，通过相关软件如f l u e n t 、a i 印a l 【 等建立模型进行模拟分析，以此来研究空调室外机冷凝热排放对周围微环境及城市街谷 5 招”论 效应、热岛效应的影响，对行人热舒适性的影响。 此外，很多学者还从减少冷凝热释放、综合利用能源方面，对空调玲凝热的释放进 行研究。空调冷凝排热满足了可利用废热的条件【15 】：废热的排放量相对较大、排放量相 对集中、排放量在相当长的时间里都比较稳定，困此具有利用价值。此外还满足了工程 应用中对废热的要求：就近利用、所需热能品位与废热品位相近、废热的产生时间与废 热的利用时间相一致。对空调冷凝热回收利用的方法一般可分为两种：直接热回收和间 接热回收，间接热回收在应用上比直接热心收方便，但直接热回收的效果更好，而且有 利于提高空调器本身的性能，回收方式也较多，因此学者们更热衷于直接热回收的研 究工作i l “。如龚光彩教授提出的双冷凝器热回收技术，在压缩机的出口上串联一个水冷 式冷凝器，冷却水引自卫生间热水箱，不断循环以达到所需生活热水温度【l6 1 ；江辉民等 人在常规空调系统中增加了一个冷凝热回收设备，即加一容积式水加热器来回收利用冷 凝热。来制备生活用热水mj 。实验证明，利用冷凝热制各生活热水是可行的，且带冷凝 热回收的空调器比常规空调器性能更高、更符合节能要求8 1 9 2 “。 1 4 本文的研究对象及主要内容 本课题选择西安交通大学附属医院内常见的通行窄巷( 见图15 ) 为研究对象在 图1 5 交太附届医院长l s m 宽3 m 的窄巷 窄巷内模拟两两相对和交错排列的室外空调机不同的安装排列方式，研究它们的冷凝热 排放形成的热环境以及冷凝器进、出口温度。通过模拟研究，找出一种较好的安装排列 方式。 本课题的主要研究内容为利用a i r p a k 21 分别对以下两种情况进行模拟研究 长安大学硕士学位论文 1 ) 在相同的窄巷内，针对两两相对和交错排列的室外空调机不同的安装方式，分 析其冷凝热排放造成的热环境，以及冷凝器吸入口、排出口的温升，讨论能耗情况，筛 选出一种比较节能的安装排列方式。 2 ) 分析当采用比较节能的安装排列方式时，对室外机冷凝热排放造成的热环境、 以及冷凝器吸入口、排出口温升造成影响的主要因素。 通过对以上两种情况的模拟进行分析比较，从而指出何种室外机的排列安装更为优 化、节能，并找出主要影响因素。 7 第二章计算流体力学( c f d ) 及商用软件a i r p a l ( 第二章计算流体力学( c f d ) 及商用软件a i 印a k 2 1c f d 在暖通空调中的应用 2 1 1c f d 简介 c f d 是计算流体动力学的简称，它通过计算机数值计算及图像显示，对包含有流体 流动和热传导等相关物理现象的系统做分析【2 l 】。c f d 把连续的时间、空间物理模型方 程进行离散，化作求解有限个点上的相关物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) ，通 过这些点上物理量的分布情况，分析整个时间、空间物理场的分布，达到模拟的目的。 与单纯的理论分析与实验检测相比，c f d 克服了理论分析的复杂性和实验检测模型建立 的困难性，具有适用面广、适应性强的特点，可求解非线性问题，不受模型尺寸等的限 制，但也存在一些局限性。在实际应用中，应与理论分析、实验检测相结合，取长补短。 近十年来，c f d 有了长足的发展，是当前国际上一个备受关注的研究领域，是研究 传质、传热、动量传递、多相流、燃烧及化学反应的重要核心技术，广泛应用于水利工 程、土木工程、环境工程、食品工程、海洋结构工程、工业制造等领域【2 l 】。暖通空调制 冷行业是c f d 技术应用的一个重要领域。 1 9 3 3 年，英国人t h o m 首次用手摇计算机数值求解了二维粘性流体偏微分方程， c f d 由此而生，1 9 7 4 年，丹麦的n i e l s e n 首次将c f d 用于暖通空调工程领域，对通风 房间内的空气流动进行模拟，这之后2 0 多年内，c f d 技术在暖通空调工程中的研究和 应用领域得到广泛应用。如今，c f d 技术逐渐成为广大空调工程师和建筑师分析解决工 程问题的强有力的工具。 在采用c f d 进行数值模拟时，主要流程如下【2 1 】： 1 ) 建立数学模型：这是数值模拟的出发点。没有正确完善的数学模型，模拟就没 有任何意义。 2 ) 高效准确的计算方法：利用有限元法、有限体积法、有限差分法等进行方程的 离散。 3 ) 计算求解：进行网格划分、初始条件、边界条件、控制参数的设定，然后选择 计算器进行计算，取得计算结果。 4 ) 对结果的处理：通过一些图、表等方式，显示计算结果。 对于其中的求解过程，包括以下几个步骤( 图2 1 ) ： 8 长安大学硕士学位论文 图2 1c f d 而用软件求解步骤 2 1 2c f d 在暖通空调中的应用 c f d 主要可用于解决以下几类暖通空调工程的问题【2 3 】： 1 ) 对通风空调空间进行气流组织设计 通风空调空间气流组织直接影响通风空调的效果，利用c f d 可以模拟预测 空间空气分布的详细情况，从而指导设计。通风空调空间通常可分为普通建筑 空间和特殊空间，普通建筑空间包括住宅、办公室、高大空间等，特殊空间包 括洁净室、客车、列车及其它需要空调的特殊空间。 2 ) 对建筑外环境进行分析设计 建筑外环境对建筑内部居住者的生活有着重要的影响，目前建筑小区二次 风、小区热环境等问题日益受到人们的关注【2 4 】。利用c f d 可以方便地对建筑外 环境进行模拟分析，进而设计出合理的建筑外环境。而且，还可利用模拟建筑 9 第二章计算流体力学( c f d ) 及商用软件a i r p a l c 外环境的空气流动情况，进一步指导建筑内的自然通风等的设计。 3 ) 对建筑设备性能的研究改进 应用于暖通空调工程中的许多设备( 风机、蓄冰槽、空调器等) ，都是通过 流体工质的流动进行工作的，流体的流动情况对设备的性能有重要影响。利用 c f d 技术可以模拟设备内部流体的流动情况，进而研究设备性能并加以改进， 使其更好的工作，达到降低建筑能耗、节省运行费用的目的。 2 1 3c f d 的发展 c f d 在暖通空调领域的应用始于1 9 7 4 年，此后得到了飞速发展，主要可分为基础 研究和应用研究两个研究方向。目前，美国、欧洲、日本等发达国家对c f d 的基础和 应用研究都处于领先水平，在我国，清华大学等高等学校和科研单位也有较为独特的研 究方向【2 5 2 6 1 。 对于c f d 的基础研究，主要包括： 1 _ ) 对室内空气流动的简化模拟； 2 ) 对室内外空气流动的大涡模拟； 3 ) 对室内空气的流动模拟和建筑能耗的耦合模拟。 对于c f d 的应用研究，主要包括： 1 ) 对自然通风的数值模拟； 2 ) 对置换通风的数值模拟； 3 ) 对高大空间的数值模拟； 4 ) 对v o c ( v o l a t i l eo r g 1 1 1 i cc o m p o 吼d s ) 散发的数值模拟； 5 ) 对洁净室的数值模拟。 c f d 商用软件一般将复杂的c f d 过程集成，通过一定的接口，让用户快速地输入 问题的有关参数。商用c f d 软件均包括3 个基本环节：前处理、求解和后处理。从软 件工程的角度来看，求解部分与国外先进水平差距不大，主要差距表现在前处理即几何 造型与网格生成技术、后处理即科学计算可视化部分上。从总体上看，我国暖通空调制 冷行业中开展c f d 研究方面尚有大量工作要做，主要表现在以下几个方面： 1 ) 算法理论方面的基础研究需进一步加强： 2 ) 需深入研究网格自动生成技术； 3 ) 在计算可视化技术方面仍需努力； 1 0 长安大学硕士学位论文 4 ) 需进一步研究c f d 技术在暖通行业中的应用。 c f d 技术在c a e ( c o m p u t e r d e de n 西n e e r i n g ) 工程中已表现出巨大的优势，将与 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i 盟) 及c a m ( c o m p u t e r d e dm a n u t u i i i l g ) 乃至灿( a n i f i c i a l h l t e l l i g e n c e ) 技术有效地结合在一起，显示其强大的生命力。 2 2 商用软件a i 印出 2 2 1 常用数值模拟软件 为了完成c f d 计算，大部分的研究者都尝试过自己编制程序进行计算，但大多是 针对某一具体问题专门编程的。由于c f d 的复杂性及计算机软硬件条件的多样性，因 此各研究者编制的程序往往缺乏通用性。为了能使数值分析方法适用于流体力学、传热 学以及化学等领域，针对c f d 本身鲜明的系统性及规律性，已经开发了各种通用的数 值计算软件。自从1 9 8 1 年英国c h a m 公司首先推出求解流动与传热问题的商业软件 p h o d n c s 以来，在国际上迅速形成了通称为c f d 软件的产业市场。至今全世界至少 已有5 0 多种这样的解决流动与传热问题的商业软件，在促进c f d n h t 烈u m e r i c a lh e a t t r 锄s f e r ) ( 计算流体力学数值传热学) 技术应用于工业实际中起了巨大的作用。目前在我 国流行的大型商业化c f d 软件主要有p h o e n i c s 、c f x 、s t 小c d 、f i d a p 、f l u e n t 、 a i r p a k 等，这些软件在工程界正发挥着越来越大的作用。本文所使用的计算软件是 a i r p a k 。 下面就各软件做简单介绍【2 1 】： 1 ) p h o e n i c s p h o e n i c s 是世界上第一个投放市场的计算流体动力学与传热学的商用c f d 软件( 1 9 8 1 年) ，可以称之为c f d 小m t 商用软件的鼻祖。除了通用c f d 软件应有的 功能外，它还具有开放性、c a d 接口、运动物体功能、多种模型选择、双重算法计 算、多模块选择的自身特点。这一软件采用有限容积法，可选择一阶迎风、混合格 式及q u i c k 等，压力与速度藕合采用s i m p l e s t 算法，对两相流纳入了i p s a 算 法( 适用于两种介质互相穿透时) 及p s i - c e u 算法( 粒子跟踪法) ，代数方程组可以采用 整场求解或点迭代、块迭代方法，同时纳入了块修正以加速收敛。该软件曾经在工 业界得到较广泛的应用，在算例库中收入了6 0 0 余个例子。 2 ) c f x 该软件是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的商业c f d 软件，可以采用有限体积 第二章计算流体力学( c f d ) 及商用软件a i r p a l ( 法及基于有限元的有限体积法。该软件的网格为采用有限体积法、拼片式块结构化 的网格，在非正交曲线坐标( 适体坐标) 系上进行离散，变量的布置采用同位网格方式。 对流项的离散格式包括一阶迎风、混合格式、q u i c k 、c o n d i f 、m u s c i 及高阶迎 风格式。压力与速度的耦合关系采用s i m p l e 系列算法( s i m p l e c ) ，代数方程求解的 方法中包括线迭代、代数多重网格等。湍流模型中纳入了加模型、低娜l d s 加 模型、r n g ( 重整化群) 七罐模型、代数应力模型及微分r e ) r i l o l d s 应力模型。 3 ) s t a r - c d s t a r c d 是由英国帝国学院提出的通用流体分析软件，s t a r 是s i m u l a t i o no f t u 而u l e n tn o wi na r b i 仃a l d rr e g i o n 的缩写，c d 是开发商c o r n p u t a t i o n a ld ) ，1 1 锄i c sl t d 的简称。该软件基于有限容积法，适用于可压缩和不可压缩流体计算、热力学计算、 非牛顿流体计算。在网格生成方面，具有多种网格划分技术和网格加密技术，具有 对网格质量优劣的自我判断功能。s t a r c d 在适应复杂计算区域的能力方面具有一 定的优势，可以处理滑移网格问题，可用于多级透平机械内的流场问题。在差分格 式方面，具有低阶和高阶的差分格式，如一阶迎风、二阶迎风、中心差分、q u i c k 格式以及将一阶迎风与中心差分或q u i c k 等掺混而成的混合格式；在压力与速度 藕合关系的处理方面，可选择s i m p l e 、p i s o 以及s i m p i s o 算法，可根据网格质 量的优劣和流动物理特性来选择；在边界条件处理方面，可以处理给定压力的边界 条件、周期性边界、辐射边界等复杂情形；在湍流模型方面，它提供了多种高级湍 流模型，如各类抽模型( 标准模型、r n g 模型等) 。 4 ) f i d a p f i d a p ( f i n dd ”锄i c sa n a l y s i sp a u c l ( a g e 的缩写) 是英国f l u i dd y i l a “c s i n t e n l a t i o i l a l ( f d i ) 公司于1 9 8 3 年推出的计算流体力学与数值传热学软件，目前， f i d a p 属于f l u e n t 公司。该软件是世界上第一个完全基于有限元法( f e m ) 的 c f d n h t 软件，可导入i d e a s 、p a t 凡n 、a n s y s 和i c e mc f d 等软件所生成 的网格模型。f i d a p 在求解器方面可利用完全非结构化网格，采用有限元方法求解 所有速度范围内问题。它提供的湍流模型包括代数混合长度模型和加模型。该软 件可以计算可压缩流及不可压缩流、层流与湍流、单相流与两相流、牛顿流体及非 牛顿流体的流动、凝固与熔化问题等，有网格生成及计算结果可视化处理的功能。 5 ) f l u e n t f l u e n t 是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的c f d 软件，是继p h o e n i c s 1 2 长安大学硕士学位论文 软件之后第二个投放市场的基于有限体积法的软件，也是目前功能最全面、实用面 最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一。f l u e n t 提供了非常灵活的网格特性，允 许用户根据解的具体情况对网格进行局部加密，可导入多种c a d 、c a e 软件生成 的模型。它可解决多种参考系下的定常与非定常流动、不可压缩与可压缩流动( 对高 m a 下的流动，另有专门ra m p a n t 软件) 、含有粒子液滴的蒸发、燃烧的过程、多 组份介质的化学反应过程等的二维、三维问题。它的湍流模型有加模型、r e ) r i l o l d s 应力模型、l e s 模型、标准壁面函数模型、双层近壁模型等。它可以定义多种边界 条件，还允许用户自行设定连续性方程、动量方程、能量方程、组分输运方程中的 体积源项等。它的解的计算与显示可以通过交互式的用户界面来完成。 6 ) 触砌) a k a i r p a k 美国f l u e n t 公司在f l u d 盯基础上开发的专门面向h v a c ( h e a t i n g 、 v e n t i l a t i o na n d a i rc o n d i t i o n e r ) 领域的c f d 软件，是一款针对通风空调系统应用方面 设计的一款功能强大、快速、便于用户使用的c f d 软件。趾r p a k 采用f l u e n t 求解器，它提供了强迫对流、自然对流和混合对流模型、热传导、流固耦合传热模 型、热辐射模型、湍流模型，可用于解决空调系统送风气流组织形式下室内的温度 场、湿度场、速度场、空气龄场、气体污染物浓度场、p m v ( p r e d i c t e dm e a nv o t e ) 场、 p p d ( p r e d i c t e dp e r c e n td i s s a t i s f i e d ) 场等。a i 印a k 具有强大的可视化后处理能力，能够 生成速度矢量、云图和粒子流线动画，描绘气流的实时运动情况。模拟结束后，还 可提供强大的数值报告，从而对房间的气流组织、热舒适性和室内空气品质( i a q ， i i l d o o r 越rq 试i 妫进行全面综合评价。 2 2 2 关于a i r p a k 本课题采用的模拟软件是美国f l u e n t 公司开发的a i 印a l ( 2 1 1 2 软件。该软件是应 用于删a c 领域的专业软件，主要面向工程师、建筑师和设计师。对研究对象内的空气 流动、传热、污染等问题，它不但能进行精确模拟，还能提供舒适度、p m v 、p p d 等空 气质量方面的技术指标。现在在住宅通风、排烟罩设计、污染控制、工业通风、建筑外 部绕流、运输通风、矿井通风、烟火管理、动植物生存环境、电站通风、封闭车辆设施、 体育场等设计方面，a i 印a l 【已得到了广泛应用【2 7 1 。 a i r p a k 软件的基本运行结构见图2 2 。 1 3 第二章计算流体力学( c f d ) 及商用软件a i 巾a k 图2 2a i r p a k 软件的运行结构 a i 印a l ( 软件主要有以下特点： 1 ) 建模快速： 础印a l 【具有基于o 场e c t ”的建模方式。o b j e c t ”包括的模块主要有房间、人体、 块、风扇、通风孔、墙壁、隔板、热负荷源、阻尼板( 块) 、排烟罩等。此外，a 卸a l 【 提供的模块还有各式各样的d i 妇e r 模块、用于计算大气边界层的模块。加印a k 提 供了c a d 软件接口，可通过i g e s 、d ) ( f 格式导入c a d 软件生成的几何模型，因 此易于与其他机械工程c a d 软件集成。 2 ) 自动划分网格： a i 叩a l ( 可以自动生成结构化、非结构化网格，可支持四面体、六面体以及混合 网格，可在模型上生成高质量的网格。a i 印a k 还提供了强大的网格自检功能，可以 检查出质量较差( 长细比、扭曲率、体积) 的网格。另外，用户可以自行控制网格 疏密，在对某个特征实体进行网格局部加密时不会影响到其它对象。 3 ) 模型多种多样： a i r p a k 的模型包括强迫对流、自然对流和混合对流模型的对流模型、热传导模 型、流体与固体耦合传热模型、热辐射模型，可处理层流、湍流、稳态、瞬态问题。 4 ) 可视化后处理： a 卸a k 具有面向对象的、完全集成的后置处理环境，可生成速度矢量图、温度 ( 湿度、压力、浓度) 等值面云图、粒子轨迹图、切面云图、点示踪图等，还可以 以动画形式表现出空气及颗粒的运动情况。 5 ) 强大的数值报告能力： a i 印a l ( 可以模拟在不同空调系统送风气流组织形式下室内的温度场、湿度场、 速度场、空气龄场、污染物浓度场、p m v 场、p p d 场等，对室内的气流组织、热舒 1 4 长安大学硕士学位论文 适性和室内空气品质( i a q ) 可进行全面综合评价，便于理解和分析比较计算结果。 国解算功能强大： a 卸a k 采用f l i 踟求解器，在方程离散时采用有限体积法( f i i 讥v 0 l 啪e m e m o d ) ，解算功能非常强大。 2 3 本章小结 本章对c f d 的应用作了简单介绍，并详细阐述了现在常用的几种商业c f d 软件的 特点。由于加印a l ( 是应用于h v a c 领域的专业软件，可以精确地模拟所研究对象内的 空气流动、传热等物理现象，因此本论文采用了a 卸酞来进行模拟研究，并对其进行了 重点介绍。 1 5 第三章模型的理论分析 第三章模型的理论分析 本课题应用计算流体力学( c f d ) 的方法模拟分体式空调室外机形成的热环境，进 而分析其对室外机能效的影响，即研究室外机周围的温度场、速度场等问题。本文研究 的问题属于室外不可压缩气体三维稳态问题，微分方程中的非稳态项为零。湍流模型采 用l a 吼d e r 及s p a l d i n g 等提出的一种平均湍流能量模型靠8 双方程湍流模型。在采用 加双方程模型求解湍流对流换热问题时，控制方程主要包括连续性方程、动量方程、 能量方程、七嵋方程及湍流粘性系数( t u l b u l e n tv i s c o s i 够) 珈公式。在计算中考虑质量力 和辐射换热的作用。 3 1 理论分析 3 1 1 湍流流动及其模拟方法 湍流是自然界中常见的流动现象，是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则 流动。流体流动包括层流和湍流，当流体的雷诺数大于某一临界值时，流体流动的状态 就会由平滑的、相邻流体层彼此有序流动的层流状态转化为流体微团之间剧烈掺混、杂 乱无章的混乱流动状态，形成无数大大小小、不规则的、不断变化的三维旋转涡团的湍 流状态。本专业工程应用中涉及的流体大多是湍流。湍流是一种高度复杂的三维非稳态、 带旋转的不规则流动，在湍流中流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都随时间 与空间发生随机的变化【2 8 1 。在湍流状态下某一点测得的速度、压力等随时间具有很强的 脉动性，湍流中的脉动现象对工程设计有直接的影响。湍流带有旋转流动的结构，即所 谓的湍流涡，简称涡。在物理结构上，湍流可以看作是由不同尺度的涡叠加而成的流动， 涡的大小和旋转轴的方向分布都是随机的。在充分发展的湍流区内，流体涡的尺寸可在 相当宽的范围内连续地变化。大尺度的涡不断地从主流获取能量，通过涡间相互的作用 传递给小尺度的涡，小尺度涡由于流体粘滞性的作用不断消失，机械能转化为流体的热 能( 或称耗散) ，同时，在边界的作用、扰动及速度梯度的作用下，又有新的涡不断产生， 这就构成了湍流运动【2 9 】。流体内不同尺度涡的随机运动造成了紊流流体各物理量的脉 动。无论紊流运动多么复杂，非稳态的n a v i e r - s t o k e s 方程对于紊流的瞬时运动仍然是适 用的【3 0 】。 目前对于湍流数值模拟方法可分为直接模拟方法和非直接模拟方法，直接模拟方法 即直接数值模拟( d n s ，d i r e c tn 啪e r i c a ls i m u l a t i o n ) ，非直接模拟方法分为统计平均法、 大涡模拟( l e s ，l a 喈ee d d ys i m u l a t i o n ) 和r e y n o l d s ( 雷诺) 时均方程方法三类【2 1 、2 8 1 。 1 6 长安大学硕士学位论文 1 )直接模拟法( d n s ，d i r e c tn 啪e r i c ms i m u l a t i o n ) 直接数值模拟方法是直接用瞬时的n a v i e r s t o k e s 方程对湍流进行计算。d n s 最 大的好处是无需对湍流流动作任何简化或近似，理论上可以得到相对准确的计算结 果。要对高度复杂的紊流运动进行直接的数值计算，必须采用很短的时