基于CFD软件的空气洁净技术课程教学案例及分析

作者:李浩 本文字数:1851
  [摘 要] 将CFD软件引入空气洁净技术的课程教学,通过将计算结果可视化处理,形象地展示了洁净室内及其设备内的气流运动,激发了学生的学习兴趣,学生的学习效果普遍提高,对洁净技术中涉及的气流运动有更直观的理解。这一教学方法值得坚持和推广,同时也对授课教师提出了更高的要求,要能掌握CFD软件的原理及使用方法并能充分理解教学案例中的物理现象。
  [关 键 词] CFD;空气洁净技术;教学案例
  [中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603(2018)16-0169-01
  洁净室内的气流组织可以分为单向流、非单向流、混合流。不同的气流组织形式对于洁净室内的空气洁净度有决定性影响,另外在空气洁净技术课程中还会介绍到如层流罩、净化器、风机过滤单元等局部空气洁净设备。在空气洁净技术课程的教学过程中讲述到这些内容时,由于这些内容与普通的中央空调系统中的送风形式和设备有很大不同,学生没有直观的理解,对这一概念容易混淆和误解。利用CFD软件的可视化处理可以直观地体现出洁净室内气流运动的特点和效果,在教学中能够帮助学生更好地掌握相关知识。本文以某洁净室内的层流罩为例,介绍CFD软件的使用及教学过程。
  一、CFD软件原理及使用流程
  CFD软件模拟是基于计算流体力学的原理,建立各种复杂条件下的基本守恒方程组,利用适当的模型使其封闭,再利用数值方法直接求解偏微分方程组,从而得到整个流场中各变量的时空分布。在进行气流组织的模擬时,其使用流程是:首先,先建立洁净室的物理模型,将洁净室内的送风口、回风口及室内设备等按照其实际尺寸利用建模软件(如GAMBIT、ICEM等)建好,并生成计算网格;其次,将生成好的网格文件导入计算软件(如FLUENT、phoenix、STAR-CD等),在软件中选择湍流模型并对边界条件进行设置,并启动计算;第三步,在计算完成后利用计算软件或后处理软件(如TECPLOT)将计算结果转换成直观的图片或视频等,可视化地显示出来。
  二、洁净室CFD教学案例及分析
  本案例为某洁净室内的一个层流罩。层流罩在实际使用中为提高其下方空间洁净度,有时会使用塑料围挡将层流罩下方包围起来,使洁净气流能直接送至工作台面,避免卷吸周围空气。而没有围挡时,由于层流罩送风气流的影响,随着射流方向会逐渐卷席周围空气,送风速度衰减较快,有将周围空气送至工作台面的可能。
  在介绍层流罩设备这一现象时,由于学生对于气流卷吸没有概念,很难理解卷吸的影响。同时这一现象也很难通过实验来实现。利用CFD软件可以将其很清晰地显示出来。如图1和图2分别为无围挡和有围挡时层流罩所在洁净室内的风速分布,可以明显地从图1中看出层流罩送风卷吸周围空气的现象,在0.4m/s的层流罩出口送风速度下,送至工作台面上方时已降至0.28m/s。而图2中就不存在这一卷吸现象,送风气流送至工作台面上方时风速仍有0.36m/s。
  通过CFD软件的可视化结果,学生能直观地看出卷吸气流的影响,并能更好地理解围挡对于层流罩的作用。类似情况在空气洁净技术的课程中并不少见,如单向流送风和非单向流送风的区别、垂直单向流和水平单向流的区别、洁净室内颗粒物的运动等气流现象。借助CFD软件的可视化处理,可以更好地帮助学生理解和掌握这些知识。
  经过近两年的教学实践,学生普遍对这一教学方式表示欢迎。将书本上枯燥的理论知识用相对容易理解的图片或影像等方式表现出来,对于学生理解并掌握相关知识有很大帮助,学生成绩普遍有所提高。但对于授课教师而言,也提出了更高的要求,要能掌握CFD的相关知识并能将之顺利应用于课堂教学,授课教师在课余时间必须付出更多。由于本课程针对的学生大部分都是大三或大四的本科生,他们对于CFD软件的原理及使用都不甚了解,甚至有可能从未听说过。授课教师需要掌握CFD软件的原理和使用方法,在备课时将所需教学案例建模计算并截取相应结果,并能充分掌握结果中显示的物理现象,同时在授课时生动地讲述,这样才能取得更好的教学效果。
  参考文献:
  [1]许福友,张丽娜.案例式教学方法在《桥梁抗风》课程中的应用[J].教育教学论坛,2015(50).
  [2]谢翠丽,倪玲英.《工程流体力学》本科课程引入CFD教学的探讨[J].力学与实践,2013(3).

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