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計算流體力學(CFD)在暖通空調領域的應用及其改進方法探討

更新時間:2025-02-14 點擊量:116

計算流體力學(CFD),自20世紀70年代起,便開始在暖通空調領域嶄露頭角。這一技術最初主要應用于解決工程設備中的熱、質傳遞問題,而隨著空調技術的不斷進步,CFD技術逐漸成為了暖通空調工程師手中不可少的分析工具。它能夠精準地模擬房間內的速度場、溫度場以及污染物濃度場,為設計師們提供了前所wei有的設計優化和性能評估手段。

CFD技術的基礎在于求解一系列守恒方程,包括質量守恒、動量守恒和能量守恒。這些方程共同描述了流體在特定條件下的流動和傳熱行為。在暖通空調領域,CFD技術的應用尤為廣泛,其中SIMPLE算法(由斯波爾丁和帕坦卡提出)更是成為了行業內的主流選擇。SIMPLE算法以其高效、穩定的特性,在求解傳熱和流體流動問題上展現出了優良的性能。


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(恒溫恒濕空調、精密空調)


然而,盡管CFD技術在暖通空調領域取得了顯著的成就,但它仍存在一些局限性。特別是在處理與潛熱和相對濕度相關的空氣參數時,傳統的CFD方法顯得力不從心。這是因為現有的CFD軟件大多由力學、化工和工程熱物理領域的專家開發,他們在設計軟件時往往沒有充分考慮到暖通空調領域的特殊性。在暖通空調中,空氣參數如溫度、濕度等都與潛熱和相對濕度密切相關。如果忽略這些因素,必然會導致溫度場計算的不準確,進而影響到對各點舒適性和空氣品質的評價。

為了克服這一局限性,筆者提出了一種新的方法,即利用焓的輸運方程代替傳統的溫度輸運方程,并增加水蒸氣質量濃度的輸運方程。通過這一改進,我們可以使用CFD方法同時求解速度場、壓力、焓以及水蒸氣質量濃度。隨后,利用濕空氣的物理性質,我們可以輕松得到空氣的溫度和相對濕度。這一方法不僅提高了計算的準確性,還使得我們能夠更全面地了解計算區域內的空氣狀態。


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接下來,讓我們通過一個具體的工程實例來展示這一方法的實際應用效果。某工程采用了椅背誘導送風系統,椅子按階梯布置,每級階梯的寬度和高度差都經過精心設計??諝饨涍^空調箱處理后,從椅子下方送入,并與從椅子靠背下方風口誘導進來的空氣混合。混合后的空氣再從上邊風口送到后排觀眾的周圍。在這一工程中,我們分別使用傳統方法和改進后的CFD方法進行了模擬計算。

計算結果顯示,當只考慮顯熱時,計算得到的溫度場分布與實際情況存在一定偏差。特別是在觀眾席的某些區域,溫度的計算值比實際值高出了0.5~1℃。而當同時考慮潛熱和相對濕度時,計算得到的溫度場和相對濕度分布則更加接近實際情況。這一結果表明,改進后的CFD方法在提高計算準確性方面取得了顯著成效。



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此外,通過對比兩種方法的計算結果,我們還可以發現一些有趣的現象。例如,在某些區域,雖然溫度的計算值相差不大,但相對濕度的差異卻十分顯著。這進一步證明了在考慮暖通空調問題時,同時考慮潛熱和相對濕度的重要性。

綜上所述,CFD技術在暖通空調領域的應用前景廣闊。然而,為了充分發揮其潛力,我們需要不斷對其進行改進和完善。通過引入焓的輸運方程和水蒸氣質量濃度的輸運方程,我們可以克服傳統CFD方法在處理潛熱和相對濕度方面的局限性。這一改進不僅提高了計算的準確性,還為我們提供了更全面、更深入的了解室內空氣狀態的手段。未來,隨著CFD技術的不斷發展和完善,相信它將在暖通空調領域發揮更加重要的作用。



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