冷藏集裝箱內(nèi)氣體流場分析及優(yōu)化設(shè)計【文獻(xiàn)綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>　　建筑環(huán)境與設(shè)備工程</b></p><p>　　冷藏集裝箱內(nèi)氣體流場分析及優(yōu)化設(shè)計</p><p>　　前言：通用CFD軟件包，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而FLUENT能

2、達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及成熟的物理模型，使FLUENT在轉(zhuǎn)捩與湍流、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、動/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應(yīng)用。CFD通用軟件包的出現(xiàn)與商業(yè)化，對CFD技術(shù)在工程中應(yīng)用的推廣起了巨大的促進(jìn)作用。</p><p>　　冷藏庫流場的設(shè)計一直是個難題。為了獲取冷藏庫內(nèi)流場的信息,傳統(tǒng)的方法是進(jìn)行實驗測量或做流場可

3、視化研究。這些做法在實際運用中都具有很大的局限性,使用成本也很高,而且不可能獲得整個流場內(nèi)詳盡的信息。計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, 以下簡稱為CFD)是基于計算機(jī)技術(shù)的一種數(shù)值計算工具,用于求解流體的流動和傳熱問題。CFD技術(shù)的運用可以很好地解決上述難題,它可以通過建立模型, 并借助可靠的數(shù)值計算,模擬出整個流場的流動情況, 因而可以更好地分析冷藏庫內(nèi)流體的流動情況。冷藏庫內(nèi)合理的氣體流場可以

4、保證庫內(nèi)冷量的均勻分配,提高傳熱效率,降低貨物的干耗,提高貨物的貯藏質(zhì)量,并可達(dá)到節(jié)能的目的 。調(diào)查發(fā)現(xiàn), 目前大多數(shù)冷藏庫內(nèi)的氣流布置存在不合理的問題。因而,研究和改善冷藏庫內(nèi)的氣流組織具有實質(zhì)性的意義。</p><p>　　CFD(Computationa1FluidDynamics)即計算流體動力學(xué)，是目前國際上一個強(qiáng)有力的研究領(lǐng)域，是進(jìn)行 “三傳”(傳熱、傳質(zhì)、動量傳遞)及燃燒、多相流和化學(xué)反應(yīng)研究的核心

5、和重要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于熱能動力、航空航天、機(jī)械、土木水力、環(huán)境化工等諸多領(lǐng)域，暖通空調(diào)行業(yè)是CFD技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。</p><p>　　在傳統(tǒng)的暖通空調(diào)工程設(shè)計及產(chǎn)品開發(fā)工作中，設(shè)計可行與否往往取決于大量的試驗，產(chǎn)品開發(fā)周期長，費用高，此外，設(shè)計人員的經(jīng)驗起著舉足輕重的作用。CFD的應(yīng)用則改變了傳統(tǒng)的設(shè)計過程，由于CFD軟件可以相對準(zhǔn)確的給出流體流動的細(xì)節(jié)，如速度場、壓力場、溫度場、濃度場分布的時變特性，

6、因而不僅可以準(zhǔn)確預(yù)測流體產(chǎn)品的整體性能，而且很容易從對流場的分析中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品或工程設(shè)計中的問題，據(jù)此提出的改進(jìn)方案只需重新計算一次就可以判斷、評估改進(jìn)是否有效，并更容易得到某些規(guī)律性的知識。這樣產(chǎn)品或工程設(shè)計與優(yōu)化對試驗和經(jīng)驗的依賴性大為減少，能夠顯著縮短設(shè)計周期，降低費用。</p><p>　　空調(diào)設(shè)計的最終目的是以經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理的系統(tǒng)設(shè)計以及設(shè)備選型實現(xiàn)所要求的室內(nèi)氣候環(huán)境(溫濕度、氣流、污染物濃度等的分布)。為

7、實現(xiàn)對這些環(huán)境參數(shù)的合理控制，有必要把握其分布特性，CFD是除模型實驗外的可詳細(xì)解析三維室內(nèi)氣</p><p>　　流分布特性的唯一手段。</p><p>　　由于CFD技術(shù)的上述特點，在暖通空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用發(fā)展很快，其中室內(nèi)熱環(huán)境的計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)在一些先進(jìn)國家已經(jīng)進(jìn)入了實用階段，尤其是在日本，CFD技術(shù)已經(jīng)成為不可缺少的設(shè)計手段。</p><p>　　1998

8、年，全球市場占有率最高的CFD軟件——FLUENT正式進(jìn)入中國市場，為目前CFD主流商業(yè)軟件，其市場占有率達(dá)40%左右。</p><p>　　在CFD軟件中 , Fluent軟件是目前國內(nèi)外使用最多、最流行的商業(yè)軟件之一。Fluent的軟件設(shè)計基于"CFD計算機(jī)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(shù)值解法在計算速度、穩(wěn)定性和精度等各方面達(dá)到最佳。由于囊括了Flue

9、nt Dynamical International比利時PolyFlow和Fluent Dynamical International(FID)的全部技術(shù)力量(前者是公認(rèn)的在黏彈性和聚合物流動模擬方面占領(lǐng)先地位的公司 ,后者是基于有限元方法CFD軟件方面領(lǐng)先的公司 )</p><p>　　FLUENT軟件的結(jié)構(gòu)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(wǎng)格可

10、以有多種形狀。對二維流動可以生成三角形和矩形網(wǎng)格：對于三維流動，可以生成四面等網(wǎng)格；結(jié)合具體計算，還可以生成混合網(wǎng)格，其體、六面體、三角柱和金字塔等網(wǎng)格；結(jié)合具體計算，還可以生成混合網(wǎng)格，其自適應(yīng)功能，能對網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分或粗化，或生成不連續(xù)網(wǎng)格、可變網(wǎng)格和滑動網(wǎng)格。</p><p>　　FLUENT軟件的求解模塊是其核心部分，該模塊的數(shù)學(xué)模型是以納維．斯托克斯方程組與各種湍流模型為主體，在加上多相流模型、燃燒與化學(xué)

11、反應(yīng)流模型、自由面模型以及非牛頓流體模型等。大多數(shù)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(guān)系式。采用的是有限體積法離散方程，其計算精度和穩(wěn)定性都優(yōu)于傳統(tǒng)編程中使用的有限差分法。采用壓力校正法作為低速不可壓流動計算方法，而可壓縮流動采用耦合法。此外，F(xiàn)LUENT軟件采用的二階上風(fēng)格式是Barth與Jerpersen針對非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格提出的多維梯度重構(gòu)法，較成功的用于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的二階上風(fēng)格式，能較好的處理畸變網(wǎng)格的計算，使其

12、在技術(shù)上處于領(lǐng)先。</p><p>　　Fluent的優(yōu)點：</p><p>　　(1 )功能強(qiáng) ,適用面廣。包括各種優(yōu)化物理模型 ,如 :計算流體流動和熱傳導(dǎo)模型 (包括自然對流、定常和非定常流動 ,層流 ,湍流 ,紊流 ,不可壓縮和可壓縮流動 ,周期流 ,旋轉(zhuǎn)流及時間相關(guān)流等 ) ;輻射模型 ,相變模型 ,離散相變模型 ,多相流模型及化學(xué)組分輸運和反應(yīng)流模型等。對每一種物理問題的流動特

13、點 ,有適合它的數(shù)值解法 ,用戶可對顯式或隱式差分格式進(jìn)行選擇 ,以期在計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳。 　　</p><p>　　(2 )高效 ,省時。Fluent將不同領(lǐng)域的計算軟件組合起來 ,成為CFD計算機(jī)軟件群 ,軟件之間可以方便地進(jìn)行數(shù)值交換 ,并采用統(tǒng)一的前、后處理工具 ,這就省卻了科研工作者在計算方法、編程、前后處理等方面投入的重復(fù)、低效的勞動 ,而可以將主要精力和智慧用于物理問題本身的探索

14、上。 　</p><p>　　(3 )建立了污染物生成模型。包括NOX 和ROX(煙塵 )生成模型。其中NOX 模型能夠模擬熱力型、快速型、燃料型及由于燃燒系統(tǒng)里回燃導(dǎo)致的NOX的消耗。而ROX 的生成是通過使用兩個經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行近似模擬 ,且只使用于紊流 　　</p><p>　　FLUENT同傳統(tǒng)的CFD計算方法相比，具有以下的優(yōu)點 　　</p><p>　　1、

15、穩(wěn)定性好，F(xiàn)LUENT經(jīng)過大量算例考核，同實驗符合較好 　　</p><p>　　2、適用范圍廣，F(xiàn)LUENT含有多種傳熱燃燒模型及多相流模型，可應(yīng)用于從可壓到不可壓、從低速到高超音速、從單相流到多相流、化學(xué)反應(yīng)、燃燒、氣固混合等幾乎所有與流體相關(guān)的領(lǐng)域</p><p>　　3、精度提高，可達(dá)二階精度。</p><p>　　FLUENT是目前國際上比較流行的商用CF

16、D軟件包，在美國的市場占有率為60%。舉凡跟流體，熱傳遞及化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計、石油天然氣、渦輪機(jī)設(shè)計等方面都有著廣泛的應(yīng)用。其在石油天然氣工業(yè)上的應(yīng)用包括：燃燒、井下分析、噴射控制、環(huán)境分析、油氣消散/聚積、多相流、管道流動等等。</p><p>　　Fluent的軟件設(shè)計基于CFD軟件群的思想，從用戶需求角度出發(fā)，針對各

17、種復(fù)雜流動的物理現(xiàn)象，F(xiàn)LUENT軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在特定的領(lǐng)域內(nèi)使計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合，從而高效率地解決各個領(lǐng)域的復(fù)雜流動計算問題?；谏鲜鏊枷?，F(xiàn)luent開發(fā)了適用于各個領(lǐng)域的流動模擬軟件，這些軟件能夠模擬流體流動、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和其它復(fù)雜的物理現(xiàn)象，軟件之間采用了統(tǒng)一的網(wǎng)格生成技術(shù)及共同的圖形界面，而各軟件之間的區(qū)別僅在于應(yīng)用的工業(yè)背景不同，因此大大方便了用戶。其各軟件模塊包括：<

18、;/p><p>　　GAMBIT——專用的CFD前置處理器，F(xiàn)LUENT系列產(chǎn)品皆采用FLUENT公司自行研發(fā)的Gambit前處理軟件來建立幾何形狀及生成網(wǎng)格，是一具有超強(qiáng)組合建構(gòu)模型能力之前處理器，然后由Fluent進(jìn)行求解。也可以用ICEM CFD進(jìn)行前處理，由TecPlot進(jìn)行后處理。 　　 </p><p>　　Fluent 5.4——基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的通

19、用CFD求解器，針對非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格模型設(shè)計，是用有限元法求解不可壓縮流及中度可壓縮流流場問題的CFD軟件?？蓱?yīng)用的范圍有紊流、熱傳、化學(xué)反應(yīng)、混合、旋轉(zhuǎn)流（rotating flow）及震波（shocks）等。在渦輪機(jī)及推進(jìn)系統(tǒng)分析都有相當(dāng)優(yōu)秀的結(jié)果，并且對模型的快速建立及shocks處的格點調(diào)適都有相當(dāng)好的效果。</p><p>　　Fidap——基于有限元方法的通用CFD求解器，為一專門解決科學(xué)及工程上有關(guān)流體

20、力學(xué)傳質(zhì)及傳熱等問題的分析軟件，是全球第一套使用有限元法于CFD領(lǐng)域的軟件，其應(yīng)用的范圍有一般流體的流場、自由表面的問題、紊流、非牛頓流流場、熱傳、化學(xué)反應(yīng)等等。 FIDAP本身含有完整的前后處理系統(tǒng)及流場數(shù)值分析系統(tǒng)。 對問題整個研究的程序，數(shù)據(jù)輸入與輸出的協(xié)調(diào)及應(yīng)用均極有效率。 </p><p>　　Polyflow——針對粘彈性流動的專用CFD求解器，用有限元法仿真聚合物加工的CFD軟件，主要應(yīng)用于塑料射出

21、成形機(jī)，擠型機(jī)和吹瓶機(jī)的模具設(shè)計。 　</p><p>　　Mixsim——針對攪拌混合問題的專用CFD軟件，是一個專業(yè)化的前處理器，可建立攪拌槽及混合槽的幾何模型，不需要一般計算流力軟件的冗長學(xué)習(xí)過程。它的圖形人機(jī)接口和組件數(shù)據(jù)庫，讓工程師直接設(shè)定或挑選攪拌槽大小、底部形狀、折流板之配置，葉輪的型式等等。MixSim隨即自動產(chǎn)生3維網(wǎng)絡(luò)，并啟動FLUENT做后續(xù)的模擬分析。 　</p><p

22、>　　Icepak——專用的熱控分析CFD軟件，專門仿真電子電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部氣流，溫度分布的CFD分析軟件，特別是針對系統(tǒng)的散熱問題作仿真分析，藉由模塊化的設(shè)計快速建立模型。</p><p>　　CFD 技術(shù)的應(yīng)用展望 1.加強(qiáng)CFD 技術(shù)在建筑設(shè)計界的推廣和普及 從上世紀(jì)70 年代末起,我國開始著手CFD技術(shù)的研究,20 多年來,已在應(yīng)用方面取得了許多成就。但是,與國外的暖通空調(diào)界相比,

23、尚存在著較大的差距。特別是在建筑設(shè)計企業(yè),CFD技術(shù)的應(yīng)用還處于起步階段,真正把CFD 技術(shù)與實際工程的空調(diào)、通風(fēng)設(shè)計結(jié)合的案例還很少,真正掌握CFD 技術(shù)的暖通設(shè)計人員數(shù)量有限,影響了C F D 技術(shù)優(yōu)化空調(diào)、通風(fēng)設(shè)計作用的發(fā)揮,不利于解決現(xiàn)代建筑空調(diào)、通風(fēng)設(shè)計中存在的問題。因此,應(yīng)積極培訓(xùn)建筑設(shè)計企業(yè)的設(shè)計人員,使更多的人掌握CFD 技術(shù),以使其在建筑設(shè)計企業(yè)中得到推廣和普及。 2 .加強(qiáng)對CFD 軟件計算結(jié)果的驗證

24、 隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 國內(nèi)已有多種版本的CFD商用軟件, 大量文獻(xiàn)刊登了研究人員采用CFD軟件模擬空調(diào)、通風(fēng)工程室內(nèi)熱環(huán)境的計算結(jié)果。但是, 對這些工程運行中的實測數(shù)據(jù)尚缺乏相關(guān)報道。沒有實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對比, 就很難說明CFD軟件運算的準(zhǔn)確性, 更難以發(fā)現(xiàn)軟件本身或研究人員在使用中的問題。因此, 應(yīng)加強(qiáng)對CFD模擬工程進(jìn)行數(shù)據(jù)實</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b><

25、;/p><p>　　[1] 裴鋒,何啟林,賈群.暖通空調(diào)CFD技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].制冷與空調(diào),2003</p><p>　　[2] 李志浩.2000年全國暖通空調(diào)年會專題交流與研討[J].暖通空調(diào),2001</p><p>　　[3] 趙琴,王靖.FLUENT在暖通空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].制冷與空調(diào),2003</p><p>　　[4] 劉

26、霞,葛新鋒，F(xiàn)LUENT軟件及其在我國的應(yīng)用[J]，能源研究與利用，2003</p><p>　　[5] 何有世,袁壽其,王大承,叢小青，計算流體力學(xué)(CFD)中的迭代法及其并行計算方法[J]，中國安全科學(xué)學(xué)報，2002</p><p>　　[6] 翟建華，計算流體力學(xué)(CFD)的通用軟件[J]，河北科技大學(xué)學(xué)報，2005</p><p>　　[7] 謝晶, 瞿曉華