李浩

[摘 要] 將CFD軟件引入空氣潔凈技術(shù)的課程教學(xué)，通過(guò)將計(jì)算結(jié)果可視化處理，形象地展示了潔凈室內(nèi)及其設(shè)備內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果普遍提高，對(duì)潔凈技術(shù)中涉及的氣流運(yùn)動(dòng)有更直觀的理解。這一教學(xué)方法值得堅(jiān)持和推廣，同時(shí)也對(duì)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(xué)案例中的物理現(xiàn)象。

[關(guān) 鍵 詞] CFD；空氣潔凈技術(shù)；教學(xué)案例

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）16-0169-01

潔凈室內(nèi)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(duì)于潔凈室內(nèi)的空氣潔凈度有決定性影響，另外在空氣潔凈技術(shù)課程中還會(huì)介紹到如層流罩、凈化器、風(fēng)機(jī)過(guò)濾單元等局部空氣潔凈設(shè)備。在空氣潔凈技術(shù)課程的教學(xué)過(guò)程中講述到這些內(nèi)容時(shí)，由于這些內(nèi)容與普通的中央空調(diào)系統(tǒng)中的送風(fēng)形式和設(shè)備有很大不同，學(xué)生沒(méi)有直觀的理解，對(duì)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(xiàn)出潔凈室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)和效果，在教學(xué)中能夠幫助學(xué)生更好地掌握相關(guān)知識(shí)。本文以某潔凈室內(nèi)的層流罩為例，介紹CFD軟件的使用及教學(xué)過(guò)程。

一、CFD軟件原理及使用流程

CFD軟件模擬是基于計(jì)算流體力學(xué)的原理，建立各種復(fù)雜條件下的基本守恒方程組，利用適當(dāng)?shù)哪Ｐ褪蛊浞忾]，再利用數(shù)值方法直接求解偏微分方程組，從而得到整個(gè)流場(chǎng)中各變量的時(shí)空分布。在進(jìn)行氣流組織的模擬時(shí)，其使用流程是：首先，先建立潔凈室的物理模型，將潔凈室內(nèi)的送風(fēng)口、回風(fēng)口及室內(nèi)設(shè)備等按照其實(shí)際尺寸利用建模軟件（如GAMBIT、ICEM等）建好，并生成計(jì)算網(wǎng)格；其次，將生成好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入計(jì)算軟件（如FLUENT、phoenix、STAR-CD等），在軟件中選擇湍流模型并對(duì)邊界條件進(jìn)行設(shè)置，并啟動(dòng)計(jì)算；第三步，在計(jì)算完成后利用計(jì)算軟件或后處理軟件（如TECPLOT）將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成直觀的圖片或視頻等，可視化地顯示出來(lái)。

二、潔凈室CFD教學(xué)案例及分析

本案例為某潔凈室內(nèi)的一個(gè)層流罩。層流罩在實(shí)際使用中為提高其下方空間潔凈度，有時(shí)會(huì)使用塑料圍擋將層流罩下方包圍起來(lái)，使?jié)崈魵饬髂苤苯铀椭凉ぷ髋_(tái)面，避免卷吸周圍空氣。而沒(méi)有圍擋時(shí)，由于層流罩送風(fēng)氣流的影響，隨著射流方向會(huì)逐漸卷席周圍空氣，送風(fēng)速度衰減較快，有將周圍空氣送至工作臺(tái)面的可能。

在介紹層流罩設(shè)備這一現(xiàn)象時(shí)，由于學(xué)生對(duì)于氣流卷吸沒(méi)有概念，很難理解卷吸的影響。同時(shí)這一現(xiàn)象也很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用CFD軟件可以將其很清晰地顯示出來(lái)。如圖1和圖2分別為無(wú)圍擋和有圍擋時(shí)層流罩所在潔凈室內(nèi)的風(fēng)速分布，可以明顯地從圖1中看出層流罩送風(fēng)卷吸周圍空氣的現(xiàn)象，在0.4m/s的層流罩出口送風(fēng)速度下，送至工作臺(tái)面上方時(shí)已降至0.28m/s。而圖2中就不存在這一卷吸現(xiàn)象，送風(fēng)氣流送至工作臺(tái)面上方時(shí)風(fēng)速仍有0.36m/s。

通過(guò)CFD軟件的可視化結(jié)果，學(xué)生能直觀地看出卷吸氣流的影響，并能更好地理解圍擋對(duì)于層流罩的作用。類似情況在空氣潔凈技術(shù)的課程中并不少見(jiàn)，如單向流送風(fēng)和非單向流送風(fēng)的區(qū)別、垂直單向流和水平單向流的區(qū)別、潔凈室內(nèi)顆粒物的運(yùn)動(dòng)等氣流現(xiàn)象。借助CFD軟件的可視化處理，可以更好地幫助學(xué)生理解和掌握這些知識(shí)。

經(jīng)過(guò)近兩年的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生普遍對(duì)這一教學(xué)方式表示歡迎。將書(shū)本上枯燥的理論知識(shí)用相對(duì)容易理解的圖片或影像等方式表現(xiàn)出來(lái)，對(duì)于學(xué)生理解并掌握相關(guān)知識(shí)有很大幫助，學(xué)生成績(jī)普遍有所提高。但對(duì)于授課教師而言，也提出了更高的要求，要能掌握CFD的相關(guān)知識(shí)并能將之順利應(yīng)用于課堂教學(xué)，授課教師在課余時(shí)間必須付出更多。由于本課程針對(duì)的學(xué)生大部分都是大三或大四的本科生，他們對(duì)于CFD軟件的原理及使用都不甚了解，甚至有可能從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)。授課教師需要掌握CFD軟件的原理和使用方法，在備課時(shí)將所需教學(xué)案例建模計(jì)算并截取相應(yīng)結(jié)果，并能充分掌握結(jié)果中顯示的物理現(xiàn)象，同時(shí)在授課時(shí)生動(dòng)地講述，這樣才能取得更好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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