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潔凈室流型、氣流組織與cfd氣流方法

來源:admin 發布時間:2018/6/22

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用,并介紹了CFD軟件的一般結構。指出了我國在CFD技術研究領域與國際先進水平的差距及我國本領域中進一步開展CFD研究的發展方向。
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而言,其流動一般均處于紊流狀態。亂流潔凈室與單向流潔凈室并不是以層、紊流狀態即Re數大小來劃分的(層流狀態時雖可得到真正意義上的單向流,但在實際工程中因Re數太小幾乎不能實現—),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計意義上即系綜的概念)是否均勻來劃分的。當潔凈室氣流處于均勻或漸變狀態時,潔凈室可稱為單向流潔凈室;當潔凈室氣流處于急變或突變流狀態時,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,其內部的氣流運動總是受潔凈室幾何形狀、送風氣流及其相關參數(送風口幾何與結構特征參數及送、回風口在潔凈室內壁上的布局及敷設方式等因素的制約,這些因素的任何改變或不同的參數組合,都會得到潔凈室內的不同氣流組織型式。在不同的氣流組織型式及送回風參數條件下,室內污染源所散發的顆粒物在氣流運動的作用下會產生不同的運動,亦使潔凈室有不同的凈化效果。以亂流潔凈室為例,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,其主要特點是從平流到出流(從送風口到回風口)之間的氣流的流通斷面是變化的,潔凈室斷面比送風口斷面大得多,因而不可能在全室斷面或全室工作區斷面形成均勻氣流,所以氣流由送風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、旋流產生。在這些情況下,潔凈室的凈化效果如何,是需要認真研究的。再如單向流潔凈室,其氣流是一種“置換式”運動,流場中主流流線平行度如何,同樣需要認真研究。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,一般地講,可以有倆大途徑。一條途徑是根據實驗或現場實測,另一種途徑是憑借計算機方法對潔凈室氣流運動進行仿真或模擬研究。本文主要介紹計算機仿真即CFD方法如何對潔凈室氣流運動進行評估或預估,從而實現潔凈室工作的優化。
2、潔凈室流型及氣流組織的CFD模擬
CFD(Computational Fluid Dynamics 簡稱CFD 即計算流體動力學)是目前國際上一個強有力的研究領域,是進行“三傳”(傳熱、傳質、動量傳遞)及燃燒、多相流和化學反應研究的核心和重要技術,廣泛應用于熱能動力、航空航天、機械、土木水利、環境化工、暖通空調及空氣潔凈等諸多工程領域,空氣潔凈及其模擬與預報是CFD技術應用的重要領域之一。與空氣潔凈相關的主要是潔凈室流型及氣流組織型式、室內顆粒運動及空氣過濾器工作過程的CFD分析。
2.1 用CFD方法進行潔凈模擬與預報的一般步驟
CFD方法在流體模擬與預報中的用途,主要表現為倆個大的方面:一是產品的開發;另一是流動狀態的模擬與預報。如果把潔凈室流型及氣體組織型式設計方案看作是一件產品,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場經驗、模擬實驗及簡單的理論分析來完成的,這是一種傳統的優選方法,其一般過程可表示為圖1.
在這種方案優選過程中,方案可行與否往往取決于試驗,為保證性能穩定,就不得不進行大量試驗,而且,設計方案的篩選和優化是在設計、執照、測試部門之間進行的大循環,由于設計的環節多,設計方案產品的開發周期長,費用高;對工程設計而言,往往需要進行方案選擇、優化,這一工作一般是靠經驗完成,則難免導致方案可靠性降低,從而一起設計失敗。計算流體力學即CFD的應用則改變了傳統的設計過程,由于CFD軟件可以相對準確地給出流體流動的細節,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),因而不僅可以準確預測流體產品的整體性能,而且很容易從對流場的分析中發現工程設計中的問題,據此提出的改進方案只需重新計算一次就可以判斷、評估改進是否有效,并更容易得到某些規律性的知識。這樣,工程的設計與優化很少依賴經驗或試驗,試驗(或經驗)的目的多是進一步驗證工程設計過程的合理性。所以現代設計過程應呈如下結構:
在這一過程中,用虛線表示的環節”試驗驗證或專家評估”與傳統設計過程的相應環節”測試評估或專家論證”的工作量相比大為減少,因為傳統設計過程中的”測試評估”所包含的試驗往往是探究性試驗,需要有大量的”試驗樣本”,才能從這些”試驗樣本”中找到規律。而現代設計過程中,“試驗樣本”這一環節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“虛擬實驗樣本”,只需要極少或無需實際的“試驗樣本”即可檢驗CFD方法的可靠性、正確性,故現代設計過程只工作量大為減少。在這種現代設計過程中,方案設計在這個設計循環中占有很大的比重,特別是方案設計階段的CFD分析占有相當重要的地位。方案的篩選是以科學性的分析為基礎,因而比較容易保證設計成功和產品質量的穩定,而且他將傳統設計的大循環過程轉變成方案帶有預測性質的校驗循環(驗證循環),當設計已經級基本達到設計要求時再轉入通常的詳細設計,大大減少了設計過程的中間環節。另外現代CFD分析技術的發展不僅大大減少試驗次數,甚至是取消試驗,即所謂的“虛擬產品開發”(Virtual Product Development 簡稱 VPD)。因此,CFD技術的大量應用能顯著縮短設計周期,降低費用。
2.2 潔凈室氣流組織模擬與預報的CFD過程
前面我們已經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行分析、模擬與預報時,大多依靠理論解析和模擬試驗或經驗倆大類來完成。傳統的理論解析是以勢流理論為基礎的,這是一種確定性方法,是存在一定局限性的。近年來人們發展了一些現代的分析、模擬、預報方法如隨機過程方法、模擬數學方法、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理認識不足。隨著現代計算機的飛速發展,計算機性能的極大提高和完善,人們不必對描述潔凈室氣流狀態的控制方程進行過多的簡化而借助與計算機通過運用CFD方法來得到潔凈環境狀態的細節,它是一種相對完善的確定性數值方法。潔凈環境模擬與預報的一般CFD過程可表示為圖3.在圖3所示的過程中,“試驗或經驗判定”環節在使用CFD方法后僅需少量的試驗工作,大量的試驗工作通過計算機來“虛擬”實現。
3、CFD軟件的一般結構與潔凈室氣流控制方程
CFD軟件的一般結構可表示如下:
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,處于微米數量級,很容易隨氣流飄散,一個比較簡單的假設即是對粒子運動采用多流體或隨機軌道模型等。對單流體模型,其粒子擴散方程可如下描述:
該方程與氣相方程聯合使用,可描述潔凈氣流的倆相狀態。
4、結束語
我國從事潔凈環境模擬領域的CFD軟件研究才剛剛起步,目前只有少數人們在從事這方面的研究,與國外先進水平相比還有較大的差距。國內如清華大學、天津大學、哈爾濱建筑大學、西安建筑科技大學、同濟大學以及湖南大學等高校對通風空調工程中的空調氣流組織之CFD優化研究均開展了一些研究工作,例如關于高大空間氣流組織優化研究的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的單向流潔凈室而言,由于孔板孔口園而細,且其在孔板上分布較密,對孔口近似模化及進行網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算機才可克服這中障礙,對這種孔口密集分布的孔板送分及相關氣流組織的CFD研究,國內似乎尚未開展起來;而且現階段國內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研究而言,建研院空調所、同濟大學及天津大學等單位開展較多的工作,CFD仿真技術與試驗手段是相互補充、相互印證的,國內的科研院所及企業應加強聯系與合作,以推進我國的潔凈技術水平。前面已經談到,CFD軟件一般包括三部分,即前處理,求解(核心)部分及后處理(科學計算可視化)部分,從軟件工程的角度來看,求解的(核心計算)部分與國外先進水平差距不大,主要差距表現在前處理即幾何造體與網絡自動生成技術、后處理即科學計算可視化部分。目前在我國國內已出現了CFX和PHOENICS等流體模擬商業軟件,他們可用于潔凈環境模擬問題中。從目前應用看,CFX系列存在一定優勢,其界面友好且功能強大,其軟件結構見前述。從總體上來看,我國潔凈環境工程領域中開展CFD方面研究尚有大量工作要做。但是,由于CFD技術本身固有的有點,其在潔凈室模擬與優化工程中必將有很大的應用前景。
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