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潔凈室流型及氣流組織與cfd氣流方法

編輯：chocolate 2011-01-07 09:46:41 瀏覽：3810 來源：深圳潔凈行業(yè)網(wǎng)

　　介紹CFD方法在潔凈室氣流流型及氣流組織模擬工程中的應(yīng)用，并介紹了CFD軟件的一般結(jié)構(gòu)。指出了我國在CFD技術(shù)研究領(lǐng)域與國際先進(jìn)水平的差距及我國本領(lǐng)域中進(jìn)一步開展CFD研究的發(fā)展方向。

　　1、潔凈室流型及氣流組織

　　通常，潔凈室可分為亂流潔凈室與單向流潔凈室。就潔凈室的氣流狀態(tài)而言，其流動一般均處于紊流狀態(tài)。亂流潔凈室與單向流潔凈室并不是以層、紊流狀態(tài)即Re數(shù)大小來劃分的（層流狀態(tài)時雖可得到真正意義上的單向流，但在實(shí)際工程中因Re數(shù)太小幾乎不能實(shí)現(xiàn)—），而是以流場（以流線是否為平行或近似平行的直線來判定；對紊流來講，流線是否為平行或近似平行的直線是一種統(tǒng)計(jì)意義上即系綜的概念）是否均勻來劃分的。當(dāng)潔凈室氣流處于均勻或漸變狀態(tài)時，潔凈室可稱為單向流潔凈室；當(dāng)潔凈室氣流處于急變或突變流狀態(tài)時，潔凈室可稱為亂流潔凈室。

　　不論是亂流潔凈室，還是單向流潔凈室，其內(nèi)部的氣流運(yùn)動總是受潔凈室?guī)缀涡螤睢⑺惋L(fēng)氣流及其相關(guān)參數(shù)（送風(fēng)口幾何與結(jié)構(gòu)特征參數(shù)及送、回風(fēng)口在潔凈室內(nèi)壁上的布局及敷設(shè)方式等因素的制約，這些因素的任何改變或不同的參數(shù)組合，都會得到潔凈室內(nèi)的不同氣流組織型式。在不同的氣流組織型式及送回風(fēng)參數(shù)條件下，室內(nèi)污染源所散發(fā)的顆粒物在氣流運(yùn)動的作用下會產(chǎn)生不同的運(yùn)動，亦使?jié)崈羰矣胁煌膬艋ЧＲ詠y流潔凈室為例，有高效過濾器頂送、密集流線型散流器頂送、局部孔板頂送、測送等不同的氣流組織型式，在這些氣流組織型式中不可能形成流線為平行直線的流動，其主要特點(diǎn)是從平流到出流（從送風(fēng)口到回風(fēng)口）之間的氣流的流通斷面是變化的，潔凈室斷面比送風(fēng)口斷面大得多，因而不可能在全室斷面或全室工作區(qū)斷面形成均勻氣流，所以氣流由送風(fēng)口出口后的主流流線彼此有很大或越來越大的夾角，流線曲率半徑很小，有回流、旋流產(chǎn)生。在這些情況下，潔凈室的凈化效果如何，是需要認(rèn)真研究的。再如單向流潔凈室，其氣流是一種“置換式”運(yùn)動，流場中主流流線平行度如何，同樣需要認(rèn)真研究。如何選擇合理的潔凈室類型及氣流組織型式，涉及到潔凈室凈化效果的評價(jià)，一般地講，可以有倆大途徑。一條途徑是根據(jù)實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)場實(shí)測，另一種途徑是憑借計(jì)算機(jī)方法對潔凈室氣流運(yùn)動進(jìn)行仿真或模擬研究。本文主要介紹計(jì)算機(jī)仿真即CFD方法如何對潔凈室氣流運(yùn)動進(jìn)行評估或預(yù)估，從而實(shí)現(xiàn)潔凈室工作的優(yōu)化。

　　2、潔凈室流型及氣流組織的CFD模擬

　　CFD（Computational Fluid Dynamics 簡稱CFD 即計(jì)算流體動力學(xué)）是目前國際上一個強(qiáng)有力的研究領(lǐng)域，是進(jìn)行“三傳”（傳熱、傳質(zhì)、動量傳遞）及燃燒、多相流和化學(xué)反應(yīng)研究的核心和重要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于熱能動力、航空航天、機(jī)械、土木水利、環(huán)境化工、暖通空調(diào)及空氣潔凈等諸多工程領(lǐng)域，空氣潔凈及其模擬與預(yù)報(bào)是CFD技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。與空氣潔凈相關(guān)的主要是潔凈室流型及氣流組織型式、室內(nèi)顆粒運(yùn)動及空氣過濾器工作過程的CFD分析。

　　2.1 用CFD方法進(jìn)行潔凈模擬與預(yù)報(bào)的一般步驟

　　CFD方法在流體模擬與預(yù)報(bào)中的用途，主要表現(xiàn)為倆個大的方面：一是產(chǎn)品的開發(fā)；另一是流動狀態(tài)的模擬與預(yù)報(bào)。如果把潔凈室流型及氣體組織型式設(shè)計(jì)方案看作是一件產(chǎn)品，那么過去我們在選擇或確定某種具體流型及氣流組織方案時一般是依靠現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)、模擬實(shí)驗(yàn)及簡單的理論分析來完成的，這是一種傳統(tǒng)的優(yōu)選方法。

　　在這種方案優(yōu)選過程中，方案可行與否往往取決于試驗(yàn)，為保證性能穩(wěn)定，就不得不進(jìn)行大量試驗(yàn)，而且，設(shè)計(jì)方案的篩選和優(yōu)化是在設(shè)計(jì)、執(zhí)照、測試部門之間進(jìn)行的大循環(huán)，由于設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)多，設(shè)計(jì)方案產(chǎn)品的開發(fā)周期長，費(fèi)用高；對工程設(shè)計(jì)而言，往往需要進(jìn)行方案選擇、優(yōu)化，這一工作一般是靠經(jīng)驗(yàn)完成，則難免導(dǎo)致方案可靠性降低，從而一起設(shè)計(jì)失敗。計(jì)算流體力學(xué)即CFD的應(yīng)用則改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，由于CFD軟件可以相對準(zhǔn)確地給出流體流動的細(xì)節(jié)，如速度場、壓力場、溫度場或顆粒濃度場分布的時變特性（不定常特性），因而不僅可以準(zhǔn)確預(yù)測流體產(chǎn)品的整體性能，而且很容易從對流場的分析中發(fā)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)中的問題，據(jù)此提出的改進(jìn)方案只需重新計(jì)算一次就可以判斷、評估改進(jìn)是否有效，并更容易得到某些規(guī)律性的知識。這樣，工程的設(shè)計(jì)與優(yōu)化很少依賴經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)，試驗(yàn)（或經(jīng)驗(yàn)）的目的最多是進(jìn)一步驗(yàn)證工程設(shè)計(jì)過程的合理性。所以現(xiàn)代設(shè)計(jì)過程應(yīng)呈如下結(jié)構(gòu)：

　　在這一過程中,用虛線表示的環(huán)節(jié)”試驗(yàn)驗(yàn)證或?qū)＜以u估”與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的相應(yīng)環(huán)節(jié)”測試評估或?qū)＜艺撟C”的工作量相比大為減少,因?yàn)閭鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的”測試評估”所包含的試驗(yàn)往往是探究性試驗(yàn),需要有大量的”試驗(yàn)樣本”,才能從這些”試驗(yàn)樣本”中找到規(guī)律。而現(xiàn)代設(shè)計(jì)過程中，“試驗(yàn)樣本”這一環(huán)節(jié)中的大量工作已通過CFD工作完成，即通過CFD工作形成大量的“虛擬實(shí)驗(yàn)樣本”，只需要極少或無需實(shí)際的“試驗(yàn)樣本”即可檢驗(yàn)CFD方法的可靠性、正確性，故現(xiàn)代設(shè)計(jì)過程只工作量大為減少。在這種現(xiàn)代設(shè)計(jì)過程中，方案設(shè)計(jì)在這個設(shè)計(jì)循環(huán)中占有很大的比重，特別是方案設(shè)計(jì)階段的CFD分析占有相當(dāng)重要的地位。方案的篩選是以科學(xué)性的分析為基礎(chǔ)，因而比較容易保證設(shè)計(jì)成功和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，而且他將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的大循環(huán)過程轉(zhuǎn)變成方案帶有預(yù)測性質(zhì)的校驗(yàn)循環(huán)（驗(yàn)證循環(huán)），當(dāng)設(shè)計(jì)已經(jīng)級基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求時再轉(zhuǎn)入通常的詳細(xì)設(shè)計(jì)，大大減少了設(shè)計(jì)過程的中間環(huán)節(jié)。另外現(xiàn)代CFD分析技術(shù)的發(fā)展不僅大大減少試驗(yàn)次數(shù)，甚至完全取消試驗(yàn)，即所謂的“虛擬產(chǎn)品開發(fā)”（Virtual Product Development 簡稱 VPD）。因此，CFD技術(shù)的大量應(yīng)用能顯著縮短設(shè)計(jì)周期，降低費(fèi)用。

　　2.2 潔凈室氣流組織模擬與預(yù)報(bào)的CFD過程

　　前面我們已經(jīng)談到了亂流潔凈室與單向流潔凈室及其不同型式的氣流組織方式，對這些氣流組織方式進(jìn)行分析、模擬與預(yù)報(bào)時，大多依靠理論解析和模擬試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)倆大類來完成。傳統(tǒng)的理論解析是以勢流理論為基礎(chǔ)的，這是一種確定性方法，是存在一定局限性的。近年來人們發(fā)展了一些現(xiàn)代的分析、模擬、預(yù)報(bào)方法如隨機(jī)過程方法、模擬數(shù)學(xué)方法、灰方法等。這些是不確定性方法，但基本上是以求得某種解析解為基礎(chǔ)的，在潔凈室齊魯IAQ分析中有較大的用處，但這些方法對氣流流動機(jī)理認(rèn)識不足。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)性能的極大提高和完善，人們不必對描述潔凈室氣流狀態(tài)的控制方程進(jìn)行過多的簡化而借助與計(jì)算機(jī)通過運(yùn)用CFD方法來得到潔凈環(huán)境狀態(tài)的細(xì)節(jié)，它是一種相對完善的確定性數(shù)值方法。潔凈環(huán)境模擬與預(yù)報(bào)的一般CFD過程可表示為圖3.在圖3所示的過程中，“試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)判定”環(huán)節(jié)在使用CFD方法后僅需少量的試驗(yàn)工作，大量的試驗(yàn)工作通過計(jì)算機(jī)來“虛擬”實(shí)現(xiàn)。

　　3、CFD軟件的一般結(jié)構(gòu)與潔凈室氣流控制方程

　　CFD軟件的一般結(jié)構(gòu)可表示如下：

　　對前處理、求解器及后處理等三大模塊而言，有各自獨(dú)特的作用，分述如下：

　　在用CFD方法對潔凈室氣流流型及氣流組織型式進(jìn)行模擬或仿真時，選擇合適的控制方程是最基本的問題之一。由于我們在分析潔凈室凈化效果時，必須了解顆粒物的時空變化規(guī)律，故一般情況下宜將潔凈室氣流視為氣粒倆相流動。就室內(nèi)潔凈氣流而言，其氣相流場可用搜κ-ε雙方程模型、DSM模型、ASM模型、κ方程模型、零方程模型等。對粒相而言，應(yīng)充分分析顆粒在流場中所受到的各種外力的作用，由于空氣潔凈所研究的顆粒尺度很小，處于微米數(shù)量級，很容易隨氣流飄散，一個最簡單的假設(shè)即是對粒子運(yùn)動采用多流體或隨機(jī)軌道模型等。對單流體模型，其粒子擴(kuò)散方程可如下描述：

　　該方程與氣相方程聯(lián)合使用，可描述潔凈氣流的倆相狀態(tài)。

　　4、結(jié)束語

　　我國從事潔凈環(huán)境模擬領(lǐng)域的CFD軟件研究才剛剛起步，目前只有少數(shù)人們在從事這方面的研究，與國外先進(jìn)水平相比還有較大的差距。國內(nèi)如清華大學(xué)、天津大學(xué)、哈爾濱建筑大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)以及湖南大學(xué)等高校對通風(fēng)空調(diào)工程中的空調(diào)氣流組織之CFD優(yōu)化研究均開展了一些研究工作，例如關(guān)于高大空間氣流組織優(yōu)化研究的CFD軟件可以很方便的移植到亂流潔凈室氣流組織的研究工作中。但是對全面孔板送風(fēng)的單向流潔凈室而言，由于孔板孔口園而細(xì)，且其在孔板上分布較密，對孔口近似模化及進(jìn)行網(wǎng)路劃分時將會遇到很大的障礙，必須有容量很大的高性能計(jì)算機(jī)才可克服這中障礙，對這種孔口密集分布的孔板送分及相關(guān)氣流組織的CFD研究，國內(nèi)似乎尚未開展起來；而且現(xiàn)階段國內(nèi)對潔凈氣流的研究以單向流為主，幾乎還未把氣粒倆相流動的CFD理論引入潔凈氣流的研究工作中。就潔凈室氣流的試驗(yàn)研究而言，建研院空調(diào)所、同濟(jì)大學(xué)及天津大學(xué)等單位開展較多的工作，CFD仿真技術(shù)與試驗(yàn)手段是相互補(bǔ)充、相互印證的，國內(nèi)的科研院所及企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)聯(lián)系與合作，以推進(jìn)我國的潔凈技術(shù)水平。前面已經(jīng)談到，CFD軟件一般包括三部分，即前處理，求解（核心）部分及后處理（科學(xué)計(jì)算可視化）部分，從軟件工程的角度來看，求解的(核心計(jì)算)部分與國外先進(jìn)水平差距不大，主要差距表現(xiàn)在前處理即幾何造體與網(wǎng)絡(luò)自動生成技術(shù)、后處理即科學(xué)計(jì)算可視化部分。目前在我國國內(nèi)已出現(xiàn)了CFX和PHOENICS等流體模擬商業(yè)軟件，他們可用于潔凈環(huán)境模擬問題中。從目前應(yīng)用看，CFX系列存在一定優(yōu)勢，其界面友好且功能強(qiáng)大，其軟件結(jié)構(gòu)見前述。從總體上來看，我國潔凈環(huán)境工程領(lǐng)域中開展CFD方面研究尚有大量工作要做。但是，由于CFD技術(shù)本身固有的有點(diǎn)，其在潔凈室模擬與優(yōu)化工程中必將有很大的應(yīng)用前景。