CFD软件在空气洁净技术教学中的应用研究

王永乔 吴光平 陆志炳 金永超

摘 要：当前空气洁净技术教学结合实际，引进CFD数据建模，在教学内容上形成不同形式的气流组织以及气流组织的模拟效果。通过实践教学案例验证在教学环节上能够提升教学质量，为进行空气洁净技术教学改革创新奠定一定的基础。

关键词：CFD;空氣洁净;空气污染

近年来，随着国家对于学科建设的要求不断提升，在教学改革中加强实践应用，强调理论与实际的结合，要求教师提高教学效率，压缩理论课时并增强学生实践能力。应对上述要求改变传统教学中理论教学过多以及抽象内容较多的问题，将课程所述现象动态的呈现给学生。实践与理论知识紧密结合，通过教学内容、方法手段的改革，获得了一定的教学效果，在教学改革中攻破了难点问题。

一、空气洁净技术教学现状

空气洁净技术教学涉及到流体力学、气流组织、污染物流向等，为解决实际问题，可将CFD技术广泛应用在工程实践中，丰富教学内容。空气洁净技术的学习应用在诸多生产实践中，例如生物医药、微电子产品、食品加工等，实现微型化、精密化、高质量、高可靠性的产品生产，因此空气洁净是医疗科学、工业生产中不可或缺的重要技术支持，进行空气洁净技术的学习对于培养专业技术人员是一项重要内容。目前很多院校均开设了这一技术课程。但是在教学过程中，理论知识过多、抽象知识过多问题始终困扰着教学质量的提升。虽然开设了实验课程，但是在知识掌握上，学生还不够牢固，投入的资金也较多，然而课程的实验繁多，硬件支持难以到位。很多需要实践的模拟实验部分难以在真正的教学中得到落实。

二、空气洁净技术教学引入CFD技术的作用

CFD是计算流体动力学的简称，专门用来进行流场预测、计算、分析。通过CFD软件对流场进行模拟，运用计算机数值模拟计算方法计算出流动数值，为解决实际的问题开辟道路。CFD同3Dmax等处理软件结合运算速度快，准确的反映流体流动细节，能够对空间内污染浓度场分布进行更灵活的定量分析，具有很好的估计性[1]。

CFD技术的引用具有应用面广、适应性强的优势，通过CFD模拟能满足工程需要的数值精确要求，使得在教学过程中不再受到实验条件限制，能够运用物理模型结合实践模型得到完整的资料。教学中CFD技术的应用将计算机技术予以融合，使用数值仿真技术，将学生的分析创新能力不断提升。

在学习空气洁净技术过程中，部分学生都反映基础理论比较晦涩难懂，特别是讲到空间对流出入风口部分，大篇幅内容都是讲经验公式，让学生印象不深。作为老师在课堂上没有具体动态地将空间对流现象讲授给学生，容易造成理论知识学习无法与工程实践相结合，对于实践性较强的专业课，该现象需要尽快转变。传统教学把实践部分的教学放在实验室中，但是由于学校实验经费、实验条件以及实验课时等问题约束，使得实验教学无法满足学生们的需要，比如实验室的器材无法给每个学生都能动手的机会，导致许多实验都成为演示性的实验，理论与实际不能相结合的问题突出。仅使用传统的教学方法讲授课程，其教学效果无法得到保障直接影响到课程内容的学习。CFD技术与空气洁净技术教学相结合是解决上述问题的捷径[2]。

三、CFD软件技术教学应用

以教学实践课程研究实验室房间室内污染物浓度分布，进行CFD软件的应用为案例。采用房间模型建模的方法，房间布置了8个送口和4个回风口，尺寸为0.5m×0.5m，房间内设置有一氧化碳污染源，散发速度为0.1米每秒。三维图形运用CFD软件进行绘制，首先明确了研究对象性质、建立对象物理模型，显示流体流动的特性，以模型输出所需流体性质为已知条件，建立房间内污染物浓度分布模型，划分网格后给定边界条件，导入CFD软件。设置边界条件参数，探讨室内污染物动态分布情况，并将导出数值模拟结果、导入数据处理软件，进行动画处理。

按照气流组织进行洁净室的布置，包括单向流洁净室、辐射室洁净室。由于在教材中简单的图片引用不能足以满足课程教学需求。通过洁净室的布置，利用CFD技术将气流组织形式进行动画演示，吸引学生注意力，提高学生学习兴趣，加深理解知识点。CFD技术的应用将计算机技术予以融合，使用数值仿真技术，将学生的分析创新能力不断提升。案例中在空气洁净技术教学中的应用CFD模拟混合通风和置换通风的比较，对于混合通风方式和置换通风方式进行了分析，模拟室内空气和新风混合导致交叉感染的情况。软件模拟环境进行置换，通风方式的效果显示通过动态动画可以看到送、排风口位置对气流组织的影响。同时根据房屋内的物品对气流组织产生了影响。针对模拟结果可以更加合理的来进行气流组织的设计。在这一课程采用传统的教学方式难以找到合适的显示方法。学生在课堂上没有充分了解的情况下，课下再进行复习，无法增强教学效果。而利用CFD软件之后，模拟的课题要求学生自己动手，应用前处理软件GAMBit进行建筑的几何尺寸和边界条件的绘制，在导入FLUENT软件进行边界条件的设定及最后的模拟计算。通过这个环节学生能够模拟动态的演示教学，在情境教学中通过项目设置，加大了知识掌握程度，同时提高了学生的动手能力和思考能力[3]。

四、结束语

空气洁净技术教学中融合CFD技术，发挥软件图像显示功能，将理论知识生动的展示在电脑上，学生进一步加深印象，提高了教学质量。在专业课程的学习上学生的计算机应用能力和视野也不断拓展，对于教学改革来说是一项非常有利的实践。

参考文献：

[1]燕娜，马丽强，严瀚.基于CFD技术的空气处理机组温度分层优化设计[J].暖通空调，2019，49（8）：138-140.

[2]孔德俊.CFD技术在暖通空调制冷工程中的应用[J].建筑工程技术与设计，2019，（34）：4032.

[3]燕娜，马丽强，严瀚.基于CFD技术的空气处理机组温度分层优化设计[J].暖通空调，2019，49（8）：138-140.

通讯作者：李艳琼 赵炎