基于Ansys CFX的動物學實驗室室內凈化器內部流場模擬分析

于亞芳+吳桐+劉艷華

【摘 要】為了設計高效的動物學實驗室室內凈化器，本文利用Ansys CFX模擬計算動物學實驗室室內凈化器內部流場。模擬結果表明：本文所設計的動物學實驗室室內凈化器的進氣端壓力較高，氣流在各個腔室內存在一定的渦旋，會造成壓力損失，但整體仍在合理的范圍之內。

【關鍵詞】動物學實驗室；凈化器；內部流場；Ansys

高校實驗室是在校師生的主要學習、活動的場所之一。因此，有效的保證實驗室的空氣質量，對在校師生的身體健康具有十分重要的現實意義。為此，本文基于動物學實驗室日常應用的特點，設計了動物學實驗室室內凈化器，并借助Ansys CFX的軟件，對其內部流場進行了模擬分析。

1 動物學實驗室室內凈化器基本結構設計

為了有效的凈化室內空氣污染物，動物學實驗室室內凈化器采用了多腔室（三腔室）循環凈化結構。其中第一腔室長240mm，第二腔室長120mm，第三腔室長135mm。其中各個腔室間使用穿孔隔板隔開，并用緩沖管連接各個腔室，以實現多重的循環凈化。

2 動物學實驗室室內凈化器物理模型的建立

利用CatiaV5R21軟件建立動物學實驗室室內凈化器三維實體模型，再轉換格式，將其導入到ANSYS Workbench軟件中，采用網格劃分軟件ICEM CFD進行網格的劃分。

2.1 流場分析模型建立

流場區域為凈化器的空腔部分，通過布爾運算構造流場區域。之后對流場區域進行網格劃分。由于進氣口和排氣口物理參數變化梯度大，所以采用膨脹法劃分網格，并且在邊界采用三棱柱邊界層網格，其凈化器總網格數為2738193。

2.2 利用CFX求解

2.2.1 流體參數設置

流場分析首先需要確定凈化器系統相關參數，其具體參數如下：

1）假設凈化器系統內為牛頓流體，密度ρ=1.185kg/m3，動力粘性系數為μ=1.831×10-5N·S/m2。

2）根據流體動力學理論，確定凈化器內為不可壓縮液體。

3）依據雷諾數凈化器內為湍流。

2.2.2 流體邊界條件設置

對流場區域進行前處理，設定進出口邊界條件，進氣口邊界條件為氣體流速30m/s，排氣口邊界條件為靜態壓力0Pa。本文中選用標準的k？ε模型進行質量、動量和能量方程求解，并假設壁面邊界條件非振動，沒有滑移。

3 仿真結果分析

3.1 速度場

速度流線圖表示的是氣體流動趨勢，由1可知，氣體從進氣管進入，在進氣管端口處，存在著氣體流動空間縮小，氣體流速上升的趨勢。隨后一部分氣體從凈化器的緩沖管上的穿孔流出，速度上升，進入第二腔。并且從凈化器進氣管流入的氣流在第一腔和第二腔內分布較均勻，并且由于不同速度氣流相互沖擊而形成的漩渦相對較少。湍流和氣體回流減少，所以由此造成的動能損失相對減少。同時有圖2，還可以發現氣流在小孔附近較為集中，使流速增加。但從整體看，凈化器內氣流存在局部渦流現象，該現象有助于凈化措施與氣流反應，有利于提高反應效率。

3.2 壓力場

從圖2中可以看出，凈化器其壓力分布的最大位置是進氣管內部和凈化器第二腔末端。凈化器內流體經第一腔后，由于結構上的阻礙，氣流的速度逐漸降低，并在第二腔末端形成一定的堆積，使得此處的靜壓力升高。由此可知，由于氣流壓差的變化，必然導致了能量有所損耗。究其原因，是第二腔室的有效容積相對較少，導致了氣流不能順利通過所致。

3.3 溫度場

隨著消聲器內部氣流的流動方向，內部溫度有一定的變化，由于凈化器壁面散熱，因此隨著氣流的方向溫度減小；當外界氣流直接進入進氣管時，由于腔體內部的緩沖管上穿孔結構的存在使得腔體局部的溫度有一定的變化，使得其腔室內的有效容積變小導致其熱量不能充分擴散，故最終由模擬圖3上可以看出排氣溫度的降低較小。

4 結論

本文為有效解決高校動物學實驗室室內空氣污染問題，特設計的室內凈化器樣機，并利用ansys CFX對該凈化器內部的空氣流動情況進行了模擬仿真。仿真結果表明了該凈化器的氣流存在局部渦流現象，且溫度擴散較好，壓力損失在合理的范圍內。

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[責任編輯：田吉捷]