计算流体力学在制冷工程中的应用

     1 前言

    计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,以下简称为CFD)是基于计算机技术的一种数值计算工具,用于求解流体的流动和传热问题。它是流体力学的一个分支,用于求解固定几何形状空间内的流体的动量、热量和质量方程以及相关的其它方程,并通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关数据。CFD最早运用于汽车制造业、航天事业及核工业[1],用离散方程解决空气动力学中的流体力学问题。实际上CFD可以用于多种加工过程。近年来, CFD开始被越来越多地应用到制冷领域中,如用于描述食品冷冻、冷藏,冷却间的气体循环,及真空冷却、冷藏链、冷凝等过程中食品中的传热问题等。

    CFD计算相对于实验研究,具有成本低、速度快、资料完备、可以模拟真实及理想条件等优点。20世纪60年代末, CFD技术已经在流体力学各相关行业得到了广泛的应用[2]。近些年来,随计算机技术的发展, CFD应用方面的研究开始活跃起来。CFD模拟的目的是作出预测和获得信息,以达到对流体流动的更好控制。理论的预测出自于数学模型的结果,而不是出自于一个实际的物理模型的结果。数学模型主要是由一组微分方程组成,这些方程的解就是CFD模拟的结果。CFD的基础是动量、能量、质量守恒方程,在实际的应用中还会综合利用其它的方程。CFD计算的方法主要有三种:差分法、有限元法、有限体积法。计算流体力学是多领域交叉的学科,涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何学、数值分析等学科[3]。这些学科的交叉融合,相互促进和支持,也推动着这些学科的深入发展。当然,数值模拟也有一定的局限性。首先是要有准确的数学模型,这不是所有问题都能做到的。不少问题,其机理尚未完全清楚,很难有准确的数学模型,对于食品的研究还必须掌握其物性数据处理;其次是数值模拟中对数学方程进行离散化处理时需要对计算中所遇到的稳定性、收敛性等进行分析。这些分析方法大部分对线性方程是有效的,对非线性方程则没有多大的效果;最后,数值模拟还受到计算机本身条件的限制,即计算机运行速度和容量的限制。只有计算机的速度、内存和外围设备达到一定程度时才会有计算流体力学发展新阶段的出现。作为一门发展学科,必然要有一个逐步成熟、完善的过程,上面这些问题也将在今后的研究中进一步得到解决。比如:计算算法的研究、计算机并行性的研究、结合实验的研究等等都是针对上面这些问题进行的。

    近年来,由于人们生活水平的提高,顾客对食品的安全、品质提出了更高的要求,加上政府部门的重视,CFD在食品制冷中的应用研究得到了广泛的开展。CFD应用的场合涉及到冷冻、冷藏库、真空冷却、冷藏链、冷藏陈列柜等多个方面。本文将对CFD在制冷中应用的研究成果和现状作一较全面的综述,以利进一步推动CFD在该领域中的使用。