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摘要：CFD的模拟设备使用简单、投资小、计算速度快、计算空间不受限制，并可以依据各种情况进行计算，这是其他算法所不具备的。随着我国经济的不断发展，CFD技术已成为一种重要的计算方法并在建筑领域中越来越多的被应用。
关键词：CFD分析技术；白色家电产品研发；应用
引言
在全球家电业竞争日益激烈的形势下，中国家电行业的研发部门面临着前所未有的机遇和挑战。高效的研发力量不仅可以从本质上提高家电产品的性能、质量和可靠性，还可以凭借前沿性的设计概念引导市场，迅速提高公司的竞争力。目前，研发部门面临着如何以最低的成本，最快速度完成家电产品的高质量设计，设计指标要达到或超越业界通行标准的重要挑战。
1 CFD分析技术的概述
CFD分析技术（即计算流体动力学技术）和结构有限元分析技术是构成家电产品设计CAE技术的两块重要组成部分。CFD分析技术给技术人员提供一种全新的设计方式，使设计与性能预测同步进行，在根本上将技术人员从传统的设计模式中解脱出来，使有更多的时间与精力着重于产品的创新。
白色家电产品中有许多涉及流动与换热的技术领域，如家用空调产品中的风扇设计、换热器翅片传热与结构优化问题，冰箱与冷柜产品中的箱内温度分布模拟与控制等，这些都与流动传热有着密切联系。借助 CFD分析技术，可以在计算机中完成多种设计方案评估，减少对模具和制作费用的投入，进一步缩短研制周期，提高市场的快速适应能力。
在日本、韩国及欧洲，CFD分析技术已广泛应用到家电行业中，且已达到实用化阶段。许多著名的跨国公司，如大金、松下、LG、三星等企业已将此技术有机地引入产品设计中，形成高效的新产品设计流程。CFD分析技术已成为白色家电产品设计的主流技术之一。
但与国际家电同行比较，国内企业的CFD分析技术尚处于研究、探索阶段，能够独立将 CFD分析技术应用于产品优化设计中的企业尚不多见。具体有如下原因：（1）CFD经费投入不足；（2）设计人员的CFD专业知识缺乏；（3）CFD软件的培训不到位。即使是已购买了商用 CFD软件的公司，其计算机辅助设计的作用也远远未发挥出来。根据国际经验，工程项目的执行价值远重要于所购买的软件工具的价值，因此，项目实施能力应与软件结合起来重点加强。
2 CFD分析技术在白色家电产品中的求解领域
2.1家用空调器房间热舒适性分析与评估
舒适性评价指标PMV、PPD的数学模型中包含与人体活动量、环境气流状态的参数。这些参数的获得对舒适性评价指标的计算至关重要。环境气流状态参数包括气流速度、温度、湍流度等，用常规的测试方法很难获得房间人体活动区域内的流场分布状态。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆但用CFD分析技术可以方便获取这些参数：首先对指定工况下的空调房间流场进行解算，获取房间的流场分布参数，在此基础上调用舒适性评价指标模型进行计算，完成对空调房间热舒适性能的评估。
2.2工业造型设计方案的评估
家电产品的工业造型设计更多的是从美学角度进行创意，没有考虑结构设计对空气动力学和传热学的影响，使很多有创意的工业造型设计不符合实际空气循环的规律和要求。应用 CFD分析技术，通过模拟各种结构设计方案下的内部风道的流动，可提供用于评估所需要的各种场参数分布。
2.3家用空调器室内机进出风结构形式与节能关系的评估
室内机出风结构形式设计及其控制下的房间温度分布和气流循环对空调器的能源消耗有着直接关系。较为理想的空调房间环境应具有如下特点：温度场分布较均匀，对人体出风柔和，温度变化平缓，空调控制设定温度与人体感温误差较小，做到“体温”控制。
CFD分析技术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空气侧的状态参数。
2.4风扇的空气动力学模拟与分析
CFD分析技术可以有效完成风冷冰箱和家用空调风扇的空气动力学模拟与分析，为风机的设计和选型，及系统匹配提供必要的参数与技术评估。
2.5风机系统的气动声学模拟
家电产品的噪声源主要在于两方面：气动噪声和结构振动噪声。前者是由风机在高速运转时流体脱落与分离产生的离散噪声和所谓的旋转噪声组成。气动噪声的实质是流体的表面压力和速度脉动所表现的双极子和四极子声源的传播与扩散。
商业 CFD软件（如STAR-CD等）在提供 CFD与CA（计算声学）的接口后，可将两者结合在一起进行耦合计算，使用LES/DES湍流模型解算基于时间步长的空间表面压力脉动分布和速度脉动参数分布，并由此获得系统的噪声源分布和噪声传播途径。这种结果对工程技术人员进行降噪工作或风扇叶型的设计相当有意义，使之能直观方便的确定声源分布和声源强弱的大小，可以作理性的结构变更和优化设计。
2.6家用电器产品用压缩机内部工质流动与压缩过程模拟
CFD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模拟分析，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，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。
2.7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。由于在风机的驱动下两器表面的风速不均匀，因此换热器表面的热负荷分布也不均匀。流程布置技术的关键在于获得换热器表面的热负荷分布，通过 CFD计算获得换热器表面的风速分布也同样能用于指导流程布置和系统配置。
2.8流固耦合分析
CFD分析技术可以和结构分析技术进行耦合计算，获得在流动产生的压力载荷下的物体的变形和应力分布。这是一种间接的计算方法。其基本思想可归结如下：先由结构分析软件建立针对实际问题的有限元模型，计算获得质量、刚度、阻尼矩阵，再将结果输入到 CFD中，计算在流体作用下的物体变形的位移量和表面压力负载，最后再将结果输入到结构分析软件中完成应力及其他分析工作。流固耦合分析在家电领域的主要应用在：与热流体相互作用的强度分析和振动分析。如空调器室外轴流风扇的强度分析，洗衣机洗衣过程中桶体的振动分析等。
结束语：CFD分析技术的应用非常广泛，其在产品开发中发挥作用的大小不仅取决于模型建立的正确与否，更重要在于计算结果的专业分析。作为CAE技术的拓展，CFD（计算机辅助优化）技术越来越得到重视。CFD技术的核心思想是基于遗传算法的多目标寻优和多目标决策。其优势在于寻优是自动的，减少了CFD分析人员对专业知识的依赖。
参考文献
[1]龚光彩.CFD技术在暖通空调制冷工程中的应用[J].暖通空调，2012，29（6）：25-27.
[2]Flake K.K.，潭洪卫，等.空调设计中的 CFD应用[J].现代空调，2011（1）.
论文作者:曾伟斌
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第27期
论文发表时间:2018/2/28
标签：技术论文; 空调器论文; 噪声论文; 家电论文; 换热器论文; 压缩机论文; 家电产品论文; 《建筑学研究前沿》2017年第27期论文;