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　　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(dòng)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(shí)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(chǎng)（以流線是否為平行或近似平行的直線來判定；對(duì)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(shí)，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(shí)，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(dòng)總是受潔凈室?guī)缀涡螤?、送風(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(huì)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(dòng)的作用下會(huì)產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)，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(cè)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(dòng)，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(dòng)，流場(chǎng)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(píng)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(chǎng)實(shí)測(cè)，另一種途徑是憑借計(jì)算機(jī)方法對(duì)潔凈室氣流運(yùn)動(dòng)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(duì)潔凈室氣流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行評(píng)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(jiǎn)稱CFD 即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）是目前國際上一個(gè)強(qiáng)有力的研究領(lǐng)域，是進(jìn)行“三傳”（傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)大的方面：一是產(chǎn)品的開發(fā)；另一是流動(dòng)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?cè)谶x擇或確定某種具體流型及氣流組織方案時(shí)一般是依靠現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)、模擬實(shí)驗(yàn)及簡(jiǎn)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(cè)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(duì)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(duì)準(zhǔn)確地給出流體流動(dòng)的細(xì)節(jié)，如速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)或顆粒濃度場(chǎng)分布的時(shí)變特性（不定常特性），因而不僅可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)流體產(chǎn)品的整體性能，而且很容易從對(duì)流場(chǎng)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(píng)估改進(jìn)是否有效，并更容易得到某些規(guī)律性的知識(shí)。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(píng)估”與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的相應(yīng)環(huán)節(jié)”測(cè)試評(píng)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(cè)試評(píng)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(gè)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(cè)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(jí)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)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(jiǎn)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(duì)這些氣流組織方式進(jìn)行分析、模擬與預(yù)報(bào)時(shí)，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(shì)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(duì)氣流流動(dòng)機(jī)理認(rèn)識(shí)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(duì)描述潔凈室氣流狀態(tài)的控制方程進(jìn)行過多的簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(duì)潔凈室氣流流型及氣流組織型式進(jìn)行模擬或仿真時(shí)，選擇合適的控制方程是最基本的問題之一。由于我們?cè)诜治鰸崈羰覂艋Ч麜r(shí)，必須了解顆粒物的時(shí)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(dòng)。就室內(nèi)潔凈氣流而言，其氣相流場(chǎng)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(duì)粒相而言，應(yīng)充分分析顆粒在流場(chǎng)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(jí)，很容易隨氣流飄散，一個(gè)最簡(jiǎn)單的假設(shè)即是對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)采用多流體或隨機(jī)軌道模型等。對(duì)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?cè)趶氖逻@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(duì)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(duì)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(duì)孔口近似模化及進(jìn)行網(wǎng)路劃分時(shí)將會(huì)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(duì)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(duì)潔凈氣流的研究以單向流為主，幾乎還未把氣粒倆相流動(dòng)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(dòng)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(shì)，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。