CFD技术在制冷领域流场优化设计中的应用
吴 天
（上海海洋大学食品学院，上海 200090）
摘要 近年来，计算流体力学（CFD）技术随着计算机科学和流体力学理论的发展而在工业各领域得到广泛使用。本文对CFD技术作了简单介绍，并对其在制冷领域的流场优化设计中的应用作了综述。相信随着科学技术的进一步发展，CFD将在更多方面得到更广泛应用。
关键词 计算流体力学（CFD） 制冷 流场优化设计 数值模拟
APPLICATION OF CFD ON OPTIMIZING DESIGN OF FLOW FIELD IN
REFRIGERATION FIELD
WU Tian
(Food Science College , Shanghai Ocean University, Shanghai 200090) ABSTRACT Computational fluid dynamics（CFD）has been used extensively in many fields of industry along with the development of the computer science and fluid mechanics theory recently. In this paper, CFD technology is introduced simply and its application on optimizing design of flow field in refrigeration field is surveyed. It is believed that CFD would get more extensive use in more aspects
with a further development of science and technology.
KEYWORDS computational fluid dynamics (CFD) refrigeration optimizing design of flow field numerical simulation
前言
CFD是计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）的英文缩写，它是在经典力学，数值计算方法和计算机技术基础上建立起来的新型学科。它运用流体动力学的基本原理和“三传方程”（传热，传质，动量传递），通过建立数学物理模型，根据提供的边界条件和数据参数，可以对速度场、温度场、压力场等诸多物理量进行仿真模拟。CFD分析研究可以提供工程设计、生产管理、技术改造所必需的参数，如散热损失、压力损失等；以及各种现场可调节量对这些综合参数的影响规律；还可以提供流动区域内精细的流场、温度场，及通过对这些场量的分析，发现现有装置或设计中存在的不足，为创新设计、改造设计提供依据。
制冷领域是CFD技术应用的重要领域之一，运用CFD技术对空调、冷库、冷柜中的流场进行模拟，可以使设计结果有一个直观的显示，并通过对计算模拟结果的分析评价制冷装置设计的合理性，同时也可以对设计方案进行优化，以获得更合理的数据。在我国制冷界，CFD的应用尚处于起步阶段。目前，我国制冷领域对CFD的应用研究主要集中在以下几个方面：（1）通风空调设计方案优化及预测；（2）冷库库房及制冷设计的CFD分析；（3）传热传质设备的CFD分析；（4）射流技术的CFD分析；（5）流体机械及流体元件的CFD分析（6）建筑热环境的CFD评价预测等[1]。
1 CFD技术的介绍
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1.1 CFD技术的介绍
CFD使用的方法是对所需分析的问题先抽象出其流场的控制方程，然后再用数值计算
的方法将其离散到一系列空间网格节点求其离散值的一种方法。控制所有流体流动的基本规律是：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律，由它们可以分别导出连续性方程、动量方程和能量方程，得到纳维尔一斯托克斯偏微分方程组，简称为N—S方程组。N—S方程组是流体流动所必需遵守的普遍规律。在守恒方程组基础上，加上反映流体流动特殊性质的数学模型和边界条件、初始条件，构成封闭的方程组来数学描述特定流场、流体的流动规律。
CFD数值求解方法主要有有限差分法、有限容积(控制容积)法、有限元法、边界元法、有限分析法等。其中有限容积法由于继承了有限差分法的丰富格式，具有良好的守恒性，又能如有限元法那样采用各种形状的网格以适应复杂的边界几何形状，而相比有限元法又简便得多，因此大部分CFD软件都采用有限容积法解决问题。
1.2 CFD技术的优点
与传统的实验研究相比，CFD技术具有极大的优势，具体归纳如下：
(1) CFD可以获得对流体流动，质量能量传递等过程的深入细致的描述；
(2) 可以大大节省研究设计所花的时间及成本；
(3) CFD可以用在那些无法实现测量的场合，如高温、危险的环境；
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(4) CFD允许改变实验条件、参数，以获得在一般实验中很难得到的大量信息资料[2]；
(5) 在传统开发环境中，大量的创新思路或设想难以验证，而在CFD技术辅助开发环境中，新设想的验证变得容易，设计者和工程师们直接利用CFD技术分析验证他们的新想法，因此有助于进行技术创新。
2 CFD在制冷领域流场优化设计中的应用
2.1 CFD在暖通空调流场优化设计中的应用
空调设计的最终目的是以合理的系统设计及设备选型实现所要求的室内气体环境（温湿度、气流、污染物质浓度等指标）。实现对这些环境参数的合理控制，有必要把握其流场的分布特征。现代空调越来越多地考虑到人体舒适性的要求，而人体舒适性从流场的角度考虑就是要求流场的均匀，比如要求在人体所在的区域里，风速均匀控制在一定数值内，避免气流过猛给人体带来的不舒适感；要求整个流场区域温度场分布均匀，尤其是人体附近区域温度场，避免人体各部分温差过大产生不适。这就需要对气流组织进行设计。所谓气流组织设计，就是在空调房间内合理地布置送风口和回风口，组织通风空调室内的空气流动，使得经过净化和热湿处理的空气，合理地送入室内，在扩散与混合的过程中，均匀地消除室内余热余湿，从而使工作地区具有舒适和满意的空气分布，如均匀而稳定的温度、湿度、气流速度和洁净度，以满足人体舒适的要求。
在传统的室内气流组织设计中，往往采用经验和实验及简单的理论分析来完成设计工作，凭经验对送风口，回风口和室内热源等因素进行单纯的合成（即线性近似），这存在较大的误差，而试验又会带来极高的成本。CFD的应用则可以很好地解决这些问题，由于CFD软件可以相对准确地给出流体流动的细节，如速度场、压力场、温度场或浓度场分布的时
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变特性，因而很容易在对流场的分析中掌握室内气流的构造、分布特征，为合理的系统设计及设备选型提供有益的参考资料。春兰集团陶建兴等人用STAR-CD对使用某型号四面出风式壁挂空调器的房间的温度场进行了分析，并与传统出风壁挂空调器流场作对比。在模拟研究中发现采用四面出风式壁挂空调器的房间温度场均匀，且左右对称，在人体所处区域，风速小于人敏感的0.5m/s，可以保证房间温度控制的精确性。研究还表明，通过STAR-CD模拟房间温度场，结果直观，对于指导产品设计有重要作用[4]。金泰木等使用有限元分析软件ANSYS5.6.1版本的多物理场分析中的流体计算模块作为模拟分析平台，对列车车厢硬卧包间送风情况进行计算模拟和分析。在模拟中选择了k-ε模型，通过计算模拟发现采用包间行李台侧隐式风口条缝贴附顶板侧送风的方案时，包间内温度场较均匀，且铺位两端风速对头部的影响较小 [5]。董玉平等利用FLUENT公司推出的AIRPAK2.1对天津国际展览中心扩建工程B展厅高大空间建筑空调方案进行了模拟研究，预测其空调系统的热舒适性与气流组织，模拟预测了展厅的气流组织，得出展厅基本能满足人体舒适性要求，气流组织设计合理。分析研究证明CFD模拟预测方法是有效的，验证和指导设计是切实可行的[6]。从上述实例看出，CFD已在空调领域流场分析中得到广泛的应用。
2.2 CFD在冰箱流场优化设计中的应用
近年来，随着人们生活水平的提高和环保意识的增强，对冰箱的要求不再仅仅停留在冷藏上，而从冰箱耗电和食品的保鲜角度向厂家提出了更高的要求。节能、环保和方便使用将是冰箱发展的主要方向，而其中节能是冰箱产品竞争力中的最主要因素。目前许多企业在设计冰箱时采用的还是传统的经验设计方法，其缺点是耗时费力。而如果使用CFD技术对冰箱系统中部件的传热、气体的流动进行模拟，并在此基础上采取一些措施来优化装置，就可以提高性能及效率。
流场的优化是冰箱设计中的重要问题，因为食品的保鲜质量直接取决于箱内空气流场
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和温度分布，而冰箱耗电量则与箱内温度场密切相关。流场的具体信息既不能由代数方程计算得到，而通过实验测得工作量又太大，并且实验中需布置的传感器又会在一定程度上破坏流场。这使得CFD方法得到广泛使用。凌长明和陶文铨针对冰箱从起动到周期性非稳态运行这一非稳态自然对流进行了二维数值模拟，以冰箱外表面温度及两个蒸发器温度为边界条件，给出了直冷式冰箱在周期性非稳态工况下速度场和温度场的数值计算结果[7]。丁国良使用有限元程序，对冰箱内部的二维稳态空气流场进行了模拟，研究了冰箱热负荷、内部隔板与蒸发器及门之间的间距、内部隔板的导热系数对箱内温度分布与流场的影响[8，
9]。由于二维流场不能准确地反映冰箱内部空气的流动情况，杨沫、俞炳丰等人也意识到这
一点，他们对冰箱箱内三维流场作了分析。其中杨沫对冰箱内的流动和换热建立了物理和数学模型，并对冰箱功能室内流动与换热的物理模型进行一些假设，采用控制容积积分法对微分方程组进行离散，应用SIMPLE算法处理压力和速度的耦合，对流一扩散项的离散采用乘方格式，计算结果和实验值吻合较好[10，11]。俞炳丰以某厂生产的BD-180冷冻箱为研究对象，在对制冷系统进行模拟的基础上，实现了冷冻箱内部三维速度场、压力场、温度场的整体求解，并对蒸发器的布置方式进行了优化设计[12]。Alessandro Rebora和Luca A.Tagliafico从数值计算的角度，采用ANSYS软件，用有限元方法分析冰箱内置式换热器的主要几何和物理特征对性能和换热量的影响。得到如下结论：冷凝器的传热特性与蒸发器的传热特性是的，互不干扰；增加与蒸发器相连的铁板的厚度会改善冰箱性能[13]。综上所述运用CFD方法对冰箱箱内流场进行模拟，并根据计算模拟的结果对冰箱结构做出优化调整，可使冰箱各方面性能如节能性，食品保鲜度等得到进一步提高。
2.3 CFD在食品冷冻冷藏领域流场优化设计中的应用
冷冻冷藏使食品中微生物的活动和酶的生化反应得到抑制，可以更好地保证食品的质量和安全，并延长食品的贮藏时间和货架期。随着人们生活水平的日益提高，对冷冻冷藏食品的质量要求也越来越高，近年来冷藏链的提出和发展，使得食品冷冻、冷藏过程的研
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究拓展到了整个冷藏链的各个环节。CFD在食品冷冻冷藏方面的研究近年来也非常活跃。Mittal和 Mallikarjunan模拟了肉制品的冻结过程[14]。Moureh和Derens对在冷链配送过程中采用托盘包装的冻结食品的升温状况进行模拟研究[15]，冷冻冷藏装置中气流组织的合理性对冷藏冷冻食品的品质保证起着关键的作用。在食品冷藏冷冻装置设计制造前，运用CFD技术对其流场分布进行模拟，根据模拟结果对冷却设备进行优化设计，可以大大提高装置的效率。Baleo等对陈列柜风幕的空气流动情况进行了模拟[16]；Stribling D等人建立了冷藏陈列柜的二维CFD模型，在此基础上研究了柜内气流场和传热机理[17]。由于大空间的强紊流情况复杂，CFD在冷库中的应用相对较少，胡浩等人建立了水果气调库库内气体流动、传热和传质的非稳态数学模型，采用SIMPLE算法进行求解，对水果气调库的降温、降氧等非稳态过程进行了数值模拟[18]。总的来说，利用CFD技术，可以得到较详细的流场信息，在此基础上对装置设备进行优化、对相关参数进行调整，可以获得更佳的气流组织、大大提高冷冻冷藏食品的质量。
2.4 CFD方法在制冷其他方面的应用
CFD在制冷领域其他方面也有较广泛的应用。Zehua-Hu和Da-Wen-Sun用CFD方法分析了吹风冷却熟火腿过程中的传热传质情况，从而达到预测冷却速率及干耗情况的目的，模拟结果与实测值有较好的一致性[19]。张桂先等对建筑物双层换气幕墙的传热特性进行了全面的分析，运用CFD紊流new k-ε模型对双层换气幕墙热通道的温度场、速度场、压力场进行了模拟计算，最终得出热通道空气层的对流换热系数和双层换气幕墙的整体传热系数
[20]。总之，随着计算机技术和流体力学理论的不断发展，CFD将在更多方面得到广泛使用。
3.CFD在制冷领域应用的前景
目前，CFD技术在我国制冷领域尚处在起步阶段，现阶段尚有大量工作要做，主要有
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如下几个方面：
(1)继续加强算法理论方面的基础研究；
(2)需要对CFD关联的数据库作进一步的统一，提高使用效率，如加强与CAD数据的连接以提高其通用性。
(3)解析结果和实测的验证：CFD的解析结果应尽可能通过实测进行验证，反馈于软件的完善，以期进一步提高解析精度。
尽管CFD技术还存在一些不足，作为一种新技术，CFD必然随着科技的发展而不断趋于成熟，将在工程问题的分析、技术改造的评价、生产管理的指导等方面得到更多的应用，也必将对我国制冷领域的发展起到极大的促进作用。
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