基于Ansys CFX的动物学实验室室内净化器内部流场模拟分析

于亚芳+吴桐+刘艳华

【摘 要】为了设计高效的动物学实验室室内净化器，本文利用Ansys CFX模拟计算动物学实验室室内净化器内部流场。模拟结果表明：本文所设计的动物学实验室室内净化器的进气端压力较高，气流在各个腔室内存在一定的涡旋，会造成压力损失，但整体仍在合理的范围之内。

【关键词】动物学实验室；净化器；内部流场；Ansys

高校实验室是在校师生的主要学习、活动的场所之一。因此，有效的保证实验室的空气质量，对在校师生的身体健康具有十分重要的现实意义。为此，本文基于动物学实验室日常应用的特点，设计了动物学实验室室内净化器，并借助Ansys CFX的软件，对其内部流场进行了模拟分析。

1 動物学实验室室内净化器基本结构设计

为了有效的净化室内空气污染物，动物学实验室室内净化器采用了多腔室（三腔室）循环净化结构。其中第一腔室长240mm，第二腔室长120mm，第三腔室长135mm。其中各个腔室间使用穿孔隔板隔开，并用缓冲管连接各个腔室，以实现多重的循环净化。

2 动物学实验室室内净化器物理模型的建立

利用CatiaV5R21软件建立动物学实验室室内净化器三维实体模型，再转换格式，将其导入到ANSYS Workbench软件中，采用网格划分软件ICEM CFD进行网格的划分。

2.1 流场分析模型建立

流场区域为净化器的空腔部分，通过布尔运算构造流场区域。之后对流场区域进行网格划分。由于进气口和排气口物理参数变化梯度大，所以采用膨胀法划分网格，并且在边界采用三棱柱边界层网格，其净化器总网格数为2738193。

2.2 利用CFX求解

2.2.1 流体参数设置

流场分析首先需要确定净化器系统相关参数，其具体参数如下：

1）假设净化器系统内为牛顿流体，密度ρ=1.185kg/m3，动力粘性系数为μ=1.831×10-5N·S/m2。

2）根据流体动力学理论，确定净化器内为不可压缩液体。

3）依据雷诺数净化器内为湍流。

2.2.2 流体边界条件设置

对流场区域进行前处理，设定进出口边界条件，进气口边界条件为气体流速30m/s，排气口边界条件为静态压力0Pa。本文中选用标准的k？ε模型进行质量、动量和能量方程求解，并假设壁面边界条件非振动，没有滑移。

3 仿真结果分析

3.1 速度场

速度流线图表示的是气体流动趋势，由1可知，气体从进气管进入，在进气管端口处，存在着气体流动空间缩小，气体流速上升的趋势。随后一部分气体从净化器的缓冲管上的穿孔流出，速度上升，进入第二腔。并且从净化器进气管流入的气流在第一腔和第二腔内分布较均匀，并且由于不同速度气流相互冲击而形成的漩涡相对较少。湍流和气体回流减少，所以由此造成的动能损失相对减少。同时有图2，还可以发现气流在小孔附近较为集中，使流速增加。但从整体看，净化器内气流存在局部涡流现象，该现象有助于净化措施与气流反应，有利于提高反应效率。

3.2 压力场

从图2中可以看出，净化器其压力分布的最大位置是进气管内部和净化器第二腔末端。净化器内流体经第一腔后，由于结构上的阻碍，气流的速度逐渐降低，并在第二腔末端形成一定的堆积，使得此处的静压力升高。由此可知，由于气流压差的变化，必然导致了能量有所损耗。究其原因，是第二腔室的有效容积相对较少，导致了气流不能顺利通过所致。

3.3 温度场

随着消声器内部气流的流动方向，内部温度有一定的变化，由于净化器壁面散热，因此随着气流的方向温度减小；当外界气流直接进入进气管时，由于腔体内部的缓冲管上穿孔结构的存在使得腔体局部的温度有一定的变化，使得其腔室内的有效容积变小导致其热量不能充分扩散，故最终由模拟图3上可以看出排气温度的降低较小。

4 结论

本文为有效解决高校动物学实验室室内空气污染问题，特设计的室内净化器样机，并利用ansys CFX对该净化器内部的空气流动情况进行了模拟仿真。仿真结果表明了该净化器的气流存在局部涡流现象，且温度扩散较好，压力损失在合理的范围内。

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[责任编辑：田吉捷]