CFD軟件在空氣潔凈技術(shù)教學中的應用研究

王永喬 吳光平 陸志炳 金永超

摘 要：當前空氣潔凈技術(shù)教學結(jié)合實際，引進CFD數(shù)據(jù)建模，在教學內(nèi)容上形成不同形式的氣流組織以及氣流組織的模擬效果。通過實踐教學案例驗證在教學環(huán)節(jié)上能夠提升教學質(zhì)量，為進行空氣潔凈技術(shù)教學改革創(chuàng)新奠定一定的基礎。

關(guān)鍵詞：CFD;空氣潔凈;空氣污染

近年來，隨著國家對于學科建設的要求不斷提升，在教學改革中加強實踐應用，強調(diào)理論與實際的結(jié)合，要求教師提高教學效率，壓縮理論課時并增強學生實踐能力。應對上述要求改變傳統(tǒng)教學中理論教學過多以及抽象內(nèi)容較多的問題，將課程所述現(xiàn)象動態(tài)的呈現(xiàn)給學生。實踐與理論知識緊密結(jié)合，通過教學內(nèi)容、方法手段的改革，獲得了一定的教學效果，在教學改革中攻破了難點問題。

一、空氣潔凈技術(shù)教學現(xiàn)狀

空氣潔凈技術(shù)教學涉及到流體力學、氣流組織、污染物流向等，為解決實際問題，可將CFD技術(shù)廣泛應用在工程實踐中，豐富教學內(nèi)容?？諝鉂崈艏夹g(shù)的學習應用在諸多生產(chǎn)實踐中，例如生物醫(yī)藥、微電子產(chǎn)品、食品加工等，實現(xiàn)微型化、精密化、高質(zhì)量、高可靠性的產(chǎn)品生產(chǎn)，因此空氣潔凈是醫(yī)療科學、工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的重要技術(shù)支持，進行空氣潔凈技術(shù)的學習對于培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)人員是一項重要內(nèi)容。目前很多院校均開設了這一技術(shù)課程。但是在教學過程中，理論知識過多、抽象知識過多問題始終困擾著教學質(zhì)量的提升。雖然開設了實驗課程，但是在知識掌握上，學生還不夠牢固，投入的資金也較多，然而課程的實驗繁多，硬件支持難以到位。很多需要實踐的模擬實驗部分難以在真正的教學中得到落實。

二、空氣潔凈技術(shù)教學引入CFD技術(shù)的作用

CFD是計算流體動力學的簡稱，專門用來進行流場預測、計算、分析。通過CFD軟件對流場進行模擬，運用計算機數(shù)值模擬計算方法計算出流動數(shù)值，為解決實際的問題開辟道路。CFD同3Dmax等處理軟件結(jié)合運算速度快，準確的反映流體流動細節(jié)，能夠?qū)臻g內(nèi)污染濃度場分布進行更靈活的定量分析，具有很好的估計性[1]。

CFD技術(shù)的引用具有應用面廣、適應性強的優(yōu)勢，通過CFD模擬能滿足工程需要的數(shù)值精確要求，使得在教學過程中不再受到實驗條件限制，能夠運用物理模型結(jié)合實踐模型得到完整的資料。教學中CFD技術(shù)的應用將計算機技術(shù)予以融合，使用數(shù)值仿真技術(shù)，將學生的分析創(chuàng)新能力不斷提升。

在學習空氣潔凈技術(shù)過程中，部分學生都反映基礎理論比較晦澀難懂，特別是講到空間對流出入風口部分，大篇幅內(nèi)容都是講經(jīng)驗公式，讓學生印象不深。作為老師在課堂上沒有具體動態(tài)地將空間對流現(xiàn)象講授給學生，容易造成理論知識學習無法與工程實踐相結(jié)合，對于實踐性較強的專業(yè)課，該現(xiàn)象需要盡快轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)教學把實踐部分的教學放在實驗室中，但是由于學校實驗經(jīng)費、實驗條件以及實驗課時等問題約束，使得實驗教學無法滿足學生們的需要，比如實驗室的器材無法給每個學生都能動手的機會，導致許多實驗都成為演示性的實驗，理論與實際不能相結(jié)合的問題突出。僅使用傳統(tǒng)的教學方法講授課程，其教學效果無法得到保障直接影響到課程內(nèi)容的學習。CFD技術(shù)與空氣潔凈技術(shù)教學相結(jié)合是解決上述問題的捷徑[2]。

三、CFD軟件技術(shù)教學應用

以教學實踐課程研究實驗室房間室內(nèi)污染物濃度分布，進行CFD軟件的應用為案例。采用房間模型建模的方法，房間布置了8個送口和4個回風口，尺寸為0.5m×0.5m，房間內(nèi)設置有一氧化碳污染源，散發(fā)速度為0.1米每秒。三維圖形運用CFD軟件進行繪制，首先明確了研究對象性質(zhì)、建立對象物理模型，顯示流體流動的特性，以模型輸出所需流體性質(zhì)為已知條件，建立房間內(nèi)污染物濃度分布模型，劃分網(wǎng)格后給定邊界條件，導入CFD軟件。設置邊界條件參數(shù)，探討室內(nèi)污染物動態(tài)分布情況，并將導出數(shù)值模擬結(jié)果、導入數(shù)據(jù)處理軟件，進行動畫處理。

按照氣流組織進行潔凈室的布置，包括單向流潔凈室、輻射室潔凈室。由于在教材中簡單的圖片引用不能足以滿足課程教學需求。通過潔凈室的布置，利用CFD技術(shù)將氣流組織形式進行動畫演示，吸引學生注意力，提高學生學習興趣，加深理解知識點。CFD技術(shù)的應用將計算機技術(shù)予以融合，使用數(shù)值仿真技術(shù)，將學生的分析創(chuàng)新能力不斷提升。案例中在空氣潔凈技術(shù)教學中的應用CFD模擬混合通風和置換通風的比較，對于混合通風方式和置換通風方式進行了分析，模擬室內(nèi)空氣和新風混合導致交叉感染的情況。軟件模擬環(huán)境進行置換，通風方式的效果顯示通過動態(tài)動畫可以看到送、排風口位置對氣流組織的影響。同時根據(jù)房屋內(nèi)的物品對氣流組織產(chǎn)生了影響。針對模擬結(jié)果可以更加合理的來進行氣流組織的設計。在這一課程采用傳統(tǒng)的教學方式難以找到合適的顯示方法。學生在課堂上沒有充分了解的情況下，課下再進行復習，無法增強教學效果。而利用CFD軟件之后，模擬的課題要求學生自己動手，應用前處理軟件GAMBit進行建筑的幾何尺寸和邊界條件的繪制，在導入FLUENT軟件進行邊界條件的設定及最后的模擬計算。通過這個環(huán)節(jié)學生能夠模擬動態(tài)的演示教學，在情境教學中通過項目設置，加大了知識掌握程度，同時提高了學生的動手能力和思考能力[3]。

四、結(jié)束語

空氣潔凈技術(shù)教學中融合CFD技術(shù)，發(fā)揮軟件圖像顯示功能，將理論知識生動的展示在電腦上，學生進一步加深印象，提高了教學質(zhì)量。在專業(yè)課程的學習上學生的計算機應用能力和視野也不斷拓展，對于教學改革來說是一項非常有利的實踐。

參考文獻：

[1]燕娜，馬麗強，嚴瀚.基于CFD技術(shù)的空氣處理機組溫度分層優(yōu)化設計[J].暖通空調(diào)，2019，49（8）：138-140.

[2]孔德俊.CFD技術(shù)在暖通空調(diào)制冷工程中的應用[J].建筑工程技術(shù)與設計，2019，（34）：4032.

[3]燕娜，馬麗強，嚴瀚.基于CFD技術(shù)的空氣處理機組溫度分層優(yōu)化設計[J].暖通空調(diào)，2019，49（8）：138-140.

通訊作者：李艷瓊 趙炎