收稿日期 : 2007 - 10 - 291 基金项目 :嘉兴学院教改课题 (项目编号 : 85150725)资助。 作者简介 :杨学宾 (1977 - 　) ,男 ,山东安丘人 ,嘉兴学院建筑工程学院讲师 ,研究方向为建筑空调系统仿真与优化控制。 CFD在暖通空调专业课程教学中的应用初探 杨学宾 , 周湘江 , 罗义英 , 戚玉丽 , 王金良 , 吴晓燕 (嘉兴学院建筑工程学院 , 浙江嘉兴 314001) 摘 　要 : 根据暖通空调行业的国内外现状 , 结合嘉兴学院的课程设置 , 有必要在本科阶段开设选修课程 “CFD及其在暖通空调中的应用 ”。基于现有的模拟方法和常用软件 , 阐述了该课程设置的主要内容。从长 远的角度看 , 暖通空调专业的学生在本科期间初步掌握计算机模拟暖通空调系统的方法具有十分重要的 意义。 关键词 : CFD; 暖通空调 ; 教学 　中图分类号 : TU83 Prelim inary Approach to the Applica tion of Com puta tiona l Flu id D ynam ics in HVAC Spec ia lized Courses Teach ing YANG Xue - B in, ZHOU Xiang - J iang, LUO Yi - Ying, Q I Yu - L i, WANG J in - L iang, WU Xiao - Yan ( School of A rchitecture & Civil Engineering, J iaxing University, J iaxing, Zhejiang 314001) Abstract: In the light of the university’s curriculum and the HVAC industry status domestic and abroad, it is nec2 essary to open an elective course named CFD and itsApp lication in HVAC Industry. Based on current simulating meth2 ods and commonly used software, the main contents of the course are discussed in the paper. In the long run, it would be of great significance for the HVAC p rofessional undergraduate students to master the p relim inary method of HVAC system with computer simulation. Key words: CFD; HVAC; teaching research 文献标识码 : A1　文章编号 : 1008 - 6781 (2008) 03 - 0139 - 04 0　引言 目前毕业的建环专业的学生 , 与国外先进的设计咨询公司相比 , 普遍存在着缺乏暖通空调系统设 计思想和先进的设计分析手段。国内不少高校的暖通专业开设了 “Computational Fluid Dynam ics (CFD) 及其在暖通空调中的应用 ”或 “暖通空调计算机方法 ”等相关的课程。作为嘉兴学院新办专 业之一的建筑环境与设备工程专业 , 有必要在专业课程的教学中向学生引入 CFD , 并引导学生在暖 通设计中掌握初步的 CFD应用技术 , 以培养学生树立暖通空调系统概念的设计理念 , 对于就业去向 为设计咨询、设备开发、节能诊断与改造 ( ESCO) 等相关方向的学生尤为重要。 暖通空调系统中的概念设计 , 类似于所谓的 “虚拟产品开发 ” (V irtual Product Development, 简 称 VPD) [ 1 ] , 可以理解为在设计初期 , 对系统进行整体的描述 , 包括系统运行的可行性 , 目标成本 , 工程进度等等 , 其中对通风空调房间气流组织设计 , 室内空气品质研究 , 包括系统整个流场的速度、 温度分布进行初期的计算机模拟具有重要的地位。 1　暖通空调模拟方法 为制定出最佳的通风空调方案 , 暖通设计者希望在设计阶段就能预测室内空气流场、温度场、相 对湿度场等热力学参数的分布情况。而目前在暖通空调领域中采用的方法主要有 4种 : 射流公式法、 ZonalModel、模型实验和 CFD。 · 9 3 1· 第 20卷第 3期 2008年 5月 Vol. 20 No. 3 2008. 5 　　　　　 嘉兴学院学报 Journa l of J iax ing U niversity 　　　　　　 1) 射流公式法是最经济简单的室内空气分布预测方法 , 对于实际空调房间的复杂气流形式模拟 误差很大。2) ZonalModel模拟得到的实际上还是一种相对 “精确 ”的集总结果 , 且在机械通风中的 应用还存在较多问题。3) 模型实验是最可靠的方法 , 但是搭建实验模型耗资很大 , 周期很长 , 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。且它对于整个流场的速度、 温度分布缺乏全面深刻的了解 , 这些都限制了它的推广和使用。4) CFD利用流场控制方程 (质量守 恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程 ) , 把所计算的区域离散化 , 然后建立节点的离散方程 , 对流 动或传质传热进行数值模拟。通过计算机数值计算和图像显示 , 对包含有“三传 ” (传热、传质、动 量传递 ) 及燃烧、多相流和化学反应等相关物理现象进行分析处理。CFD具有模拟设备简单、投资 低、计算速度快、计算空间不受限制、完整的资料获取 , 并且可以模拟各种工况 , 是其他 3种方法所 不具备的。 [ 2 ] 2　计算机模拟软件介绍 目前 , 按使用步骤 , 计算机模拟软件主要分为 4大类 : 物理建模软件 (如表 1所示 ) , 网格划分 和生成软件 (如表 2所示 ) , 求解器软件 (如表 3所示 ) 及后处理软件 (如 O rigin、Tecp lot、Matlab、 FieldV iew等 )。如暖通空调的建筑节能分析软件 ; [ 3 ]清华大学编制的对室内空气流动进行数值模拟的 计算软件 STACH - 3。 [ 4 - 5 ] 表 1　目前常用的物理建模软件 软件名称 开发商 特点 AutoCAD Autodesk 精度高 , 草图处理灵活 ; 适于处理二维复杂流动问题 　　　　　　　　　 CAXA CAXA 使用方便 , 支持与 AutoCAD之间的直接转换 , 属于低端 CAD软件 　　　　 CATIA Dassault System 主要应用于航空航天领域 , 被应用于开发虚拟的原型机 ; 同时也是汽车工业 的事实标准 , 是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系统 　　　　　　 UG Unigraphics Solutions 拥有强固的档案转换工具 , 能转换各种不同 CAD应用软件的图文件 Solidworks Solidworks 三维 CAD设计软件 , 提供从现有二维数据建立三维模型的强大转换工具 , 能够直 接读取 DW G格式的文件 , 可将 AutoCAD的图形转换成 Solidworks三维实体模型 Pro / Engineer PTC 优势在于参数化建模 , 针对产品进行三维实体模型建立、结构分析以及模具设计 表 2　目前常用的网格划分和生成软件 软件名称 开发商 特点 ICEM - CFD Ansys 主要四个模块 : Tetra、Hexa、Global (笛卡尔网格划分软件 ) )、AutoHexa Gridgen Poinwise 功能强大 , 可以生成多块规则网格和非规则网格 ; 占内存较多 Gambit Fluent 可以导入 PRO /E、UG、CATIA、SOL IDWORKS、ANSYS、PATRAN等大多数 CAD /CAE软件所建立的几何和网格 ; PRO /E、CATIA等直接接口 ; 可为 FLUENT、 POLYFLOW、F IDAP、ANSYS等求解器生成和导出所需要的网格和格式 CFD - Geom CFDRC CFD - ACE +的前处理器 , 广泛用于半导体工艺、微电子与光学、 MEMS、燃料电池、航空航天等方面的模拟 　　　　　　 Patran M sc 包含多种网格划分器 : 快速曲面网格划分器、自动实体单元网格划分器、映射 网格划分器和扫略网格生成器等 　　　　　　　　　 CFX - build Ansys 基于 Patran的非结构网格划分软件 Hypermesh A ltair 一个高效的有限元前后处理器 , 能够建立各种复杂模型的有限元和有限差分 模型 , 与多种 cad和 cae软件有良好的接口并具有高效的网格划分功能 　　　　 TrueGrid XYZ Scientific App lications 可方便、快速生成高质量六面体和四面体网格单元 ; 强大便捷的投影处理方 式 ; 通过多块结构方式产生高质量的网格划分 　　　　　　 3　暖通空调专业内容设置 嘉兴学院建筑环境与设备工程专业的课程设置如表 4所示。专业主干课 “暖通空调 ”, 只讲授空 · 0 4 1· 　　　　　　　 　　　　嘉兴学院学报 　　　　　　 　　　　　　　　　第 20卷第 3期 气调节部分的内容 , 通风的相关内容在 “工业通风 ”课中进行讲解。 表 3　目前常用的求解器软件 软件名称 开发商 特点 PHOEN ICS CHAM 以低速热流输运现象为主要模拟对象 ; 采用标准 ANSI FORTRAAN77语言 ; 可读入任何 CAD软件的图形文件 ; 暖通计算模块 FLA IR FLUENT FLUENT 采用 C /C ++语言编写 ; 包含三种算法 : 非耦合隐式算法、耦合显式算法、 耦合隐式算法 ; 专用版本分为用于电子设备冷却的 ICEPAK、 用于空调分析的 A IRPAK、用于化工搅拌的 M IXSIM等 STAR - CDComputational Dynam ics 采用完全非结构化网格生成技术 ; 可以完全在 Pro /E 、SolidWorks、 UG、Catia等 CAD软体操作界面下使用 CFX AEA Techology 采用全隐式多网格耦合算法 ; 为用户提供了表达式语言 (CEL) 及 用户子程序等不同层次的用户接口 , 允许用户加入自己的特殊物理模型 ; 可运行于 UN IX, L INUX和 W INDOW S平台上 F INE NUMECA F INE /TURBO用于内部流动 , F INE /AERO用于外部绕流 , F INE /HEXA可用内部 或外部流动 , 但为非结构自适应网格 ; 计算速度快、精度高、所需内存少、 使用方便、界面友好 　　　　　　　　　　　　　 Fluent PolyFlow FLUENT 采用有限元法 ; 专用于粘弹性材料的流动模拟 ; 主要具有广义牛顿模型 ; 屈服应力模型 ; 粘弹性模型 (拥有多种可扩展的特性 ) 三种 　　 CFDRC CFD Research Corporation 接口较差 Cosmos SRAC 可以与 Pro /E、Solidworks、Solid Edge、Eureka Gold、M icro Station、 Mechanic Desktop无缝集成或应用标准格式读入 　　　　　 CFDesign B lue R idge Numerics B lue R idge Numerics Pro /E的一个插件 ANSYS ANSYS 与多数 CAD软件接口 , 如 UG、Pro /E、NASTRAN、A logor、 I - DEAS、AutoCAD等 表 4　嘉兴学院建筑环境与设备工程专业的课程设置情况 类别 课程名称 专业基础课 工程热力学、传热学、流体力学、建筑环境学 专业平台课 流体输配管网、热质交换原理与设备 专业主干课 暖通空调、空调冷热源、建筑自动化、工业通风、供热工程、空调用制冷技术 其他专业课 建筑设备施工技术与组织、暖通空调设计方法与系统分析、锅炉与锅炉房设备、燃气供应、 建筑电气、建筑给水排水工程、建筑设备安装工程经济与管理 (暖通空调 )、建筑设备 CAD 设计训练环节 课程设计、毕业设计 实习实践环节 认识实习、生产实习、毕业实习 4　专业课程中 CFD的应用探索 根据课程设置及课时数的限制 , 学生只能涉及到用 CFD求解某个例题 , 而不能掌握独立应用 CFD进行暖通空调系统的概念设计。因此 , 根据本专业课程设置的特点 , 针对数学基础较好的本科 学生 , 有必要开设选修课 “CFD及其在暖通空调中的应用 ”。 开设选修课 “CFD及其在暖通空调中的应用 ”或 “暖通空调计算机方法 ”, 课程的主要内容可设 置为如表 5所示。 5　结束语 CFD应用于暖通空调系统中 , 在国外已有非常普遍的应用 , 如食品冷冻冷藏 [ 6 ] , 计算机房气流 组织 [ 7 ] , 大型体育馆的流场、温度场和能耗模拟 [ 8 ] , 风与建筑物相互作用的流场分析 [ 9 ]等等。 虽然在很多未知的空调系统中 , 计算机仿真的结果与实际值偏差较大 , 但在同一气候区或近似工 况 , 根据已有的经验修正后的计算机模拟 , 其结果十分接近真实值。如美国 Trane公司开发的轻型商 · 1 4 1· 杨学宾 , 周湘江 , 罗义英 , 等 : CFD在暖通空调专业课程教学中的应用初探 表 5　“CFD及其在暖通空调中的应用 ”主要教学内容 序号 授课内容 学时数 1 能量方程、流体运动的描述 2 2 多维流动基本控制方程、边界层与物体阻力 2 3 区域离散化与建立有限差分离散方程的方法 2 4 二维流动与传热的数值计算 2 5 三维流动与传热的数值计算 2 6 用 GAMB IT建立计算模型 2 7 上机实习 2 8 划分网格与定义边界条件 2 9 建立求解模型、选取求解器、设置材料属性和初始条件 2 10 上机实习 2 11 求解控制、后处理 2 12 上机实习 2 13 不同送回风方式空调房间内温度场、流场的 A irpak仿真举例 3 14 上机实习 3 15 讲座 : CFD技术在国内外暖通空调行业中的应用前景 2 用中央空调仿真软件 , 其模拟结果与实验结果已经非常接近 , 以至于对空调的性能实验显得不再重 要。这不得不引起我们的深思 , 尤其是从事暖通空调专业的教育工作者。 在暖通空调专业的本科阶段 , 引导学生初步掌握计算机模拟的方法 , 分析系统的流场、温度场或 者进行系统的能耗分析 , 以此指导后期设计、施工以及节能等 , 为学生今后走上工作岗位打下一定的 技术基础。同时 , 也缩短了与日本、美国等发达国家暖通空调设计行业的技术差距 , 为我国的建筑节 能事业做出贡献。 　　参考文献 : [ 1 ] 龚光彩 1 CFD技术在暖通空调制冷工程中的应用 [ J ]. 暖通空调 , 2002, 29 (6) : 25 - 271 [ 2 ] 陶文铨 1数值传热学 [M ]. 西安 : 西安交通大学出版社 , 1995: 11 - 571 [ 3 ] 周良 , 张国强 , 彭建国 , 等. 建筑节能及暖通空调仿真软件的现状和发展 [ J ]. 湖南大学学报 , 2000, 27 (6) : 103 - 1081 [ 4 ] 赵彬 , 李先庭 , 彦启森. 用零方程湍流模型模拟通风空调室内的空气流动 [ J ]. 清华大学学报 , 2001, 41 (10) : 109 - 　　1131 [ 5 ] 赵彬 , 李先庭 , 彦启森. 用 CFD方法指导通风空调设计 [ J ]. 制冷与空调 , 2001, 1 (5) : 11 - 151 [ 6 ] N1J1 Smale, J1 Moureh, G1 Cortella1 A review of numerical models of airflow in refrigerated food app lications [ J ]. 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