Fluent軟件的技術特點及其在暖通空調領域的應用

趙琴

（.西華大學能源與環境工程系）

摘要 介紹了計算流體動力學（CFD）技術的一般結構，著重闡述了商用CFD軟件中市場占有率最大的FLUENT軟件的主要特點，并舉例說明FLUENT在暖通空調領域中的應用，以傳統壁掛式空調環境下的氣流組織為例，用該軟件進行數值模擬，分析室內溫度場的變化情況。

關鍵詞 CFD技術 FLUENT軟件 暖通空調

Technical Characters and Application of FLUENT in the HVAC engineering field

Abstract As a commercial CFD software with good universality the FLUENT code used extensively. This paper gives a brief introduction its chief characters and application in the HVAC engineering field, then simulates the temperature field for traditional air conditioners by FLUENT.

Keywords CFD technique FLUENT software HVAC

1．CFD技術概況

CFD(Computational Fluid Dynamics)即計算流體動力學是20世紀60年代起伴隨計算機技術迅速崛起的學科，經過半個世紀的迅猛發展，這門學科已經相當成熟。各種CFD通用性軟件包陸續出現，成為商品化軟件，為工業界廣泛接受，性能日趨完善，應用范圍不斷擴大，廣泛應用于熱能動力、航空航天、機械、土木水力、環境化工等諸多領域，暖通空調行業是CFD技術應用的重要領域之一。

各種CFD通用軟件的數學模型的組成都是以納維-斯托克斯方程組與各種湍流模型為主體，再加上多相流模型、燃燒與化學反應流模型、自由面模型以及非牛頓流體模型等。大多數附加的模型是在主體方程組上補充一些附加源項、附加輸運方程與關系式。隨著應用范圍的不斷擴大和新方法的出現，新的模型也在增加^[1]。

CFD數值求解方法主要有有限差分法、有限單元法、邊界元法以及有限分析法。其中以有限差分法和有限單元法為主。有限差分法從微分方程出發，將計算區域經過離散處理后，近似的用差分、差商來代替微分、微商，這樣微分方程和邊界條件的求解就可以歸納為一個線形代數方程組的數值求解。空調室內的流場、溫度場和濃度場的數值模擬，長期以來幾乎全部采用有限差分法。有限單元法汲取了有限差分法中離散處理的內核，同時又繼承了變分計算中選擇試探函數并對求解區域積分的合理方法。在有限單元法中，試探函數的定義和積分范圍不是整個區域，而是從區域中按實際需要劃分的單元。經過比較發現對于邊界形狀較規則的研究區域如矩形區域，二者模擬效果相同；而對于邊界形狀較復雜的區域，有限單元法模擬效果更好。目前大多數的商用CFD軟件都采用的是有限單元法。

此外，CFD軟件都配有網格生成（前處理）與流動顯示（后處理）模塊。網格生成質量對計算精度與穩定性有很大的影響，因此網格生成能力的強弱是衡量CFD軟件性能的一個重要因素。網格分為結構性網格和非結構性兩大類。目前廣泛采用的是結構性網格。對于較復雜的求解域，構造結構性網格時要根據其拓撲性質分成若干子域，各子域間采用分區對接或分區重疊技術來實現。非結構性網格不受求解域的拓撲結構與邊界形狀限制，構造起來很方便，而且便于生成自適應網格，能根據流場特征自動調整網格密度，對提高局部區域計算精度十分有利。但是非結構性網格所需內存量和計算工作量都比結構性網格大很多。因此，兩者結合的復合型網格是網格生成技術的發展方向。目前，FLUENT軟件（后面要專門介紹）已具有這種功能。

CFD軟件的流動顯示模塊都具有三維顯示功能來展現各種流動特性，有的還能以動畫功能演示非定常過程。盡管流動顯示與流場計算沒有內在聯系，但為方便用戶，流場計算的輸出端應與圖形處理軟件方便連接。FLUENT軟件的后處理模塊做的比較好。

下面具體針對目前市場占有率最高的FLUENT軟件闡述其應用。

2．FLUENT軟件的主要特點

CFD通用軟件包的出現與商業化，對CFD技術在工程中應用的推廣起了巨大的促進作用。1998年，全球市場占有率最高的CFD軟件——FLUENT正式進入中國市場，為目前CFD主流商業軟件，其市場占有率達40%左右。

FLUENT軟件設計基于“CFD計算機軟件群的概念”，針對每一種流動的物理問題的特點，采用適合于它的數值解法以在計算速度、穩定性和精度等方面達到最優^[2]。

FLUENT軟件的結構由前處理、求解器及后處理三大模塊組成。FLUENT軟件中采用GAMBIT作為專用的前處理軟件，使網格可以有多種形狀。對二維流動可以生成三角形和矩形網格；對于三維流動，可以生成四面體、六面體、三角柱和金字塔等網格；結合具體計算，還可以生成混合網格，其自適應功能，能對網格進行細分或粗化，或生成不連續網格、可變網格和滑動網格。FLUENT軟件采用的二階上風格式是Barth與Jespersen針對非結構網格提出的多維梯度重構法（multi-dimensional gradient reconstruction），后來進一步發展，采用最小二乘法估算梯度，能較好的處理畸變網格的計算。FLUENT率先采用非結構網格使其在技術上處于領先。

FLUENT軟件的核心部分是納維-斯托克斯方程組的求解模塊。用壓力校正法作為低速不可壓流動的計算方法，包括SIMPLE、SIMPLER、SIMPLEC、PISO等。采用有限體積法離散方程，其計算精度和穩定性都優于傳統編程中使用的有限差分法。離散格式為對流項二階迎風插值格式——QUICK格式（Quadratic Upwind Interpolation for Convection Kinetics scheme），其數值耗散較低，精度高且構造簡單。而對可壓縮流動采用耦合法，即連續性方程、動量方程、能量方程聯立求解。

湍流模型是包括FLUENT軟件在內的CFD軟件的主要組成部分。FLUENT軟件配有各種層次的湍流模型，包括有代數模型、一方程模型、二方程模型、湍應力模型、大渦模擬等。應用最廣泛的二方程模型是k-ε模型，軟件中收錄有標準k-ε模型及其幾種修正模型。

FLUENT軟件的后處理模塊具有三維顯示功能來展現各種流動特性，并能以動畫功能演示非定常過程，從而以直觀的形式展示模擬效果，便于進一步的分析。

該軟件的使用步驟如下圖。

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確定邊界尺寸 確定邊界類型 生成網格 輸入邊界條件

FLUENT主程序 序解析

FLUENT主程序 序解析

計算結果可視化

圖1 FLUENT軟件應用流程

3．FLUENT在暖通空調中的應用

空調設計的最終目的是以經濟技術合理的系統設計以及設備選型實現所要求的室內氣候環境（溫度、氣流、污染物濃度等的分布）。為實現對這些環境參數的合理控制，有必要把握其分布特征，CFD是除模型實驗以外的可詳細解析三次元室內氣流分布特征的唯一手段^[3]。

以傳統壁掛式空調室內氣流組織為對象，用FLUENT軟件對其溫度場進行數值模擬計算。

-> 1模型的建立

設定空調的原始參數如下：

幾何尺寸：770mm×240mm×180mm

出風角度：45°出風速度：強風送風6m/s

制冷（熱）量：2500W

出風溫度：制冷時18oC，制熱時40oC

根據已知參數，建立適當的房間有限元模型。為使結果盡可能接近真實情況，建立房間三維立體模型，長、寬、高分別為5m、4m、3m。空調

安裝在房間的窄面。簡化的人體模型置于房間中央， 圖2 三維空調房間模型

坐姿狀態，本身不發熱，房間內部無任何熱源。圖2為在GAMBIT中作的三維空調房間模型。

邊界條件設定為：房間6面墻絕熱，制冷時室內初始溫度為30oC，制熱時為5oC。

采用整體（integral）連續網格結構，運用GAMBIT生成網格，計算網格數為35000。采用k-ε湍流模型，計算時采用一階非穩態分離計算，考慮重力影響，方程組求解用SIMPLE算法。

2計算結果

下組圖給出了空調安裝高度為2.5m時，制冷時室內中截面溫度場的分布隨時間變化的情況。

--><圖3 制冷時房間中截面某時段溫度分布

用后處理的顯示功能可以清楚直觀的再現該降溫過程，產品設計人員可以在此基礎上針對人體區域的變化情況，作出評價。發現人體垂直方向上存在溫度梯度，頭部比腳部溫度高，這是由于冷空氣較熱空氣密度大，向下趨勢明顯，從而導致房間下部要比高處降溫快。溫度差會造成人體局部性熱感不適，隨著時間推移溫度梯度逐步漸小，當溫度場到達穩定狀態時，頭部比腳部溫度高出2oC，滿足國際通用的舒適度指標PMV與PPD^[4]提出的人體舒適工作條件的最高溫差為3oC。

圖4給出了當空調處于制熱過程時某一時刻中截面的溫度分布，由于熱空氣上升，天花板處溫度較高，人體垂直方向上溫度的分布情況見圖5。

圖4 制熱時某一時刻中截面溫度分布 圖5 人體區域垂直

4． 結論

本文介紹了CFD技術的一般結構以及發展狀況，分析了作為主流CFD軟件——FLUENT軟件的主要特點，最后舉例說明了其在暖通空調領域中的應用。利用商用軟件進行計算是科學研究和工程設計中一項重要手段，用FLUENT作流體分析無需編程，這樣能將大量的時間從編程這樣的操作性工作中節省出來，使人們有更多的時間和精力考慮問題的物理本質，優化算法選用、參數的確定，大大提高工作效率。

參考文獻

[1]姚征，CFD通用軟件綜述[J]，上海理工大學學報，2002，（2）

[2]李勇，介紹計算流體力學通用軟件—FLUENT[J]，水動力學研究與進展，2001，（2）

[3]張智力，吳喜平，CFD基本算法及其在暖通空調領域中的應用[J]，能源技術，2002，（2）

[4]湯廣發等，室內氣流數值計算及模型試驗[M]，長沙：湖南大學出版社，1989