基于CFD軟件的空氣潔凈技術課程教學案例及分析

李浩

[摘 要] 將CFD軟件引入空氣潔凈技術的課程教學，通過將計算結果可視化處理，形象地展示了潔凈室內及其設備內的氣流運動，激發了學生的學習興趣，學生的學習效果普遍提高，對潔凈技術中涉及的氣流運動有更直觀的理解。這一教學方法值得堅持和推廣，同時也對授課教師提出了更高的要求，要能掌握CFD軟件的原理及使用方法并能充分理解教學案例中的物理現象。

[關 鍵 詞] CFD；空氣潔凈技術；教學案例

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）16-0169-01

潔凈室內的氣流組織可以分為單向流、非單向流、混合流。不同的氣流組織形式對于潔凈室內的空氣潔凈度有決定性影響，另外在空氣潔凈技術課程中還會介紹到如層流罩、凈化器、風機過濾單元等局部空氣潔凈設備。在空氣潔凈技術課程的教學過程中講述到這些內容時，由于這些內容與普通的中央空調系統中的送風形式和設備有很大不同，學生沒有直觀的理解，對這一概念容易混淆和誤解。利用CFD軟件的可視化處理可以直觀地體現出潔凈室內氣流運動的特點和效果，在教學中能夠幫助學生更好地掌握相關知識。本文以某潔凈室內的層流罩為例，介紹CFD軟件的使用及教學過程。

一、CFD軟件原理及使用流程

CFD軟件模擬是基于計算流體力學的原理，建立各種復雜條件下的基本守恒方程組，利用適當的模型使其封閉，再利用數值方法直接求解偏微分方程組，從而得到整個流場中各變量的時空分布。在進行氣流組織的模擬時，其使用流程是：首先，先建立潔凈室的物理模型，將潔凈室內的送風口、回風口及室內設備等按照其實際尺寸利用建模軟件（如GAMBIT、ICEM等）建好，并生成計算網格；其次，將生成好的網格文件導入計算軟件（如FLUENT、phoenix、STAR-CD等），在軟件中選擇湍流模型并對邊界條件進行設置，并啟動計算；第三步，在計算完成后利用計算軟件或后處理軟件（如TECPLOT）將計算結果轉換成直觀的圖片或視頻等，可視化地顯示出來。

二、潔凈室CFD教學案例及分析

本案例為某潔凈室內的一個層流罩。層流罩在實際使用中為提高其下方空間潔凈度，有時會使用塑料圍擋將層流罩下方包圍起來，使潔凈氣流能直接送至工作臺面，避免卷吸周圍空氣。而沒有圍擋時，由于層流罩送風氣流的影響，隨著射流方向會逐漸卷席周圍空氣，送風速度衰減較快，有將周圍空氣送至工作臺面的可能。

在介紹層流罩設備這一現象時，由于學生對于氣流卷吸沒有概念，很難理解卷吸的影響。同時這一現象也很難通過實驗來實現。利用CFD軟件可以將其很清晰地顯示出來。如圖1和圖2分別為無圍擋和有圍擋時層流罩所在潔凈室內的風速分布，可以明顯地從圖1中看出層流罩送風卷吸周圍空氣的現象，在0.4m/s的層流罩出口送風速度下，送至工作臺面上方時已降至0.28m/s。而圖2中就不存在這一卷吸現象，送風氣流送至工作臺面上方時風速仍有0.36m/s。

通過CFD軟件的可視化結果，學生能直觀地看出卷吸氣流的影響，并能更好地理解圍擋對于層流罩的作用。類似情況在空氣潔凈技術的課程中并不少見，如單向流送風和非單向流送風的區別、垂直單向流和水平單向流的區別、潔凈室內顆粒物的運動等氣流現象。借助CFD軟件的可視化處理，可以更好地幫助學生理解和掌握這些知識。

經過近兩年的教學實踐，學生普遍對這一教學方式表示歡迎。將書本上枯燥的理論知識用相對容易理解的圖片或影像等方式表現出來，對于學生理解并掌握相關知識有很大幫助，學生成績普遍有所提高。但對于授課教師而言，也提出了更高的要求，要能掌握CFD的相關知識并能將之順利應用于課堂教學，授課教師在課余時間必須付出更多。由于本課程針對的學生大部分都是大三或大四的本科生，他們對于CFD軟件的原理及使用都不甚了解，甚至有可能從未聽說過。授課教師需要掌握CFD軟件的原理和使用方法，在備課時將所需教學案例建模計算并截取相應結果，并能充分掌握結果中顯示的物理現象，同時在授課時生動地講述，這樣才能取得更好的教學效果。

參考文獻：

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