综合体项目空调系统CFD模拟介绍

1 CFD在暖通空调中的应用及其原理简介

1.1、CFD的应用

近年来，计算机技术飞速发展及应用极大的促进了众多行业的发展及进步，并带动了人们生活水平的进步。在与人居生活品质息息相关的暖通空调领域，CFD（计算流体力学）技术因其计算精度高，准确性好，可视性强等优点逐渐获得应用。

简单而言，该方法就是在计算机上进行虚拟实验：依据室内空气流动的数学物理模型，将房间划分为小的控制体，结合实际的边界条件在计算机上数值求解离散得到的代表整个房间内空气分布情况。就目前的理论预测室内温度场和气流组织分布的方法而言，CFD方法确实具有不可比拟的优点。CFD方法可应用于对室内温度场和气流组织分布情况进行模拟和预测，从而得到房间内空气各种物理量的详细分布情况。这对于保证良好的房间空调系统气流组织设计方案、室内热舒适性，提高室内空气品质以及减少建筑物能耗都有着重要的指导意义。

1.2、CFD在暖通空调设计中的应用流程

通过CFD进行数值计算以获取室内的温度场及气流的速度场可对室内末端选型及布置位置的合理性作出客观的评价。而在Fluent、Ansys CFX、PHOENICS、Star-CD等诸多CFD模拟软件中，Fluent以稳定性好，准确度高等，易于操作等优点获得了广泛的使用。因而本工程拟采用Fluent软件对室内的温度场及气流的速度场进行数值模拟以客观评价方案的合理性，CFD模拟在暖通设计中其主要工作原理流程详见图1：

图1 工作流程图

2 CFD模拟在本工程中的应用

2. 1 本工程选用房间简介

本项目CFD模拟依据设计情况，选用标准层房间作为研究对象，其平面布置详见图2，其长×宽×高：13.7m×7.8m×4.2m。使用Gambit软件建模，通过Fluent软件进行数值计算，进而获取冬夏季工况下，室内温度场分布及气流速度场分布，以客观评价室内末端的选型及位置布置的合理性。

图2 13-21层标准层平面图（层高4.2m）

2. 2 物理模型的建立

依据本工程的标准层平面图绘制物理模型图详见图3，利用Gambit软件对其进行网格划分，在风口处进行局部加密以获取更为精确的数值计算结果。

图3物理模型图

2. 3 数学模型的建立

2.3.1 控制方程

（1）质量守恒方程

式中，——空气密度，kg/m3；

、、——、、方向上的速度分量，m/s；其中，x、y为水平方向，z为竖直方向。

将空气视为不可压流动的流体，其密度视为常数，故连续性方程化可简为：

（2）动量守恒方程

在、、方向上的动量方程通式可以表示为：

式中，——、、方向的速度分量、、，m/s；

——有效扩散系数，kg/(s·m)；

——源项。

（3）能量守恒方程

式中，——源项；

——扩散系数。

可按照下式计算得到：

其中，由分子扩散造成，而由湍流脉动造成；

式中，——经验系数。

2.3.2 湍流模型

合理的湍流模型选取对获取精确的数值模拟结果而言至关重要，k –ε湍流模型与其他如SA湍流模型相比而言，具有计算量小、收敛快等优点，对于工程中常见的绕流和边界层流动，以及部分有回流区的流动，其计算结果与试验值吻合较好,因而是工程应用中首选的模型，因而本工程数值模拟采用k –ε湍流模型。

k –ε湍流模型

方程：

式中，——扩散系数；

——源项。

方程：

式中，——扩散系数；——源项。

2. 4 边界条件

本工程需对送风口，内墙及上下楼板外墙进行边界条件的设置，其详细参数设置如下：

送风口：速度入口，流速v=2.7m/s，送风温度设置如下：夏季27℃；冬季10℃；

内墙及楼板设置为定壁温条件，其温度取值如下：夏季27℃；冬季10℃；

外墙设置为恒热流密度，其热流密度取值如下：夏季20W/m2；冬季夏季25W/m2。

2. 5 模拟结果分析

2.5.1 夏季工况模拟结果分析

（1）速度场

对送回风口迹线进行截取，且截对断面风速进行截取，所得截图如图5~图9所示，从图中可以看出，空气流速随着与风口距离的增大而减小，即距离风口越近，空气流速越大。工作区空气流速较小，不会造成吹风感，舒适性较佳。

图4送回风空气迹线图

图5 送风口与回风口处房间速度断面图

图6 回风口水平方向与垂直方向房间速度断面图

图7 送风口水平方向与垂直方向房间速度断面图、2.2m处房间速度断面图

图8 送风口水平方向房间速度断面图

图9 房间T1-1轴送风口处房间速度断面图

（2）温度场

对断面温度进行截取，所得截图如图10~图14所示，从图中可以看出，靠近风口处室内气温较低，远离风口处温度稍高，室内工作区温度维持在22℃，室内舒适性较好，证明所选末端型号及布置位置较为合理。

图10 房间T1-1轴送风口处房间温度场分布图

图11 送风口水平方向与垂直方向房间温度场分布图、2.2m处房间温度场分布图

图12 回风口水平方向与垂直方向房间温度场分布图

图13 房间T1-1轴送风口处房间温度场分布图

图14 送风口水平方向房间温度场分布图

2.5.2冬季工况模拟结果分析

（1）速度场

对送回风口迹线进行截取，且截对断面风速进行截取，所得截图如图15~图19所示，从图中可以看出，与夏季工况类似，空气流速随着与风口距离的增大而减小，即距离风口越近，空气流速越大。工作区空气流速较小，不会造成吹风感，舒适性较好。

图15送回风空气迹线图

图16 送风口与回风口处房间速度断面图、2.2m处房间速度断面图

图17 回风口水平方向与垂直方向房间速度断面图

图18 房间T1-1轴送风口处房间速度断面图

图19 送风口水平方向房间速度断面图

（2）温度场

对断面温度进行截取，所得截图如图20~图24所示，从图中可以看出，靠近风口处室内气温较高，远离风口处温度稍低，室内多数区域温度维持在22℃，满足室内热舒适要求，证明所选末端型号及布置位置是合理的。

图20 房间T1-1轴送风口、2.2m处房间温度场分布图

图21 回风口水平方向与垂直方向房间温度场分布图

图22 送风口水平方向与垂直方向房间温度场分布图、2.2m处房间温度场分布图

图23 房间T1-1轴送风口处房间温度场分布图

图24 送风口水平方向房间温度场分布图

2. 5 模拟结果分析

通过对冬夏季室内温度场及气流组织进行数值模拟分析，可知本设计能较好满足人们对冬夏季工作区的室内温度要求。末端选型及位置布置较为合理。

3 室外机模拟分析

在空调安装的过程中，室外机的安装方案会影响室外机的通风效果，进而影响空调的整体性能。通过Fluent对室外机回风、排风 气流温度场进行数值模拟可确定室外机安装方案的可行性，从而验证空调室外机的布置的合理性以确保空调系统的稳定高效运行。

3. 1工程概况及计算模型

应河南销售公司申请，对伊川建业绿色基地进行气流组织分析，分析室外机回风、排风 气流温度场及安装可行性。根据销售公司提供的图纸，建立了进行气流分析的几何模型，其内容主要包括：

（1）机组型号：GMV-335WM/B、GMV-400WM/B、GMV-615WM/B。

（2）根据需求方提供的图纸，对 1#塔楼中的 22 层（避难层）设备平台的空调室外机作 气流组织分析。

（3）机组安装位置如图 22 所示，回风面靠近百叶侧，根据以往工程案列，百叶采用 “一”字百叶，水平方向投影长度为 80mm，间距 100mm，与水平方向夹角为 15°。

图 22 1#塔楼 22 层设备间平面示意图

（a）整体图

（b）局部图

图 23 仿真分析三维模型

3. 2 分 析 过 程

3.2.1 分析条件：

（1）外部大气环境温度在机组运行制冷模式时为 35℃，大气压力为 101.325KPa。空气 密度符合 boussinesq 假设，同时考虑空气重力及由于温差产生的浮升力。

（2）所有机组均处于制冷模式并且全负荷运行；

（3）大楼附件无其他热源或者障碍物、且仅考虑制冷模式冷凝器发热，不考虑压缩机、 电机、管路件等的发热及壳体对外传热；

（4）不考虑季风影响，认为周围环境无风、忽略太阳辐射、地面辐射传热的影响；

（5）机组出风温度 50℃，涉及机组相关参数见表 1：

表 1 机组参数设置

3.2.2 分析结果

图24 机组回风面温度云图

图 25 水平截面温度云图

图26 整体流线图

由图24-图26可知，机组回风温度与环境温度相差不大，所有机组平均回风温度与环境温 度接近。机组排风顺畅，不存在明显的气流组织短路、热气流堆积现象，机组整体回风环境 相对优良。

图27 机组平均回风温度

表 2 各机组平均回风温度统计

3. 3 分析结论

对于室外机机组的气流分析可以得到以下结论：

（1） 针对上述机组安装位置与百叶方案，各机组平均回风温度与环境温度接近，机组 排风顺畅，不存在明显的气流组织短路，回风环境相对优良；

（2） 因模拟的计算模型是对实际几何模型进行了一定简化，加上未考虑季风、低温天 气等诸多一些与实际偏差的因素，所以计算与实际情况会存在一定的偏差，故此 分析仅供参考；

（3） 本解析结果仅适用于上述格力空调产品且设备间无其它发热设备，如各项安装条 件出现变化则需重新进行气流组织分析。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/4ee8e1a211661ed9ad51f01dc281e53a5902510b.html