SIAll—GD软件在家用空调开发中的应用

    1 SIAll—GD软件功能介绍

    STAR—CD采用基于完全非结构化网格和有限体积方法的核心解算器，具有丰富的物理模型、较少的内存占用、良好的稳定性、易用性、收敛性和众多的二次开发接口。sTAR—CD独特的全自动六面体／四面体非结构化网格技术，满足了用户对复杂网格处理的需求。

    STAR—CD使用的前后处理软件包称为PROSTAR，核心解算器称为STAR。PROSTAR集成了建模、求解与后处理所必需的各种工具。其面向过程的、易用的GUI和计算导航器NAV．Center对各种流动都是强大而又方便的工具。

    与许多其他CFD软件不同，STAR—CD是一个高度集成化的软件包。它将在各种网格类型(六面体、四面体与混合体)上解算的各种物理模型融于一体。同时它对不同类型的应用提供经过裁剪的解算过程。STAR—CD包含了不断更新与扩展的各种最新物理模型，较强的灵活性及众多的用户程序接口。

    STAR—CD使用单一、高效、强壮(Robust)的解算器求解流动。这个通用解算器适用于所有的流动情况与物理现象。解算器与最新的时间空间离散格式相结合，使STAR—CD在复杂的CFD应用方面具有强大的能力。

    PRO—AM是sTAR—CD软件一个重要模块，是网格自动生成领域的一种新概念，可用于解决各种类型的复杂几何问题。PRO—AM不仅能快速生成高质量网格，而且它的下述特点，使它能提供给用户网格控制能力。其特点有：

    ①高质量的内部六面体网格功能
 
    ②三角网格生成功能

    ③混合网格生成功能

    ④分层的贴壁六面体单元

    ⑤自动局部加密技术和自动模板功能

    ⑥强大的表面修补，重造工具

    PRO—AM与STAR—CD完全相容，并成为STAR—CD的前处理工具。它使用“单元修整技术”生成高质量的六面体为主的网格，形成以内部六面体网格为主，其他类型的多面体为辅，近壁采用分层结构的总体网格拓扑结构。这有助于准确使用通用高k-e湍流模型的标准壁面函数和需要精细边界网格的湍流两层模型。正是因为高效的网格结构，PRO—AM生成的单元数目接近于传统的完全六面体网格。自动网格生成功能并没有以牺牲计算速度为代价。

    家电产品CFD分析过程中常用的几个重要物理模型特点：
 
    ①MRRF(多重旋转参照体系)

    STAR—CD中MRRF技术能快速求解定常状态的旋转机械问题。例如：风扇、泵与多级轴流式压气机。无论静叶与动叶的数
目是否相同，都可以通过使用周期性流动边界条件把模型简化成单个动静叶通道，从而大大缩短计算时间。

    ②湍流模型(Turbuknce Models)

    STAR—CD提供一方程模型、标准K—E模型、RNG模型、高阶非线性及Chen氏系列k一(模型、k—l、LES大涡模型等湍流模式，同时提供了用于解算高精度流动的模型和微分雷诺应力模型。用户可以进行二次开发。

    ③传热(Heat Transfer)

    STAR—CD的特点在于能够同时求解多重固体材料的导热以及热辐射，甚至可以求解透明固体的热辐射。任意交界面技术则被用来匹配流体与固体表面的接合，使用户能够很容易地把流体与固体的网格结合起来。

    ④多孑L介质(P0mus Media)

    sTAR—CD既能计算各向同性或异性的多孔介质。多孔介质的特性还可当地输人流场参数的函数来输人

    2 应用

    2．1家用空调器室内机风道结构设计方案的评估

    STAR—CD软件可以用来对如图1所类似的空调器室内机风道结构进行评估。由于室内机出风结构形式设计、结构设计与控制方法存在的一些问题，也由于设计人员无法获得房间参数的直观显示，使得现有的家用空调器在用户使用过程中存在许多一般不易觉察的问题：气流短路，孤岛现象、回风温度与人体实际感受到的体感温度存在着较大的误差等。而这些问题与用户使用空调器过程中的能源消耗有着很大的关系。

    sTAR—CD软件可以有效地帮助结构设计／系统设计人员从功能样机的设计阶段就能够避免这些问题的产生，提供为设计一套高效、节能的控制方案而必需的各种工况下空气侧的状态参数(如回风温度、房间温湿度的变化速率等)。

    2．1．2评估指标与方法

    ①流场的均匀性评价(如换热器表面等)

    ② 风机的效率评价(如进出口流场形态等)

    ③空调房间环境的热舒适性评价

    ④用户使用能耗评价(如回风温差、有效温控区等)

    ⑤结构设计变更对比分析

    2．1．3实施案例分析

    该案例是四面出风挂机和普通壁挂式空调器在制冷工况下性能的比较。

    图2是两种机型出风口出的流速分布，四面出风明显占优，几乎不存在气流“短路”。

    图3和图4两种机型在制冷工况下的房间温度下降曲线。将房间模型从上到下按高度分为均等四个部分，分别为pan1，2，3，4。

    另外取人体附近区pe~on，回风区即控制空调开启的温包感受区T-~nsor。模拟制冷运行，设定使回风区温度平均值达到18℃时，停止计算。

    对比分析可以知道：对于四面出风机型，房间各处温度均匀下降，同一时刻在人体活动区域温差较小，由于冷空气较重，故房间低部温度首先降下来如part3，4。人体区马上就可达到被制冷效果。另外，人体区person与回风区T—sensor的温度变化几
乎同步，两条曲线吻合的很好，这就保证了房间温度控制的精确性，真正做到体感控制。而普通挂壁各区温差太大，房间温度分
布不均现象严重。

    2．2家用空调器房间热舒适性分析与评估

    2．2．1热舒适性分析与评估目的：

    (1)家用空调产品是为了给用户创造一个恒温、舒适的环境，最大限度地满足人们对于生活／工作环境日益苛刻的冷和热的要求；

    (2)现有家用空调产品在使用中普遍存在的问题：

    2．2．2房间温度场分布不均匀，存在孤岛现象。

    2．2．3回风温度与人体实际感受到的体感温度存在着较大的误差。

    2．2．4气流对人体裸露身体部分的过冷或过热而引起的局部不舒适。

    2．2．5过大的垂直温差(如人体头部与脚部)。

    2．2．6热舒适性评价指标

    ①PMV(Predicted Mean Vote)：基于人体的热平衡，在综合考虑了人体的新成代谢、服装、以及环境参数等因素的影响后，经过大量人群的测试统计而归纳形成的反映人对环境的热敏感程度的数学模型等。

    ②PPD(Predicted Percentage of Dissatisfied)：用量化的形式来预测被测试人群对热环境感到不满意的数量(用百分数表示)。~DR(Draught Rating)：由于气流运动而产生身体局部过冷或过热引起对环境不满意的人群占总被测试人群的百分数。DR值越大，说明气流因素对热环境舒适性的影响越大。

    2．2．7运用STAR—CD软件计算热舒适性指标的过程

    首先通过STAR—CD软件计算出空调房间环境下的气流状态参数和人体表面的温度及传热系数分布，以此作为输入，调用选用的人体热模型，再计算出热舒适性评价指标。计算过程如图5所示。

    2．2．8实施案例分析

    图6所示为模拟空调房间的热舒适环境而建立的网格模型，包括坐姿状态下的人体模型、家用器具等。网格总量80万左右。
图7，图8分别表示计算所得的人体附近温度分布和人体表面的PMV分布。

    人体表面的PMV值大部分处于一1．5—1之间，这表明在这样的空调环境中人的感觉是在微凉与凉之间。特别需要注意的是在人体脚步的PMV值在一1．5左右，这显然表明空调的制热效果不太理想，不符合家用空调使用时的被用户所接受的典型主观评价：制冷时，人们希望头部先凉快，而制热时则希望脚部先热，人感觉最为舒服。

    图9是人在坐姿状态下的人体皮肤温度计算与实验的对比。结果表明计算有很好的精度，能够很好地模拟空调环境对人的舒适性的影响。2_3家用空调器风机系统(贯流、离心、轴流)空气动力学模拟与分析。

    STAR—CD软件可以有效地进行家用空调器风机系统空气动力学模拟与分析，为风机的设计和选型，以及系统匹配提供必要的参数与技术评估。

    2．3．1主要应用包括：

    ①指定边界条件下的风机性能的预测，如P-Q曲线等。

    ②结构与气动性能的相关性分析与模拟，完成不同设计方案的性能评估。

    ③从气动噪音与流动的相关性出发，通过获取特征点压力的时域分布来定性地预测旋转噪音的频率特性。(垒)用对比分析的方法来验证一些重要的结构参数(如叶片安装角、换热器的结构阻力等)对风机气动性能的影响。STAR—CD有两种模型用于风机的分析计算：SUDINGMESH(t~稳态)和MRF(稳态)。前者主要用于获得风机流场的时域特性，而后者则用于对风机宏观气动性能的计算。

    2．3．2实施案例分析

    图10和图l1是壁挂式空调器贯流风机系统的计算分析。模型中包含了三折换热器对流动的影响。由于流动近场流动的一致性，计算是二维的。作为拓展，可以进一步设定管壁温度，研究换热器的表面负荷分布。图12是温度场分布。需要指出的是模型变没有将翅片面积对换热的影响考虑进出。有两种方法可以模拟翅片的影响：

    ①在翅片区域的流体单元增加相应的热源项，单元的热交换量由实验数据进行修订。模型仍为二维，减少网格数量，提高
计算速度。

    ②将翅片的简化形状在模型中考虑，只设定管壁温度，翅片固体表面与空气的热交换由湍流模型自动解算。但模型是三维
的，需要较大的计算机资源。

    图13和图14分别表示离心风扇速度场分布和出口截面压力脉动的时域分布。通过傅立叶变换可以获得压力的频域特性，进行旋转噪声的分析。

    图15是计算与实验的对比。从图中可以看出，在同样的体积流量时，计算结果与实际测量在个别点上存在较大的差异，但沿蜗壳出口宽度方向上的速度分布基本一致，呈现两边高中问底的特点。

    2．4家用电器产品用压缩机内部工质流动与压缩过程模拟

    开发高性能的压缩机是为了满足全球环保对房间空调器能效比的要求。压缩机的优化设计依赖于内部制冷剂工质(如R22，R4IOA、R407C等)的瞬态流动，而表征流动特征的压力、速度、流量等具体参数无法通过实机测试获得。压缩机的P—V特性是压缩机设计的基础，反映压缩机的绝热效率、指示效率，并且从图上可直观表现出吸气损失、过压缩损失、多变损失等，在此基础上真正做到优化设计。压缩机的P—V特性通常是通过试验方法测试得到，需要建立可拆卸式压缩机实机模型，制作周期较长。STAR—CD特有的运动网格技术可以用来对家用空调器压缩机腔内制冷剂的流动特征进行非稳态的模拟分析计算，获得压缩机内部的详细流动情况，如制冷剂在压缩机内部的流动形态、流速分布、压力分布等等，根据计算结果求出压缩机P—V特性，提出压缩机性能改进的方向，在此基础上进行压缩机的优化设计工作，减少费时费力的实机试验工作。

    2．4．1主要应用包括

    ①压缩机P-V性能曲线

    ②作用在吸排气阀上的力与时间的关系曲线

    ③吸排气阀上的位移与时间的关系曲线

    ④吸排气阀总的开启与关闭时间

    ⑤各种计算效率(容积效率、绝热效率、机械效率等)

    ⑥质量流量与时间的关系曲线

    2．4．2实施案例分析

    以单转子压缩机(双排气)为例，该技术同样可用于活塞、涡旋压缩机。计算域包括压缩机泵体的整个流体域部分：从压缩机体为止。图l6和图l7为网格模型。

    sTAR—CD在解算转子压缩机模型时所采用的策略：转子处采用SLIDING MESH网格技术，处理转子与缸体的网格移动和物理量的传递；吸排气阀处采用压力开启条件进行变形网格处理，阀片的压力位移关系通过外挂用户子程序(弹簧一质量一阻尼系统)来实现。计算调用过程简单描述如图l8所示。

    图l9、图20、图2l表示的在某一旋转角度时刻压缩腔内的流动分布。图22是根据计算得到的转子压缩机P—V曲线，在此
基础上可以计算获得各种效率参数。

    2，5家用空调器换热器翅片表面流动与传热过程模拟

    STAR-CD的特点在于能够同时求解多重材料间的对流传热、导热和热辐射问题。任意交界面技术则被用来匹配流体与固体表
面的接合，使用户能够很容易地把流体与固体的网格结合起来。

    使用STAR—CD软件，并结合正交实验的研究方法，以国际传热界流行的JF因子作为传热和流动阻力综合性能的评价指
标，研究各种结构参数对换热器(或有限翅片组合)传热与流动阻力性能的影响关系，可以完成对片型设计方案或各种翅片结
构参数的组合方案性能的评估。

    CFD模拟的优势在于：与传统的开实验模具的方法相比，数值计算与分析不仅可以节省大量的时间和模具投资，还可以模拟实验所不能进行的各种工况，尤其在于它可以直观显示和处理翅片表面的各种分布式参数，而这是实验所不具备的。

    2．5．1实施案例分析

    以双桥片的模拟分析为例。图23和图24表示的STAR—CD的模型解算策略。考虑到所要模拟的细小结构特征(如翅片桥高、节距等)相对于整个换热器几何尺度相差太大，因此必须对模型进行简化，通过合理的边界条件设置可以达到这一目的。空调器换热器翅片技术的发展已经从一味追求表面表面结构复杂，增强扰动，强化表面换热向结构简化，温度场与速度场协同，追求流动与传热的综合效果转变。因此，异构、不对称片型应该是今后发展的方向。开发新的翅片表面换热结构形式需要获得翅片表面的流动与传热参数状态，并以此为评估的技术参数，确定结构改进的方向。图25、图26、图27、图28是通过计算获得的双桥片表面流动与换热参数分布。设计人员可以以此做进一步的分析，如JF因子，速度场与温度场的协同角度等。

    2．6家用空调器室外整机工况下的换热器表面热负荷分布模拟

    家用空调器产品设计的主要技术难点之一是换热器特别是蒸发器的流程布置。

    如图29所示，空调器室外结构是比较复杂的，由此使得流动与换热过程的分布式模拟难度加大。由于在风机的驱动下两器表面的风速是不均匀的，因此换热器表面的热负荷分布也是不均匀的。换热器流程布置的等热流密度原则要求通过调整管路(甚至风机系统)使得换热器表面的热负荷尽可能趋向均衡。

    因此，流程布置技术的关键在于获得换热器表面的热负荷分布，在不考虑温度对空气密度的影响的前提下，通过CFD计算获得换热器表面的风速分布也同样能够用于指导流程布置和系统配置。

    2．6．1 CFD需解决的两个问题

    用CFD技术来模拟家用空调器整机工况下的换热器表面热负荷分布需要解决两个问题：

    ①受限于计算机容量，模型的网格数量不易过大，在考虑了风机的真实几何后，就不能同时也将换热器内部结构(如翅片、铜管等)包含到模型中。必须用一种简易的模型来近似模拟换热器的几何形状和空气侧的流动阻力特性。

    对于蒸发器而言，由于管内制冷剂侧存在蒸发的相变过程。应用目前国际现有的LAGRANGLAN 的粒子模型、空泡模型或欧拉的多相流模型来模拟管内制冷剂侧的相变过程都存在一个可信度和模拟精度的问题。

    2．6．2简化

    如图30所示，S rAR—CD模拟这样一个复杂流动与换热过程应该采用了如下的技术进行简化：

    ①多孔介质模型在基于实验提供的空气侧和管内侧的流动压降数据的条件可以用来近似模拟换热器的结构和流动阻力特性。开发相应的用户子程序HX控制空气侧与制冷剂侧的热交换过程，用实验测得换热器的热交换量作为管内外网格单元热交换的修正依据。这样就可以在较高的精度下和较少的硬件资源消耗下，通过CFD计算获得空调器整机工况下换热器表面的风速分布和
热负荷分布。

    2．6_3 STAR-CD的应用价值

    空调器室为外整机流动换热模拟应用价值在于：
 
    ①获得真实风机工况下的换热器表面风速和热负荷分布，指导系统配置。

    ②指导换热器的流程设计，指导风道结构设计。

    ③指导风机的选型配置或叶型结构设计。