张晓婷
济钢集团国际工程技术有限公司 山东省 济南市 250101
摘要：在计算流体动力学中，Fluent是以计算机为数值模拟工具的商业软件，采用方程计算来找到满足求解条件的流体力学复杂问题的离散化数值解，通过模拟计算与结构分析来得到流体流动规律，并解决实际工程问题。该模拟计算的方法不仅方便灵活且经济实用，目前被广泛应用到暖通空调领域中，用来解决实际产品设计问题。本文将主要介绍Fluent在暖通空调领域除尘中的具体应用。
关键词：Fluent；计算流体动力学；暖通空调；除尘工程
1 暖通空调发展概况
随着人们生活水平的提高、供暖技术的发展，暖通空调设备得到了广泛的应用，传统供暖技术使用的是集中供暖方式，通过铺设热力管道由热力公司将暖气输送到小区，再分配到各家各户。由于该供暖方式单一，无法按照每户人家具体情况提供针对性供暖服务，无法满足各用户的需求，用户也不能根据自己所需设定供暖温度。此外，该供暖方式的覆盖范围小，供暖成本太高。而暖通空调不但能实现每家每户独立安装，还能自行设定温度，随着供暖技术的发展，暖通空调热源从单一电力供热变成了综合燃气、燃油、地热等多渠道供热，为暖通空调的普及创设了更好条件。
2 Fluent软件与计算流体动力学在暖通空调领域的应用
暖通空调想要为每一个用户提供针对性的供暖服务，达到更好的供暖效果，就应在暖通空调设计时对用户进行大量实验，对室内环境进行模拟，综合考虑室内温湿度条件与空气流动条件，确保暖通空调设计的科学合理性。传统暖通空调设计主要根据技术人员的经验与专业知识，然后再通过编程与试验对各个参数进行调整，比较分析产品的效果，再根据产品效果对设计进行改进。该设计方式不仅设计时间长且效果不够理想，不能准确真实地模拟室内的热力环境，而且该设计模式对技术人员的要求较高，一旦出现任何主观上的问题就会影响设计工作的进行。因此，在暖通空调设计中，采用Fluent软件，能真实模拟室内空气流动条件与热力环境，并对设计的产品进行性能测试，快速发现产品问题并优化改进。由于Fluent软件包含了大量前期设计经验与基础程序，避免重复性工作，将更多精力投入到产品精细化设计中，提高了设计的效率和效果。
计算流体动力学是进行传热、传质、动量传递和燃烧、多相流、化学反应研究的核心技术，被广泛应用在热能动力、航空航天、机械、土木水力、暖通空调等领域中。采用计算流体动力学，能比较准确地给出流体流动时速度场、压力场、温度场等分布的细节，不但可以准确预测流体性能，而且能从流场的分析中及时发现产品设计存在的问题，并对改进的方案进行判断评估，能得到某些设计规律。这样，暖通空调产品的设计与工程的优化对实验与经验的依赖性都会减少，缩短了产品设计的周期以及设计生产和后期运维的费用。空调设计的主要目的除了满足供暖制冷除尘除湿等基本需求，也是为了满足经济技术的要求，所以要实现对室内温湿度、污染物浓度和气流等参数的合理控制，把握这些参数的分布特征。采用计算流体动力学，能够详细了解三维室内气流分布的情况。
3 Fluent软件概述
3.1 Fluent软件组成
Fluent软件是计算流体动力学的主要商业软件，该软件由求解器、前处理器与后处理器组成，求解器是软件核心，求解模块的数学模型以湍流模型为主体，辅以各种多相流模型、燃烧与化学反应流模型等。采用有限体积法离散方程进行数学计算，计算的精确度与稳定性都比传统编程中的有限差分法好，使用压力校正法进行低速不可压流动计算，使用耦合法进行可压缩流动的计算。Fluent软件的前处理器使网格具有多种形状，对二维空间的流体流动形成矩形网格，对三维空间流体流动形成四面体和六面体等网格，然后根据具体的计算生成混合型网格，具有自适应的功能，能实现对网格的细分，可以生成连续性网格、可变网格与滑动网格。后处理器具有三维显示的功能，能直观地展现出室内流体流动的情况。
3.2 Fluent软件基本思想
Fluent软件的基本思想是，对流体区域进行离散化，使用有限离散节点的值的集合代替空间域上连续物理量场，比如速度场、温度场和污染物浓度场等，根据微分方程与基本物理定律，构建各个离散节点变量方程，并通过求解方程来得到所解变量的近似值。
3.3 Fluent软件求解步骤
利用Fluent软件求解的一般步骤是，先建立控制方程，确定初始条件与边界条件，然后划分计算网络生成计算节点。
再构建离散方程，确定离散初始条件与离散边界条件，给定求解控制参数，求解该离散方程。在计算结果输出与否上要根据计算解是否收敛来确定，如果计算解收敛则直接输出，若不收敛则需要重新构建离散方程、重新驾驶员。
3.4 Fluent软件应用意义
利用Fluent软件的主要作用在于，第一，推动了计算流体动力学的发展，使相关理论和算法得到完善。第二，将该软件应用在各领域的设计计算中，可大大缩短设计开发的周期以及开发成本。第三，对产品开发提供指导性意见。第四，能实现对具体工程的设计优化，减少试验的次数，完善试验方法，确保试验顺利开展。第五，实现对无法通过试验的工况的模拟，比如能真实模拟室内流体变动特性，能模拟温度场、污染物浓度场、湿度场等各物理场。
4 Fluent软件在暖通空调领域的具体应用
4.1 在采暖工程中的应用
将Fluent软件应用在采暖工程中，第一，能实现对空间采暖效果的判断。比如利用该软件对建筑内燃气辐射采暖的方式进行模拟，能预测该采暖方式是否可以满足建筑室内对温度和舒适度的要求，是否可以发挥较好的采暖效果与达到节能环保的要求。即可以通过Fluent软件对真实空间温度场的模拟来分析判断实际采暖工程的应用情况。第二，能实现对传热传质设备的分析，即利用Fluent软件模拟仿真壳程横、纵向流在散热器内的流动情况，探究散热器设计是否达到建筑室内传热的效果，根据模拟仿真和分析的结果实现对散热器性能的改进优化，这也成为了当前换热器研究的重点内容，利用数值模拟的方式实现对管壳式换热器壳程传热、流场的分析。此外，利用该软件仿真模拟管束绕流情况，研究管束的排列，从而实现对换热器的设计优化，提高换热器整体功能，实现经济性和技术性目标。
4.2 在通风工程中的应用
Fluent软件在通风工程中的应用主要表现在以下几个方面：第一，建筑室内气流组织的设计优化。利用该软件分析建筑室内可能的内扰、初始条件与边界条件，并进行仿真模拟分析室内气体流动的情况，找到最佳的气流分布方案，为通风空调设计提供更好的设计指导，使通风空调达到更加的效果。利用该软件进行数值模拟，仿真预测高大空间内气流组织情况、气流分布情况以及通风效果。利用该软件还能实现对不同工况的数值模拟与计算，并找到能控制连通类高大空间开口处空气流动的方式。第二，利用该软件能实现对建筑室内空气品质的分析，通过数值模拟与计算分析室内各个位置的风速、温度和湿度的相对值，以及污染物的浓度值等参数，然后评价通风换气的效率、热舒适度与污染物排放效率等。第三，射流技术计算流体动力学分析，利用计算流体动力学模拟计算空调送风等末端设备内的流体流动情况，以此为依据分析设备的性能，找出其中存在的问题并进行产品改进，可起到节约建筑能耗、降低污染、节约运行维护费用的作用。第四，冷库库房与制冷设备的计算流体动力学分析，利用Fluent软件准确给出流体流动的具体情况，从而准确预测设备的运行性能，从对流场分析中得到产品设计存在的问题，并提出相应的产品改进方案，能起到缩短产品设计开发周期、节约设计开发成本的作用。
4.3 在除尘工程中的应用
Fluent软件在暖通空调除尘工程中的具体应用具体表现在对除尘设备的应用，除尘设备的效率和除尘设备材料性能有关，也和除尘设备内结构与实际运行工况有关。如果除尘设备设计参数不合理就会引起涡流和回流等现象，从而导致除尘设备内速度场、压力场、温度场等分布均匀，进而导致除尘设备阻力增加，降低除尘设备的除尘效率和效果。利用Fluent软件对除尘设备设计开发进行模拟计算，及时发现结构设计问题并进行改进优化。比如对于靠粉尘颗粒离心力作用除尘的惯性除尘设备，对气体流动的均匀性要求较高，利用Fluent软件进行模拟分析，能从不同角度为产品设计优化提供指导参考，对于袋式除尘器，由于这类产品结构本身复杂，研究难度较大，主要研究在于对整个流场特性、粉尘颗粒运动轨迹迹的模拟计算，根据计算的结果对除尘设备的技术参数进行改进，以免参数不合理而引起涡流回流的问题，同时也提高了除尘的效率。
5 结语
综上所述，将Fluent软件与暖通空调工程相结合，通过Fluent软件的模拟计算与预测分析，可判断建筑室内流体流动分布情况，然后实现对暖通空调设备的设计改进与优化，设计出经济技术合理的空调系统。在空调除尘领域，利用Fluent软件能实现对除尘设备的设计优化，提高除尘的效率和效果，减少因流体分布不均导致粉尘颗粒荷电不均而影响除尘的效率。
参考文献：
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