Fluent软件的技术特点及其在暖通空调领域的应用

赵琴

（.西华大学能源与环境工程系）

摘要 介绍了计算流体动力学（CFD）技术的一般结构，着重阐述了商用CFD软件中市场占有率最大的FLUENT软件的主要特点，并举例说明FLUENT在暖通空调领域中的应用，以传统壁挂式空调环境下的气流组织为例，用该软件进行数值模拟，分析室内温度场的变化情况。

关键词 CFD技术 FLUENT软件 暖通空调

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技术概况

CFD(Computational Fluid Dynamics)即计算流体动力学是20世纪60年代起伴随计算机技术迅速崛起的学科，经过半个世纪的迅猛发展，这门学科已经相当成熟。各种CFD通用性软件包陆续出现，成为商品化软件，为工业界广泛接受，性能日趋完善，应用范围不断扩大，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水力、环境化工等诸多领域，暖通空调行业是CFD技术应用的重要领域之一。

各种CFD通用软件的数学模型的组成都是以纳维-斯托克斯方程组与各种湍流模型为主体，再加上多相流模型、燃烧与化学反应流模型、自由面模型以及非牛顿流体模型等。大多数附加的模型是在主体方程组上补充一些附加源项、附加输运方程与关系式。随着应用范围的不断扩大和新方法的出现，新的模型也在增加^[1]。

CFD数值求解方法主要有有限差分法、有限单元法、边界元法以及有限分析法。其中以有限差分法和有限单元法为主。有限差分法从微分方程出发，将计算区域经过离散处理后，近似的用差分、差商来代替微分、微商，这样微分方程和边界条件的求解就可以归纳为一个线形代数方程组的数值求解。空调室内的流场、温度场和浓度场的数值模拟，长期以来几乎全部采用有限差分法。有限单元法汲取了有限差分法中离散处理的内核，同时又继承了变分计算中选择试探函数并对求解区域积分的合理方法。在有限单元法中，试探函数的定义和积分范围不是整个区域，而是从区域中按实际需要划分的单元。经过比较发现对于边界形状较规则的研究区域如矩形区域，二者模拟效果相同；而对于边界形状较复杂的区域，有限单元法模拟效果更好。目前大多数的商用CFD软件都采用的是有限单元法。

此外，CFD软件都配有网格生成（前处理）与流动显示（后处理）模块。网格生成质量对计算精度与稳定性有很大的影响，因此网格生成能力的强弱是衡量CFD软件性能的一个重要因素。网格分为结构性网格和非结构性两大类。目前广泛采用的是结构性网格。对于较复杂的求解域，构造结构性网格时要根据其拓扑性质分成若干子域，各子域间采用分区对接或分区重叠技术来实现。非结构性网格不受求解域的拓扑结构与边界形状限制，构造起来很方便，而且便于生成自适应网格，能根据流场特征自动调整网格密度，对提高局部区域计算精度十分有利。但是非结构性网格所需内存量和计算工作量都比结构性网格大很多。因此，两者结合的复合型网格是网格生成技术的发展方向。目前，FLUENT软件（后面要专门介绍）已具有这种功能。

CFD软件的流动显示模块都具有三维显示功能来展现各种流动特性，有的还能以动画功能演示非定常过程。尽管流动显示与流场计算没有内在联系，但为方便用户，流场计算的输出端应与图形处理软件方便连接。FLUENT软件的后处理模块做的比较好。

下面具体针对目前市场占有率最高的FLUENT软件阐述其应用。

2．FLUENT软件的主要特点

CFD通用软件包的出现与商业化，对CFD技术在工程中应用的推广起了巨大的促进作用。1998年，全球市场占有率最高的CFD软件——FLUENT正式进入中国市场，为目前CFD主流商业软件，其市场占有率达40%左右。

FLUENT软件设计基于“CFD计算机软件群的概念”，针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法以在计算速度、稳定性和精度等方面达到最优^[2]。

FLUENT软件的结构由前处理、求解器及后处理三大模块组成。FLUENT软件中采用GAMBIT作为专用的前处理软件，使网格可以有多种形状。对二维流动可以生成三角形和矩形网格；对于三维流动，可以生成四面体、六面体、三角柱和金字塔等网格；结合具体计算，还可以生成混合网格，其自适应功能，能对网格进行细分或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网格。FLUENT软件采用的二阶上风格式是Barth与Jespersen针对非结构网格提出的多维梯度重构法（multi-dimensional gradient reconstruction），后来进一步发展，采用最小二乘法估算梯度，能较好的处理畸变网格的计算。FLUENT率先采用非结构网格使其在技术上处于领先。

FLUENT软件的核心部分是纳维-斯托克斯方程组的求解模块。用压力校正法作为低速不可压流动的计算方法，包括SIMPLE、SIMPLER、SIMPLEC、PISO等。采用有限体积法离散方程，其计算精度和稳定性都优于传统编程中使用的有限差分法。离散格式为对流项二阶迎风插值格式——QUICK格式（Quadratic Upwind Interpolation for Convection Kinetics scheme），其数值耗散较低，精度高且构造简单。而对可压缩流动采用耦合法，即连续性方程、动量方程、能量方程联立求解。

湍流模型是包括FLUENT软件在内的CFD软件的主要组成部分。FLUENT软件配有各种层次的湍流模型，包括有代数模型、一方程模型、二方程模型、湍应力模型、大涡模拟等。应用最广泛的二方程模型是k-ε模型，软件中收录有标准k-ε模型及其几种修正模型。

FLUENT软件的后处理模块具有三维显示功能来展现各种流动特性，并能以动画功能演示非定常过程，从而以直观的形式展示模拟效果，便于进一步的分析。

该软件的使用步骤如下图。

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

确定边界尺寸 确定边界类型 生成网格 输入边界条件

FLUENT主程序 序解析

计算结果可视化

图1 FLUENT软件应用流程

3．FLUENT在暖通空调中的应用

空调设计的最终目的是以经济技术合理的系统设计以及设备选型实现所要求的室内气候环境（温度、气流、污染物浓度等的分布）。为实现对这些环境参数的合理控制，有必要把握其分布特征，CFD是除模型实验以外的可详细解析三次元室内气流分布特征的唯一手段^[3]。

以传统壁挂式空调室内气流组织为对象，用FLUENT软件对其温度场进行数值模拟计算。

-> 1模型的建立

设定空调的原始参数如下：

几何尺寸：770mm×240mm×180mm

出风角度：45°出风速度：强风送风6m/s

制冷（热）量：2500W

出风温度：制冷时18ºC，制热时40ºC

根据已知参数，建立适当的房间有限元模型。为使结果尽可能接近真实情况，建立房间三维立体模型，长、宽、高分别为5m、4m、3m。空调

安装在房间的窄面。简化的人体模型置于房间中央， 图2 三维空调房间模型

坐姿状态，本身不发热，房间内部无任何热源。图2为在GAMBIT中作的三维空调房间模型。

边界条件设定为：房间6面墙绝热，制冷时室内初始温度为30ºC，制热时为5ºC。

采用整体（integral）连续网格结构，运用GAMBIT生成网格，计算网格数为35000。采用k-ε湍流模型，计算时采用一阶非稳态分离计算，考虑重力影响，方程组求解用SIMPLE算法。

2计算结果

下组图给出了空调安装高度为2.5m时，制冷时室内中截面温度场的分布随时间变化的情况。

--><图3 制冷时房间中截面某时段温度分布

用后处理的显示功能可以清楚直观的再现该降温过程，产品设计人员可以在此基础上针对人体区域的变化情况，作出评价。发现人体垂直方向上存在温度梯度，头部比脚部温度高，这是由于冷空气较热空气密度大，向下趋势明显，从而导致房间下部要比高处降温快。温度差会造成人体局部性热感不适，随着时间推移温度梯度逐步渐小，当温度场到达稳定状态时，头部比脚部温度高出2ºC，满足国际通用的舒适度指标PMV与PPD^[4]提出的人体舒适工作条件的最高温差为3ºC。

图4给出了当空调处于制热过程时某一时刻中截面的温度分布，由于热空气上升，天花板处温度较高，人体垂直方向上温度的分布情况见图5。

图4 制热时某一时刻中截面温度分布 图5 人体区域垂直

4． 结论

本文介绍了CFD技术的一般结构以及发展状况，分析了作为主流CFD软件——FLUENT软件的主要特点，最后举例说明了其在暖通空调领域中的应用。利用商用软件进行计算是科学研究和工程设计中一项重要手段，用FLUENT作流体分析无需编程，这样能将大量的时间从编程这样的操作性工作中节省出来，使人们有更多的时间和精力考虑问题的物理本质，优化算法选用、参数的确定，大大提高工作效率。

参考文献

[1]姚征，CFD通用软件综述[J]，上海理工大学学报，2002，（2）

[2]李勇，介绍计算流体力学通用软件—FLUENT[J]，水动力学研究与进展，2001，（2）

[3]张智力，吴喜平，CFD基本算法及其在暖通空调领域中的应用[J]，能源技术，2002，（2）

[4]汤广发等，室内气流数值计算及模型试验[M]，长沙：湖南大学出版社，1989