流体动力学原理及应用范文

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关键词：教学改革；研究生教学；教学内容；软件平台

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）31-0038-02

一、历史与现状

《计算流体动力学及其应用》是能源动力方向硕士和博士研究生的一门学科基础课程。自上世纪90年代开设以来，前后经历了三次大的变革。在1995—2000年期间，课程名为《叶轮机械的数值模拟计算》，只针对能源动力学院流体机械专业方向的研究生开设；自2001年起，课程改名为《计算流体动力学及其应用》，面向能源动力一级学科及其下属各二级学科的研究生，并成为能源动力学科方向研究生的一门基础课程；2006年以前，课程授课内容以计算流体动力学方面的原理和方法为主，选课学生主要为能源动力学科方向的研究生；从2006年开始，为适应广大研究生的选课需要，我们对教学内容进行了适当调整，辅以CFD商用软件的实例和应用，以期实现理论性与实践性并重的教学理念，并将课程面向全校研究生开放。随着计算机技术的飞速发展，计算流体动力学的应用日益广泛。众所周知，计算机硬件水平的提升，将相应地促进CFD商用软件功能更加强大，应用更加广泛，最终使得CFD商用软件得到了前所未有的发展。同时，随着研究生招生规模的扩大，使得选修《计算流体动力学及其应用》课程的研究生人数大增，从上个世纪90年代的十几个学生，到现在的一百多个学生，而且涉及众多学科，比如船海、化工、建筑、电气、交通、材料、光电等。《计算流体动力学及其应用》课程的历史与现状在一定程度上给我们将要进行的教学改革提出了新的要求，同时也为我们指明了课程建设的新方向，值得我们深入思考，并付之于实践。

二、课程定位

《计算流体动力学及其应用》作为一门研究生的学科基础课程，我们在进行改革之前，应该首先考虑它的定位。华中科技大学作为一所教育部的“985”和“211”的高校，一直以“研究型”大学著称。学校对于研究生的培养非常重视，导师为每一位研究生制定了详细的培养计划，课程的选修均有所考量。基于选修《计算流体动力学及其应用》课程的研究生人数众多，涉及的院系广泛，经任课教师讨论，申请学校研究生院同意，决定将该课程定位为高水平研究生课程。所谓高水平研究生课程，初步确立的含义为，高水平的学者，采用高水平的教材，以先进灵活的形式教授课程，旨在培养学生坚实宽广的理论基础和系统深入的专门知识。高水平课程在内容上应该具有基础性、专业性和前沿性，前沿性可以体现在任课教师结合自己的科研实践，在讲授中融入一些与课程相关的前沿内容。

三、教改实践

基于高水平研究生课程这样一个定位，我们开始着手进行课程的教学改革，具体内容包括：组建教学团队、改革教学内容、建设实践教学平台。首先，组建一支高水平、高素质的教学团队。教学团队由三位教师组成，他们均具有博士学位，高级职称。其中，课程负责人张师帅副教授，长期从事计算流体动力学及其应用方面的教学及研究工作，自2006年起，一直担任该课程的主讲教师；任课教师郭照立教授，是目前国内计算流体动力学方面的顶尖学者，国家杰出青年基金获得者，并具有较高的国际知名度。郭教授团队在国内外权威学术刊物和会议上发表科学论文100余篇，SCI收录90余篇，SCI引用1200余次；任课教师陈胜副教授是一位青年学者，在格子Boltzmann算法研究方面颇有建树。将《计算流体动力学及其应用》课程建设成一门高水平研究生课程，得到了教学团队中每一位教师的支持，大家一致赞同经常开展教学交流，学习先进的教学方法和教学手段，进一步提高教学效果。其次，我们对教学内容进行了改革。教学团队根据选课研究生人数众多，涉及的学科方向广泛，重新制定了《计算流体动力学及其应用》课程的教学大纲，确保讲授内容的基础性、专业性和前沿性。课程主要内容包括：控制方程的离散化方法、流场的求解计算方法、湍流模型及其应用、网格生成与计算技术、复杂流动的介观模型和数值方法、格子Boltzmann算法及其应用、经典CFD软件的基本用法等。而对于控制方程的离散化方法，将重点介绍有限差分法和有限体积法；对于流场的求解计算方法，将重点介绍SIMPLE及其系列算法；对于湍流模型及其应用，将重点介绍k-ε模型及其应用；对于网格生成与计算技术，将重点介绍结构网格和非结构网格的生成方法以及并行计算方法。同时，还将邀请国内外计算流体动力学方面的专家学者前来开展专题讲座。对《计算流体动力学及其应用》课程进行教学改革是全体任课教师的共同愿望，大家积极讨论，并提出在现有教材的基础上，编写具有自己特色的教材等建议。在改革教学内容的同时，教学团队还利用学院现有的条件，建立“计算流体动力学”软件平台，该平台拥有高性能的计算工作站，可以开展并行计算、直接数值模拟等大型计算研究，为研究生开展离散方法、网格生成方法、计算方法以及复杂流动模型等研究工作创造了良好条件，同时也为对计算流体动力学方面的前沿研究课题感兴趣的大学本科生开展创新性研究工作提供了良好条件。与此同时，该平台还拥有多种商用CFD软件，比如FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS、Flo-EFD等，成为广大研究生开展自主学习、自主实践、相互交流的优良场所。还可以根据研究生的需求，安排任课教师不定期地通过软件平台为学生解惑答疑，引导研究生探索创新，提高学术水平。

众所周知，研究生学术水平的高低是一所大学学术水平的反映，更是一个国家科技创新能力的反映。研究生不仅需要扎实掌握专业基础知识，更需要具有较强的创新意识和创新能力。目前，高等学校在培养研究生创新能力、提高研究生学术水平方面还有待加强。为此，本文提出了通过对《计算流体动力学及其应用》课程进行教学改革，并将之建设成具有基础性、专业性和前沿性的高水平课程，进一步培养研究生的创新能力，提高研究生的学术水平。同时，本文对实践过程中的一些具体措施和经验进行了探讨。

参考文献：

[1]吴新颖.论研究生教育的课程设置[J].科技导报，2004，（2）：40-42.

[2]李学艺，钟佩思.机械类全日制专业学位研究生教育探索[J].中国电力教育，2013，（1）：22-23.

[3]李静波，柴育玲.研究生教育创新模式研究[J].教育理论与实践，2010，（5）：10-11.

[4]别敦荣，万卫.学术性学位与专业学位研究生培养模式的特性比较[J].研究生教育研究，2011，（4）：77-80.

[5]姚聪莉.我国研究生教育质量透析[J].高等理科教育，2006，（5）：50-54.

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关键词：油气成藏动力，学油气运移油，油气成藏机理

 

1.油气成藏动力学研究方法

成藏动力学研究是在综合分析区域钻探、地球物理、分析测试和地质地化等资料的基础上, 采用静态描述和动态模拟相结合的方法, 其中计算机模拟方法可以定量地、动态地刻划各种因素相互作用的历史过程, 从而更深刻地揭示其内在规律性, 因此是成藏动力学过程研究的一项关键技术。成藏动力学模拟实质上是成藏动力学过程模拟, 是一项高度复杂的系统工程, 它需要以当代最先进的地质学和石油地质学理论为基础, 全面利用各种地质、物探资料, 采用最先进的盆地描述和盆地模拟技术方可进行[1]。，油气成藏机理。盆地描述部分用于刻划盆地现今的构造、沉积岩性和各种地质参数的空间展布特征, 为盆地模拟奠定基础。盆地模拟方面包括构造、沉积、储层、古水动力场、古地温、生烃、排烃、圈闭演化和油气运移聚集等各个部分。其中, 从生烃到运移的模拟构成成藏动力学过程模拟的主体, 而其他的描述和模拟则是成藏动力学过程模拟必不可少的重要基础。成藏动力学过程模拟的最终结果体现在油气资源量计算部分上, 包括计算出盆地的生烃量、排烃量、烃碳转换量、油气损失量, 最后要计算出盆地中聚集的油气资源量[2]。，油气成藏机理。

2.油气成藏动力学系统的划分及类型

田世澄(1996) 提出将受地球深部动力学控制的盆地构造2沉积旋回作为一个成藏动力学系统, 把改变地下成藏动力学条件, 影响成藏动力学过程的区域不整合和区域分布的异常孔隙流体压力界面作为不同成藏动力学系统的界面。并据动力学特征将成藏动力学系统分为开放型、封闭型、半封闭型3 种类型, 据油源特征又区分为自源成藏动力学系统和他源成藏动力学系统。因此共可划分出6 种油气成藏动力学系统[3-6]。康永尚(1999) 根据系统动力的来源、去向和系统的演化方式将油气成藏流体动力系统分为重力驱动型、压实驱动型、封存型和滞留4 种。，油气成藏机理。实际上重力驱动型对应开放型, 压实驱动型对应半开放型, 封存型和滞留型则对应封闭型。，油气成藏机理。，油气成藏机理。因此二者是一致的。这种以油气成藏的动力因素来划分油气系统的方法比经典的含油气系统的一套源岩对应一个油气系统的粗略划分方法更深入, 更能体现油气作为一种流体的运动分布规律, 从而有效指导我国陆相含油气盆地的勘探[7]。

3.油气成藏主要动力因素的研究

沉积盆地实际上是一个低温热化学反应器, 油气的富集是由温度、力和有效受热时间控制的化学动力学过程, 及由压力、地应力、浮力和流体势控制的流体动力学过程的综合结果, 也是盆地中各个成藏动力学系统中的油、气、水三相渗流过程的结果。张厚福(1998) 认为: 地温场、地压场、地应力场等“三场”系受地球内能控制, 是地球内部能量在地壳上的不同表现表现形式。“三场”相互之间彼此影响与联系。“三场”的作用使地壳上形成海盆、湖盆等各种水域, 才衍生出水动力场, 有了水体才能出现化学场与生物场, 后二者也相互联系与相互制约。综合这些场的作用, 在含油气盆地内才出现油气成藏动力系统与流体压力封存箱等地质实体, 后二者之间互有联系和影响。油气从烃源岩生成并排出到相邻的输导层经运移聚集而成藏及成藏后发生的物理化学变化这一系列过程都始终贯穿“三场”的作用[8-10]。

4.含油气系统和油气成藏动力学的关系探讨

目前对含油气系统和油气成藏动力系统之间的关系众说纷纭。主要有3 种说法。(1) 含油气系统研究是油气成藏动力学研究的起点。(2) 油气成藏动力学研究是含油气系统研究的基础。王英民(1998) 认为含油气系统划分是成藏动力学研究的结果。，油气成藏机理。(3) 含油气系统和油气成藏动力学系统是交叉关系。笔者认为由油气运聚的物质空间和动力因素控制的流体输导系统的研究是油气成藏动力学研究的核心内容, 油气成藏动力学研究应按照从源岩到圈闭这一历史主线, 侧重于油气成藏的动力学与运动学机制的研究。但油气成藏动力系统对应的状态空间是油气藏。而含油气系统是从油气显示开始, 而不考虑其是否具有工业价值。因此油气成藏动力系统是在大的合油气系统研究基础上进一步按油气运聚动力学条件而追踪油气分布规律。因此笔者倾向于第一种说法, 认为在含油气系统宏观研究思路基础上进行油气成藏动力学过程的系统研究, 并根据成藏动力源泉进一步划分油气成藏动力系统, 才能弄清我国陆相盆地的成藏机理和油气分布规律并建立当代高等石油地质理论, 从而更好地指导21 世纪的油气勘探[11]。

参考文献

[]佩罗东1石油地质动力学[M]1北京:石油工业出版社,19931

[2]孙永传1石油地质动力学的理论与实践[J]1地学前缘,1995,2(224):92141

[3]康永尚,等1油气成藏流体动力系统分析原理及应用[J]1沉积学报,1998,16(3):802841

[4]康永尚,等1油气成藏流体动力学[M]1北京:地质出版社,19991

[5]王英民1残余盆地成藏动力学过程研究方法[J]1成都理工学院学报,1998,25(3):38523921

[6]胡朝元,等1成油系统概念在中国的提出及应用[J]1石油学报,1996,17(1)1

[7]龚再升,等1南海北部大陆边缘盆地分析与油气聚集[M]1北京:科学出版社,19971

[8]张厚福,等1石油地质学[M]1北京:石油工业出版社,19931

[9]田世澄,等1论成藏动力学系统[J]1勘探家,1996,1(2):202241

[10]张厚福，石油地质学新进展[M]1北京:石油工业出版社,19981

[11]费琪,等1成油体系与成藏动力学论文集[C]1北京:地震出版社,19991

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关键词：区域成矿 内容 意义 趋势 问题

一、区域成矿学研究的内容与意义

（一）区域成矿学的基本研究内容

近几十年来，地质专家、学者们提出来了一系列区域成矿理论和观点。随着区域成矿学理论的不断深入发展，它在地质矿产找矿过程中发挥的作用也越来越大。区域成矿学的研究内容主要包括以下几个方面：区域地层、构造、岩浆和变质作用及地质发展；含矿岩石建造的种类、形成与分布；区域地球化学特征；区域地质流体；已知矿种、矿床类型和成矿条件，成矿模式及成矿特征；区域地质异常；区内的成矿系统；矿产信息库的建立，区域成矿规律和成矿预测图的编制；总结区域成矿规律与特征，明确进一步研究的问题与方法；区域矿产资源潜力评价。通过以上研究工作获取对地质作用过程的基本认识，最后进行地质构造综合研究工作，分析有利于成矿的地质构造环境，编制综合地质构造图件，进一步说明地质构造特征，分析有利于成矿的地质构造。

（二）地质构造特征的研究工作是矿产预测工作的基础

成矿作用是地质作用的组成部分，也是地质作用的产物。区域成矿学主要研究：成矿作用与地质作用的关系，最终把成矿作用的研究有效地融合到地质作用研究过程中去。现代成矿学研究表明，成矿作用在空间上经常产生于各类地质构造的边缘部位以及变异部位。重要的矿产主要分布在板块与板块不同组成部位的结合带或者边界地带。在时间上一般与地质构造转换阶段密切相关，矿产地一般成群、成带分布，成矿带的规模和地质构造边缘带和变异带相当。因此地质构造特征的研究工作是矿产预测工作的基础，也是必需的途径。

二、区域成矿学研究发展趋势

随着对矿产资源需求规模和种类的扩大，成矿预测和找矿工作将继续受到重视。同时，由于地球科学整体进步、前沿领域研究取得突破性成就，成矿学研究也必将取得较快进展，我国区域成矿研究发展中，以下两方面最受关注。

（一） 成矿动力学研究

在地质科学的许多研究领域中动力学研究是一个大方向，而成矿学与动力学的结合使区域成矿研究达到一个新的水平。它主要从以下两方面展开：

1、开展单一矿床成矿过程的动力学机制研究。即对构造成矿流体运移及产生物质之间反应和交换的动力学研究。主要集中在对构造成矿流体运移中地球化学反应的热力学模型的建立，成矿物质形成和分布规律的反演和预测，把整个构造成矿流体动力学变量的变化特征进行研究。

2、开展区域成矿动力学的数值模拟研究

研究形成矿床集中区的地球动力学背景，目前仍以造山带和盆地为突破口。它以岩石圈变形研究为基础，要求深入研究岩浆作用发生及发展的动力机制，加强研究构造演化过程中流体的迁移和分布，探索大规模成矿作用的动力环境合成矿规律。随着计算机技术的广泛应用，区域成矿动力学机制的研究已由定性变为定量，静态变为动态，进行数值模拟成矿过程中的构造作用过程，完全数值模拟整个构造成矿的形成过程和动力学的过程成为可能。这久突破了构造地质作用过程中时空背景及环境条件复杂性的约束，对成矿的预测和矿产资源的勘查有十分重要的意义！成矿动力学机制的研究最终体现的是地球各圈层相互之间作用的过程，也是今后成矿流体动力学所要反映的核心问题。

（二）区域成矿构造研究

陈国达提出了“多因复成矿床”成矿学理论，而区域成矿的研究正是在此基础上开展。区域上成矿主要进行以下两方面的研究：

1、对矿床成矿类型的研究。在成矿构造研究中，以构造为主要线索，划分矿床的成矿类型，这些类型反映成矿物质来源的多样性和成矿过程的长期性及复杂性。2、对区域成矿作用过程研究。开展区域构造一热动力条件、主成矿期、矿床类型等研究，强调多成矿阶段、多控矿因素、多物质来源的研究，特别是构造岩浆作用的研究。3、对不同级别的大地构造单元控制着不同级别的成矿构造域、成矿构造区的划分、成矿专属性的研究。同时注重对不同构造系进行不同级别的划分，以利于正确划分成矿构造域、成矿区，顺利开展矿产资源预测和评估。

三、区域成矿不可忽视的问题

区域地质成矿是地质作用的一部分，其研究受到中外地质学家、矿床学家高度重视。伴随着科学技术的不断发展，地质找矿工作也逐渐向定量方面展开。但目前此项工作依旧还很薄弱。当前地质找矿工作中，针对不同矿种形成于不同的地质条件并受物理化学条件制约形成于不同深度，分门别类在同一地区不同深度上寻找不同矿种就成为一个不可忽视的问题。因为以往的地质找矿深度研究只注意从微量元素含量、元素共生组合进行研究，或使用矿物温度计、矿物压力计及氢、氧稳定同位素等研究成矿深度，却忽视了同一矿种或紧密伴生矿种在成矿深度上的上限深度和下限深度的研究，以及同一地区乃至全球垂直方向的上限深度和下限深度的研究和对比。这样就使得地质找矿缺少针对性和有效性，并造成人力、物力、财力的浪费，乃至对环境的严重破坏，盲目施工、盲目开采。

因为地质成矿在水平方向上和垂直方向上是有规律性的。举例来说河北涞源县王安镇杂岩体多金属，它的成矿规律：水平方向上，由岩体接触带向围岩，成矿由含铜磁铁矿矿化向铅锌矿化转变，矿床类型由接触交代型热液型；垂直方向上，成矿也表现为有序性：早期形成温压较高的含铜磁铁矿矿化，晚期形成温压较低的铅锌矿化。这说明铅锌矿化无论在水平方向还是垂直方向上均表现为一定的差异性，尤其是在垂直方向上的成矿深度表现为一定的深度范围。然而，在地质成矿过程中，其它金属成矿同样具有这种现象和规律。这就要求我们在当前地质成矿中，除注重研究有关矿种的成矿系列、成矿规律、成矿条件、成矿构造环境，更要注重研究有关矿种形成的区域成矿深度及相关地质体剥蚀深度。只有这样才能使地质找矿具有针对性、可比性，减少盲目性，提高找矿效率，并将取得较大的或重大的经济效益，同时保护了生态环境。

参考文献：

[1] P Laznlcka．成矿学的过去现在和将来．地学前缘1994

[2]张逸阳.区域成矿学及中国区域成矿特征研究[J].科技资讯.2008.3

[3]祁思敬.区域成矿学研究现状与发展趋势[J].西安工程学院学报.1999.1

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关键词：空调进气格栅 水管理 气管理

中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（c）-0112-02

乘用车空调进气格栅是前挡风玻璃、发动机舱盖、翼子板之间的外饰覆盖件，纵向连接前风挡玻璃以及发动机舱盖，横向连接左右翼子板，一般为黑色塑料件，实物外观以及整车位置如图1所示。

空调进气格栅与车身钣金共同围成一个空腔，在这个空腔里布置有前雨刮系统以及空调系统的进气口，空调进气格栅是空调系统新鲜空气的入口，同时保护雨刮系统以及空调系统免受雨水侵蚀，空腔是水流及气流的通道，该文重点介绍空调进气格栅的水、气等功能设计的开发。

1 气管理

空气通过发动机舱盖与空调进气格栅之间间隙进入，通过空调进气格栅开口到达车身空调进气腔，在腔内流动并通过位于腔内的空调进气口最终进入空调箱，实现冷热调节后按客户设置经由吹面风道、除霜风道送达至目标区域，如图2进气流路断面示意图。

气体在管道内流动实质是通过牺牲自身能量以克服流动阻力的过程，空调鼓风功能本质上是鼓风机模块所产生的压力克服气流流路上流动阻力的结果，进气气路上压降的大小直接影响鼓风模块功耗，该文主要涉及空调箱进气口上游进气通道，确保其在一定空气流量情况下流阻处于合理水平。总阻力损失主要由摩擦阻力和局部阻力构成。摩擦阻力损失是指气体沿管道流动时由于质点间的内摩擦力及与管壁之间的外摩擦而引起的能量损失，压力降参考范宁公式：

局部阻力损失：当气体流过的管道发生局部变化时，就在管道的局部化地区发生气体与管壁的冲击，因而造成一部分能量损失。

工程上常见的流体流速范围内，摩擦系数λ近似等于常数。当管路及输送的流体一定时，l、d、Σζ、ρ均为定值，故R等于常数，称之为阻力系数。项目设计上，用阻力系数（R值）来表征进气流道的流阻大小：R=P/Q2（其中P为流道静压降Pa；Q为空气流量l/s），阻力系数（R值）表征的是流道顺畅程度。理论上，流道结构不变的情况下，R值也唯一。

空调进气压降设计工作中通常借助计算流体商业软件进行虚拟分析实现，其分析原理基于流体力学理论，计算过程涉及流体力学连续性方程，即运动流体物质守恒方程以及动量方程，及流体流动过程中受各种力作用下的平衡方程[1，2]。分析步骤从数据的收集到前处理划分网格，设置边界条件，到计算输出结果，其中网格生成采用四面体画法，最后通过生成的网格导人Fluent软件进行计算。

通过计算机仿真技术的应用以及经验积累发现，空调进气格栅开口面积、位置，空调进气格栅与发动机舱盖之间的间隙大小，车身空调进气腔结构形式等都是影响阻力系数的关键因素。空调进气格栅开口面积越大，进气阻力越小，但是过大的开口面积，会导致车身空调进气腔排水负担过重，排水不及时等问题，因此开口面积的大小需要根据整车空气流量的大小并结合车身空调进气腔的排水能力综合制定。为确保整车开发过程中空调进气压降设计上处于合理水平，空调进气格栅进气面必须布置在正压区，为保证空调进气口的水汽分离，空调进气格栅上的开口距离空调进气口距离至少大于250 mm。车身空调进气腔结构受前舱区域总布置得影响，在保证前舱布置的前提下，截面面积尽可能大并且均匀一致，车身空调进气腔宽深比大于3，腔内支架的设计也要考虑对气流的阻力影响。

2 水管理

乘用车空调进气格栅是前挡风玻璃，发动机舱盖，翼子板之间的外饰覆盖件，下雨或洗车时，大部分的水会从车顶沿前挡风玻璃流下，积水从进气格栅上的孔状结构流入车身腔体内，从图2可以看出，乘用车空调进气格栅区域有雨刮系统，空调进气口等需要防水的部件，雨刮电机水侵入会导致系统不能正常运行，影响行车安全，空调系统水侵入会影响鼓风机性能，严重的甚至会出现水侵入乘客舱，影响车辆最基本的挡风遮雨功能，因此该区域需要考虑安全有效的水管理。前期设计时，要充分考虑空调进气格栅对外界水流的导向以及车身空腔结构的排水能力，车身空调进气腔内的积水高度不能超过雨刮电机以及空调进气口的布置高度，并要有足够的设计余量。

为提升前期设计的精确度，同样借助计算机流体动力学软件来模拟水流状况，积水高度等，计算采用VOF多相流模型的瞬态模拟，通过定义VOF界面，进行数值模拟，显示在既定的边界条件下水的容积，积水的高度以及水流速度等，为空调系统以及雨刮系统的布置提供设计指导[3]。首先对空调进气格栅、车身空调进气腔、雨刮系统、空调内循环进气口，前挡风玻璃等关键子系统进行网格划分，从以上子系统三维几何模型中提取VOF分析的边界条件，边界条件设置完成后，有计算机分析并输出分析结果，具体结果分析实例如下。

（1）水流高度跟空调内循环进气口之间的关系，根据计算结果给工程设计提供输入，如果水流高度超过内循环进气口高度，需要修改设计降低水流高度或者增加水流挡板防止水侵入。

（2）水流高度跟雨刮电机及连杆机构之间的关系：根据计算结果给工程设计提供输入，如果水流高度高于雨刮电机的高度，需要修改设计降低水流高度或抬高雨刮电机，防止电机进水影响性能。

车身空调进气腔是水流和气流的通道，通常设计时考虑足够的坡度设计并保证开口面积来加速水流的速度，根据水往低处走的物理常识，中间位置是最高点，将排水口设计在两侧位置低点，从而将水导向两侧安全区域。

3 结语

该文从空调进气格栅的功能要求着手，从水、气管理两方面介绍了关键影响因素及其原理，影响因素间存在着相互的制约关系，在设计中需要综合考虑其对水、气的影响，该文借助计算机流体软件模拟该区域的气流受阻状况、水流状况以及积水高度，根据这些数据就可以调整设计找到最优匹配方案，改变了传统设计中的依靠经验进行定性分析、缺少定量数据的设计方法，有助于设计优化，从而提高设计开发质量。

参考文献

[1] 王福军.计算流体动力学分析――CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004：235-238.

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论文摘要：根据环境工程专业特点，分析了该专业技术基础课“工程流体力学”和主干专业课“水污染控制工程”在教学中存在的问题，文章从教学内容、教学模式、师资配置、考核方式四个方面提出了“工程流体力学”和“水污染控制工程”教学改革思路。

论文关键词：环境工程专业；工程流体力学；水污染控制工程；教学改革

“工程流体力学”是研究流体（液体、气体）处于平衡状态和流动状态时的力学规律、流体与固体之间的相互作用及其在工程技术中应用的一门科学，是力学的一个独立分支，有其自身的理论体系，其基础理论主要由三部分组成：流体静力学、流体运动学和流体动力学。“水污染控制工程”是关于控制水体污染途径以及各种废水处理方法（包括物理处理方法、化学处理方法、生物处理方法等）的基本理论、工作原理及设计计算的一门科学。“工程流体力学”是环境工程专业的重要技术基础课，“水污染控制工程”是环境工程专业的核心专业课，这两门课程在环境工程专业本科教学中有着举足轻重的作用，同时两者之间也存在着重要的相互理论关系。

“工程流体力学”是水利、环境、能源、土木、机械、动力等学科的一门技术基础课程，该课程的教学内容纷繁丰富，其特点是理论性和综合性比较强，概念抽象，难于理解。“水污染控制工程”课程内容与“工程流体力学”内容结合相对比较紧密，如城市排水沟道系统、各种污水处理构筑物等的设计计算，以及在构筑物中的生化反应、化学絮凝反应中水力条件的控制等均是工程流体力学理论知识在水污染控制工程中的实际应用。目前，在环境工程专业教学方面，“工程流体力学”和“水污染控制工程”课程正面临着比较尴尬的局面：一方面课程内容趋于复杂和广泛；另一方面在课时量逐渐压缩的情况下，“工程流体力学”和“水污染控制工程”教学内容没有起到应有的相互衔接，教学内容彼此脱离。由此形成环境工程专业“工程流体力学”教学内容与专业课衔接不够，在教学过程中学生感到内容枯燥，概念抽象；而在“水污染控制工程”教学过程中，学生感到工程流体力学基础理论知识不扎实，不能够熟练应用工程流体力学基础理论解决水污染控制工程方面的实际问题。

针对目前环境工程专业课程设置及教学内容的状况，本文从教学内容、教学模式、师资配置、考核方式四个方面提出“工程流体力学”与“水污染控制工程”教学改革，提高教学质量，培养学生综合能力。

一、改革教学内容

对“工程流体力学”教学内容进行改革，结合环境工程专业特点，重构环境工程专业的“工程流体力学”课程，对该课程中的主要内容进行优化设计，紧密结合后续专业课“水污染控制工程”的内容进行改编，为“水污染控制工程”的讲授奠定基础理论知识。“工程流体力学”教学内容主要包括理论教学和实践性教学两部分，其中在理论教学内容部分，如“工程流体力学”中涉及到的流体粘滞性、流体内摩擦定律等内容，结合水污染控制工程的斜板斜管沉淀池中水的流态所需要的雷诺数内容为实例进行教学内容改革；“流体静力学”中绝对压强、相对压强、真空度等概念、理论在水污染控制工程中虹吸滤池、脉冲澄清池以及沉淀池、污泥浓缩池重力式排泥所需要的静水头压力等实际工程中的应用为实例进行教学内容改革；流体运动学中基本理论对“水污染控制工程”中的数学模式的建立为实例进行教学内容改革；“流体动力学”中压力损失理论在水污染控制工程中的水力计算，水射器理论在水污染控制工程中的计量作用、加药作用、射流曝气作用为实例进行教学内容改革等。其次，“工程流体力学”实践性教学内容部分，改革传统的实验教学内容，除验证性实验之外，增加工程应用性实验，如文丘里流量计、三角堰流量计、巴氏计量槽、毕托管测速仪、虹吸管、孔口与管嘴的工程应用等内容，既加强了动手操作能力，也培养了学生将基础理论知识转化为现实生产力的综合分析与应用能力，不仅使教学内容丰富，也提高了学生学习的热情和积极性。

对“水污染控制工程”教学内容进行改革包括理论教学内容改革和实践性教学内容改革，强调“工程流体力学”基础理论知识在水污染控制工程中的应用。在理论教学内容方面，“水污染控制工程”中的污水沟道系统水力计算、水处理构筑物中水力参数的确定、污水在构筑物中的最佳流态、各水处理构筑物之间高程布置、混合反应池中搅拌强度的确定、过滤池中配水系统的设计及其滤速确定等一系列涉及工程流体力学问题的相关内容进行必要教学改革，加强学生对“工程流体力学”基础理论知识在水污染控制工程中的工程应用有一个更清晰的认识，理解“工程流体力学”基础理论知识在水污染控制工程中的重要性，使学生既掌握了“水污染控制工程”应用设计方法、设计原则、计算方法等知识，也加强了学生对“工程流体力学”基础知识在水污染控制实际工程的应用。在实践性教学内容方面，加强工程性应用实验教学内容，从不同的工业企业和居民生活区采集不同的废水水样，根据化验所得废水水质，确定所采用的处理技术和处理工艺，并通过实验验证在各种废水处理工艺中所选择的工程流体力学水力参数，基于“工程流体力学”基础理论知识分析废水处理工艺水力参数的合理性。

二、改革教学模式

“工程流体力学”特点是理论性、综合性、系统性较强，概念抽象、逻辑结构严谨。目前传统的教学模式基本上是教师讲、学生听，“授—受”型单一模式，尽管在学的过程中采用了多种形式的多媒体教学方式，但仍没有改变学生在学习过程中的被动地位，学生缺乏主动性和实践性。改革传统教学模式，实施探究式、启发式、开放式的创新教学模式，结合水污染控制工程中的实际问题，以工程实例为背景，应用工程流体力学基础知识解决实际工程问题，诱导学生积极思考，在教学过程中形成教学互动，调动学生学习的主动性和参与性。根据教学内容性质，“工程流体力学”教学内容可以分为基础理论和实际工程应用两个部分。在流体静力学、流体运动学和流体动力学三个基础理论部分，采用形象化的多媒体演示、软件模拟、小型实验相结合探究式、启发式教学模式，鼓励学生课堂讨论；在实际工程应用教学部分，如孔口管嘴、有压管流和明渠流部分，以水污染控制工程中的工程实例为背景，采用适量的实际工程图片，丰富教学信息量，刺激学生的感官，激发学生的学习兴趣，拓宽学生的思路，开阔学生的视野，可以使枯燥、乏味的内容变得趣味盎然，使抽象、晦涩的内容变得直观生动。

“水污染控制工程”特点是实践性、工程应用性强，因为不同的废水水质达到处理要求所采用的处理技术、处理工艺不同；即便相同的废水水质，如果污水量不同，所采用的处理工艺也不同；一个废水处理工程，即废水水质、水量数据相同，也可以采用不同的处理技术和处理工艺，工程流体力学参数的选择是确定不同废水处理技术、工艺的主要影响因素之一。因此，在“水污染控制工程”的教学过程中，改革传统教学模式，实施探究式、启发式、开放式的实践教学模式，以工程实例为背景，通过开放性的实践性实验正确选择工程流体力学参数，并通过实验研究对参数的选择、废水处理效果等进行科学验证。通过工程实例和实践性教学改革，使学生既对废水处理工程设计过程有一个清晰的思路，又能达到举一反三的效果。

三、优化师资配置

师资队伍优化，一靠资源，二靠制度，师资队伍优化也是一个相对的渐进过程，优化的标准和措施与所处时代、社会背景及其自身所处发展阶段和学科特色有关。环境工程专业特点要求师资队伍结构合理、质量可靠。“工程流体力学”与“水污染控制工程”是本专业的主要技术基础课和主干专业课，两门课程在讲授过程中存在着千丝万缕的必然联系，这就对师资配置和师资队伍建设提出了更高的要求。首先，建立高质量的师资队伍，定期或不定期对教师进行专业培训和实践工程训练，要求讲授“工程流体力学”和“水污染控制工程”两门课程的教师对两个学科均有一定的研究，或者承担一定量研究科研工作，洞悉当前“工程流体力学”和“水污染控制工程”发展的最新前沿理论和技术；其次，在师资配置方面，要求讲授“工程流体力学”的教师对“水污染控制工程”有一定的研究或承担相关科研项目，讲授“水污染控制工程”的教师对“工程流体力学”有扎实的理论研究或承担相关的科研项目；第三，建立教师研讨会制度，讲授“工程流体力学”的和讲授“水污染控制工程”的教师定期或不定期举行教学研讨会，避免两门课程的讲授内容出现彼此分裂现象。如果在师资配置中，讲授“工程流体力学”的教师毕业于力学专业，即使讲授“工程流体力学”的教师对力学有很高的造诣，对该门课程的讲授有声有色，但如果该教师对环境工程专业“水污染控制工程”专业理论知识或实践工程知之甚少，那么在教学过程中，必然不能够将“工程流体力学”与“水污染控制工程”教学内容相结合，对环境工程专业学生来说，这样的师资配置，必定不是最优化的师资配置。

四、改革考核方式

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关键词：热能与动力工程；节能减排；改革；创新；CFD课程

作者简介：张光学（1982-），男，浙江湖州人，中国计量学院能源工程研究所，副教授；王进卿（1985- ），男，浙江义乌人，中国计量学院能源工程研究所，实验师。（浙江 杭州 310018）

中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）06-0037-02

目前，世界能源消耗量巨大，主要耗能方式仍是来自于煤、石油和天然气的燃烧，这些化石燃料在利用过程中产生了大量的污染物，如烟尘、二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物，[1-2]严重影响了人们的正常生活，甚至威胁着人类的生存与发展。为应对日益严重的环境问题，我国大力推广节能减排政策。作为高校，为培养适合新形势下的专业型技术人才，在教学环节中也要对教学方法和内容有所调整。

现今传统的能源消耗形式已逐步向清洁能源（风能、太阳能、潮汐能、水能等）方向发展，[3]虽然所占比例还比较低，不过对于缓解严重的环境压力而言将发挥积极性的作用。热能专业与能源的综合利用息息相关，在教学环节中，应对已有的教材内容加以筛选，对于一些落后于时展的方法与技术，不再重点讲解，而对于一些新技术与新方法在教学中要重点阐述。把当前的热点技术提升到理论高度，使学生在未来的科学研究或是工作中找准方向。

在教学改革实施过程中，我们将新型能源的发展趋势及特点加到教学任务当中，并对CFD软件在本专业的应用价值及前景进行了探讨，开设了CFD相关课程。本文中，笔者分析了现行课程教学中存在的问题，并对教学改革的经验进行总结和系统介绍。

一 、现行教学工作存在的问题

1.教材内容与时代背景互不衔接

热能与动力工程专业的教材种类繁多，且现行教材内容中所涵盖的方法及技术大多是已有的陈旧理论，同时教材中的相关章节落后于时代背景，没有对当前的新技术、新方法加以系统性的介绍。这样的后果是，学生的思维方式还停留在陈旧的方法体系当中，不能对本专业的发展趋势有明确的判断，学生今后的研究及工作产生知识脱节，进而也对本专业的发展产生不利影响。

2.缺乏对新型教学方法的探索

目前的教学方式还基本以课堂讲授为主，并结合一定课时的实验内容。实验也是以仿真平台实现及外加一定的动手环节。但该过程避免不了存在着课时上的冲突，以致课堂教学与实践教学之间不能统调，造成了理论知识与实践内容相结合时的不契合，且教学过程中师生间缺乏互动。

3.教学内容与节能减排政策相脱离

当今环境保护问题已经提上了人们的日事议程，然而在教学内容上，还是围绕着以如何产能及能效问题为主，虽然在部分章节上对污染物控制策略加以阐述，但内容片面，所涵盖的信息量有限，也未能把教学内容与节能减排政策相结合；且教学时也没有在充分保证教学质量的前提下，探讨如何节约授课成本。

4.对新型清洁能源的教学内容不足

现在所教授的热能专业课程主要是以煤、石油、天然气为主的利用方式。而这些燃料在燃烧过程中产生了严重的环境污染问题，不符合当前节能减排形势。授课时也没有对新型清洁能源加以系统的讲解。且现今为止，对新型能源课程的侧重点不够，据调查其他很多高校也没有开设相关课程。

二、教学工作的改革与创新

针对上述存在的教学问题，笔者从教材内容的选取、实践环节的完善及如何培养学生自主研究能力等相关环节进行了以下探索。

1.明确教学目标、优化教学内容

为应对当前教材内容的固化，在教学过程中，对于一些需要重点掌握的内容不断深化，不但要让广大学生从根本上了解其基本原理及相应机制，还通过制作物理模型，或是制作相应的动画、短片来模拟其工作进程，使学生从固定形式的书本内容过渡到生动鲜明的动态模型中，从而加深对理论知识的理解，同时对这些理论知识的应用范围进行阐述，如卡诺循环在热机上应用等。在每课时后都会布置相应的课后内容，这其中包括课后习题的计算，对书本上存在的重点、难点问题，通过网上搜索、到图书馆查阅资料等方式进行知识的梳理，使学生的知识体系得到全面的升华。

科技是不断进步的，本专业的发展也应与时俱进。为弥补书本中存在的知识点不完善问题，在其中加入时代背景下的新技术。例如，现行的热能教材中，所讲解产能方式都以燃煤、燃气为主，其中没有或是很少涉及到新型能源的相关方面。然而，随着国家节能减排政策的不断深化，在建设节约型社会的引领下，为适应时代的发展趋势，也本着更好地建设热能与动力工程专业的发展要求，教学时增加对风能及太阳能等清洁能源的利用及特点的系统性讲解，并结合相关的应用实例。

2.教学手段

在教学过程中，无论是课堂教学还是实践教学，在原有的教学模式上进行改进工作。授课过程不再是教师独自完成教学任务，而是采用启发互动式的教学方法。旨在使学生间、教师与学生间产生良性互动，形成一种探讨式的教学理念，使彼此的观点相互碰撞，产生共鸣，从而激发学生的创造性思维。

本着培养学生的自我学习能力，同时也为了扩宽学生的知识结构，在“能源与环境系统工程概论”授课中期，安排学生对本专业的相关理论在工程实际中的应用进行案例介绍，实施过程主要是通过制作PPT的形式，在课堂上每位学生进行10分钟的讲解。讲解结束，台下学生可根据自己的想法提出相应问题，之后讲解者进行解答。通过这样的方式，每个学生都可以参与其中，如此也进一步弥补了实践课程不足所造成的知识体系不全面。

3.CFD课程的开设

CFD技术是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础上的一门新型的独立学科，[4]它兼有理论性和实践性的双重特点，是与计算机技术的发展紧密相连的。

通过实验的方法所测得的数据真实可信。然而实验时，往往会受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精确度等方面的限制，有时很难通过实验的方法得到满意的结果。此外，实验时还会有经费的投入、人力和物力的消耗及实验周期长的问题，定会造成能源的浪费现象。而CFD技术在一台计算机上完成相关运算，是用模拟的方法完成相同的实验内容，通过数值模拟再现实际场景。

在教学改革中，正是考虑到CFD计算精确、能耗小、实践性强的特点，在本专业开设了“CFD工程软件及应用”课程。选取的教材为王福军编著的《计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用》（清华大学出版社），该教材实用性强、重点突出、易学易懂。本课程在教学任务共计32个学时，每讲授1个课时，预留给学生1个计算实例，培养其动手能力。为防止互相抄袭现象，每位学生的计算案例皆不相同。由于本软件具有理论性与实践性的优点，学生不仅对理论知识进行了梳理，实践能力也得到了加强，补充了实验课程少所带来的不利影响。

CFD课程的开设在一定方面也与我国所提出的节能减排政策相契合，这样的授课特点既减少了课程开支，也保证了教学质量。

4.污染物控制教学与节能减排形势相结合

在世界范围内，环境保护已成为热点话题，而电站燃煤是造成环境问题的罪魁祸首。围绕着环保，产生了各种燃烟型控制技术，这其中包括煤的净化技术、煤的先进燃烧技术、燃煤烟气净化技术及洁净煤发电新技术。

在过去的一段时间内大气污染的重点控制对象为硫氧化物及碳氧化物，而现今的重点控制对象已变为氮氧化物。为此，在对学生授课时，对污染物控制技术应深入介绍，同时也要对我国排放标准与国际排放标准进行比较，让学生对相关政策有一定的了解。例如，授课时对脱硝装置进行系统的介绍，使学生知道当前的脱硝技术有哪些、国际上的氮氧化物排放标准如何。

5.社会实践环节

热能与动力工程专业是一个实践性很强的学科，很多的理论知识都需要通过实践的方式去领会与消化。因此，实践教学是提高学生对知识全面掌握程度的必备环节。

实践环节主要是以当前污染物控制相关内容为主，在提前与电厂沟通的前提下，且在电厂检修期间，带领学生现场教学，同时要充分注意学生安全问题。由于时间限制，主要对除尘系统、烟气排放系统、脱硫岛及脱硝岛进行参观及学习。在现场时，学生对于不懂的问题，由教师或电厂的运行人员进行答疑解惑。

同时，鼓励学生参加相关的节能减排大赛。充分发挥学生的创造力与想象力，在其过程中，教师给予一定的指导工作。通过实践环节，使每个学生对本专业有整体上的认识，为今后的研究与工作打下坚实的基础。

三、结语

在节能减排的时代背景下，针对热能专业的特点，对有利于本学科发展的教学工作完善问题进行了有益的探讨。具体内容包括：教学内容上对清洁新型能源的重点介绍、理论性与实践性完备的CFD课程的开设、为应对污染物控制问题的控制策略。通过这些改革与创新方法的尝试，在教学上取得了令人满意的成绩。学生的学习能动性有所提高，对知识的理解得以深入，且本专业就业趋势明朗，就业单位对学生评价较高，从而证实了该教学改革与创新工作的实施是成功的，达到了最初的教学目标。

参考文献：

[1]郝吉明，王书肖.燃煤SO2控制技术手册[M].北京：化学工业出版社，2001.

[2]牛云翥，牛叔文，张馨，赵春升.家庭能源消费与节能减排的政策选择[J].中国软科学，2013，（5）.

篇7

关键词：洁净室计算流体动力学风机过滤器单元满布率节能

1引言

洁净室空调系统经典的方案是采用中央空调和三级过滤器集中送风，通过大型风道将已经处理的空气送至过滤器的接联管道，然后经高效空气过滤器（HEPAFilter）或者超高效空气过滤器（ULPAFilter）送到洁净室。而另一种方案是采用室内循环风就地冷却，利用干冷却盘管解决新风不能提供全部冷负荷的问题，同时利用风机过滤器单元来进行空气循环。每种方式各有一定的适用范围，风机过滤器单元（FFU）因其灵活性大,即可通过置换盲板来提高局部区域的洁净度、占用空间较少等优点得到越来越多的应用，尤其适合于旧厂房的改造及技术更新较快的工程。虽然FFU系统成本较高，而从综合投资角度，分析认为采用FFU方式在末端过滤器铺设率为25%－30%时较为有利【1】。

ISO5级（百级）洁净室属于洁净室用暖通空调系统耗能大户，通常采用吊顶满布高效过滤器的送风方式，运行能耗较大。有关洁净室运行费用的文献指出，在某些欧洲国家，能源消耗的费用已占洁净室运行、维护年度总费用的65%～75%【2】，其主要影响因素是洁净室的空气流量和采暖通风空调系统如何有效地向洁净室分布经过净化和温湿度调节的空气，所以在保证洁净污染控制的条件下，合理选择送风速度，布置末端过滤器、回风口、减少送风量以便节能是人们关注的焦点。

另外国外对一些ISO5级洁净室实测数据表明，大部分换气次数远低于建议的下限值【2】，而在设计中存在系统风量过大的倾向，这可能与对气流缺乏了解，担心系统运行可靠性的保守思想有关，说明提高节省能源的机会确实存在。随着计算流体动力学（CFD）技术自身的发展，已广泛应用于暖通空调和洁净室等工程领域，通过计算机求解流体所遵循的控制方程，可以获得流动区域的流速、温度、浓度等物理量的详细分布情况，是一种较好的优化设计工具。其优势在于利用CFD技术对设计方案进行模拟可以在施工前发现失误并及时更正，避免经济损失；可以迅速发现提高系统运行效率的可能性；另外，通过模拟可以得到一系列运行的备选方案，以便在寻找最经济方案时有所依据。

本文利用CFD软件，对拟采用FFU净化空调系统的某微电子洁净厂房的ISO5级洁净室进行计算机模拟，通过几个设计方案相比较，利用所得到的速度场，分析评价其性能，利用理论计算验证其平衡态的洁净度，并提出一些应用中的注意事项，为实际工程应用提供参考。

2数值模拟及分析

2.1数学模型

从流动的雷诺数Re来考虑，洁净室的气流均为紊流【3】，空气的流动满足连续性方程，动量方程和能量方程。对于工程问题，我们不需要关心紊流的精细结构及其瞬时变化，而只关心紊流随机变量的有关平均值，因此，本文采用数值计算三类方法中雷诺时均方程中的紊流粘性系数法，流动模型采用暖通空调广泛采用的标准k-ε二方程模型，k-ε模型通过求解紊流动能与紊流动能耗散率的输运方程得到紊流粘性系数。

控制方程的通用形式为【4】：

式中：ρ为空气密度(kg/m3)，V为气流速度矢量(m/s)，Γφ，eff为有效扩散系数(kg/ms)，Sφ是源项，Φ代表1，u,v,w,k,ε中的一项，u,v,w为三个方向的速度分量(m/s)，k为紊流动能(m2/s2)，ε为紊流动能耗散率(m2/s3)，Φ=1时通用方程变为连续性方程。

边界条件：墙体边界设为无滑移边界条件。送风边界条件，送风速度取过滤器面风速平均值，速度方向竖直向下。回风边界条件，回风口满足充分发展段紊流出口模型。由于室内热负荷较小，不考虑温度浮升效应对气流的影响。采用混合迎风差分格式对偏微分方程进行离散，基于有限容积法的SIMPLEST算法进行求解。

2.2物理模型及计算结果分析

方案一将风机过滤器单元（规格为1.2m×1.2m）成条型居中布置于天花板，满布比在25%，回风采用全地面均匀散布穿孔板作为回风口。物理模型平面图如图1。经模拟计算得到气流流场示于图3，由于送风口在Y方向呈对称布置，图中只给出一半流场。从图中可见，在送风口下方流线垂直向下，流线平行较好，而在送风口至墙体范围内有较大的涡流区，则主流区范围减少，不能使全室工作区达到较高级别。同时粒子也会被卷吸进入主流区，排除污染物的路径增长，增加污染的可能性。

图1FFU布置平面示意图（条型）图2FFU布置平面示意图（均匀）

图3FFU条型布置YZ截面流场图

图4FFU均匀布置YZ截面流场图

方案二将FFU（规格为1.2m×1.2m）散布于天花板，满布比仍为25%，过滤器面风速在0.45m/s，回风采用全地面均匀散布高架格栅地板作为回风口。物理模型平面示意图如图2，气流流场分布如图4。模拟计算显示，对于均匀布置FFU方案，工作区1.2m及0.8m高度断面平均风速分别为0.1545m/s、0.1516m/s，可见散布末端过滤器送风口可以减小速度的衰减。虽然在送风口之间上部存在反向气流，形成小的涡流区，但在工作区0.8m－1.2m范围内已形成竖直向下的流线，时均流线平行较好，由于此洁净室产热量较小，热气流对流线影响可忽略，不会产生逆向污染，因此上部的涡流不会对主流区产生影响。空气中的微粒在重力、惯性和扩散三种作用力下运动速度和位移是微小的，直径在1μm时，微粒跟随气流运动的速度和气流速度相差不会大于10－3【3】。此设计中新风处理机组设三级过滤器，FFU中过滤器为U15≥99.9995%＠MPPS，直径＞1μm的微粒可视为零，因此，工作区产生的微粒能完全跟随气流一起运动，直接排出洁净室。

当进一步减小满布比时模拟计算可知，除送风口正下方—定区域外，其余部分已根本不能保证气流接近垂直向下，过滤器之间存在一个从天花板到地面贯通的巨大涡流区，污染物极易被卷吸进入涡流区内而不易排出。

经过模拟计算及分析，我们认为在送风口满布比为25%，均匀分布FFU，采用全地面均匀散布穿孔板回风，过滤器面风速在0.45m/s，相应换气次数为147次/小时，由于FFU可达到较大的送风面风速，以及均匀散布穿孔地板回风口的均流作用，因为如果采用侧墙下侧回风，就会在洁净室中间下部区域形成较大的涡流三角区【5】，因此，洁净室内能够形成比较合理的气流流形，在主流区内能形成基本垂直向下的流线，但在靠近四周墙壁处，由于形成受限射流，出现涡旋，因此在布置设备时，应避免将设备靠墙壁布置，而应留有一定距离，这是洁净室施工完毕，开始投入使用时应加以注意的。另外，此设计中虽然不能形成如传统满布高效过滤器送风口而形成的全室平行气流，但美国标准IES－RP－CC012.1【6】中已认为ISO5级洁净室也可采用非单向流流型或混合流型。

3理论计算洁净度

洁净室的洁净度级别由通风系统和室内污染源所决定。可以通过数学公式对其进行计算。根据粒子平衡理论，进入洁净室的粒子有室外新风带入、循环空气带入及室内污染源。对于电子厂房室内污染源主要是工作人员的产尘，而设备产尘很小可忽略不计。从洁净室排出的粒子有回风带出及由于室内正压而渗出的粒子。可得如下方程【7】：

达到平衡状态时，浓度方程变为：

其中

以上式中：Q，送风量，m3/sq，渗出的空气量，m3/s；V，洁净室的容积，m3；x，循环风的比例，此处为1；c，洁净室的浓度，粒/m3；c0，洁净室的初始浓度，粒/m3；c∞，洁净室的平衡浓度，粒/m3；c1，渗出空气的浓度，粒/m3；cout，室外新风的浓度，粒/m3；t，时间；ηout，新风过滤器效率；ηrec，回风过滤器效率；S，室内污染源，粒/秒；ε,通风效率。

新风预过滤器为F5（η＝55%），中效过滤器为F9（η＝95%），高效过滤器为H12（η＝99.5%），FFU中过滤器为U15（η≥99.9995%＠MPPS）；新风含尘浓度天津地区取为3×107粒/m3(≥0.5μm)；身着洁净服的工作人员走动时的产尘量为1×104粒/秒·人(≥0.5μm)；设同时有3人在工作；通风效率取为90%；新风比为4.42%。计算得出此设计的洁净室稳定含尘浓度为2857粒/m3（即81粒/ft3），达到ISO5级100粒/ft3的设计要求。

4结论

通过本文的研究可得到如下结论：

1）针对电子厂房洁净室发尘量较低，室内人员较少，热负荷较小的情况，通过选择级别较高的过滤器，合理布置末端高效过滤器的位置，回风方式后，即使设计的室内换气次数、断面平均风速低于规范建议的下限值，仍可有效地滤除粒子，满足空气洁净度要求。

2）CFD是一种较好的优化设计工具，结合工程实际情况，借助模拟工具进行辅助设计是必然趋势。

参考文献

1.严德隆.全国室内空气净化工程与技术发展研讨会.2001:94～97

2.徐腾芳,杨耀祖.洁净与空调技术,2002(B12)：37～42

3.许钟麟.空气洁净技术原理.上海：同济大学出版社，1998

4.陶文铨.数值传热学（第二版）.西安:西安交通大学出版社,2001

5.樊洪明,何钟怡，李先庭.空气动力学学报，2001，19（3）：302～309

篇8

一、引言

近年来我国水泥工业取得了较大的发展，但在热耗、电耗、污染物排放等方面同国际先进水平仍存在一定差距，有很大的潜力可挖。预分解系统是实现节能、降耗、减少污染物排放的关键设备，因此开展预分解系统的研究不仅能促进我国水泥技术的发展，增强我国水泥技术的国际竞争力，而且对实现我国水泥工业节能、降耗、清洁生产发展目标也具有重要的现实意义。

本文的项目以5 000t/d预分解系统为研究对象，来源于国家科技部“十一五”科技支撑计划重大项目：“绿色制造工艺与装备”的“高性能水泥绿色制造工艺和装备”课题及后续研究。结合流体动力学基本原理，采用Fluent软件模拟旋风筒、分解炉内的气流速度场、温度场、颗粒浓度场及气体组分场等分布状况，对了解和掌握煤粉在分解炉炉内燃烧过程及其规律，为水泥工业热工设备的设计、燃烧装置的正常运行和控制燃烧过程提供理论基础和实践指导意义。由于篇幅限制，本文仅以分解炉（含鹅颈管）部分为代表介绍数值模拟在设备开发研究中的应用，对项目研究成果――HF5000高能效预分解系统在示范线上的使用情况做以阐述。

二、5 000t/d分解炉的数值模拟

分解炉是预分解窑的关键设备，具有燃料燃烧、气固换热和碳酸盐分解等多种功能，是一个非常复杂的气固反应器、换热器和输送器，必须使风、煤、料在炉内混合分布均匀，煤粉才能迅速燃烧，从而使放出的热量及时被生料吸收用于CaCO3分解。所以清楚地了解和分析炉内物料运动、煤粉燃烧与碳酸钙分解，对优化分解炉内燃烧过程、提高生料分解率，进而研究其结构优化具有重要的理论价值与实际意义。

1.分解炉的模型建立

该部分由炉体、炉腔及上下锥体、鹅颈管组成。在下锥体左侧部三次风旋转进入分解炉，三次风管边部及对面各设有一个燃料喷嘴，在下锥体上部两侧设有物料喂入装置。其几何模型与实体结构如图1所示，其几何尺寸如表1。

2.计算区域与网格的生成

网格的生成在流场数值模拟中属于前处理过程。模型的网格划分是进行数值计算的前提，也是关键的一步。网格质量的好坏，不仅会影响计算结果的精度，对模拟结果与真实情况的吻合程度也有较大影响。针对预分解系统的结构特点，本文在研究过程中划分网格时，采用T-Grid网格技术方法生成网格，如图2所示。

3.数学模型

假设分解炉内流体的流动为稳态湍流流动，窑尾烟气入口处与三次风进口处初始速度皆为均匀分布，颗粒间相互碰撞仅考虑重力和阻力。气体流动采用重整化群（RNG）的κ-ε模型，燃料燃烧及碳酸钙分解采用有限速率/涡耗散模型，辐射传热模型采用DO模型。其三维流动的控制方程可写成如下统一形式：

（1）

当φ=1时为连续性方程，S φ是由气相引起的源项或汇项，S ρφ是由固体颗粒引起的源项。

燃料颗粒作为离散相，在拉格朗日（Lagrangian）坐标系中描述，同时考虑它与气相之间的质量、动量和能量交换作用。颗粒的运动方程可表示为：

（2）

方程2的右边依次为气相阻力、重力（包括浮力）和其他作用力。

燃烧颗粒的能量方程为：

（3）

式中，右边依次为对流传热、辐射传热、热解挥发分析出热和反应放热；其中m ρ为颗粒的质量，C ρ为颗粒的比热，T ρ为颗粒的温度，h 为对流换热系数，A ρ为颗粒表面积，T ∞为气相温度，ε ρ为颗粒的发射率，σ 为波尔兹曼常数，θ R为辐射温度，I 是辐射强度，h f为汽化潜热，?h份额常数，H reac为表面反应释放的热量。

4.初始、边界条件及计算方法

为了使流动过程与方程组能够用数值方法求解，必须给定相应的边界条件和初始条件，并且

初始条件和边界条件给定合理与否将直接影响方程组解的收敛性和正确性。

分解炉各入口边界与出口边界条件如表2，固体壁面边界采用标准壁面函数，无滑移边界，壁面粗糙度为0.5。煤粉（取自示范线）的成分分析如表3。

对于所有相的控制方程采用控制容积法进行离散，离散方程组的速度与压力的耦合采用SIMPLE（Semi-Impilict Method for Pressure-Linked Equation即半隐式压力相关方程解法）算法，该方法优点是可以直接求出压力场和速度场，收敛性好。所有方程都采用二阶迎风差分格式，低松驰算法联合求解。收敛标准能量耗散项为10-6，其他各项为10-3。

5.数值模拟结果分析

通过上面的建模、网格划分、定义边界条件和计算，可以得出分解炉内的速度场、温度场、气体组分布和颗粒运动轨迹等信息。如图3～图5为分解炉Y =0的截面上速度分布填充图、温度填充图及气体质量分数分布图，图6给出了分解炉内颗粒运动轨迹图。

通过对分解炉数值模拟的研究应用，全面分析了分解炉内部的气固两相流场，对模拟结果进行了详细分析计算，为进一步研究提供了依据。从数值计算结果可以发现如下结论。

（1）从速度分布可以看出，窑气从窑内喷腾而入，具有明显的喷射流特征，三次风切向而入与喷射而入的窑气在窑炉锥体部形成叠加的强流场。在三次风入口处有强的旋流运动，且靠近三次风管一面比另一面有强的速度场。由于三次风的作用在靠近分解炉的锥体处出现负的速度分布，说明有下降气流出现，即有环状立涡，这些速度的变化都将有利于增加物料停留时间、提高换热效率和碳酸盐的分解率，增加分解炉容积利用率。

（2）从运动轨迹模拟看出符合旋流喷腾的设计要求。

（3）通过温度分布看出分解炉内温度区域分布均匀合理，在下锥体部分有局部高温利于燃料的及时燃烧，炉膛温度分布符合喷旋分解炉燃烧的规律。

（4）通过气体组分模拟结果可发现，三次风、煤粉的进入点的布置合理，三次风进入方式符合要求，分解炉内的燃烧非常完全。

三、示范线运行情况

通过数值模拟与实际相结合的方法，圆满完成设计要求，取得了丰硕成果――HF5000高能效预分解系统经在宝鸡市众喜金陵河水泥有限公司使用，运行良好。

经国家建筑材料工业水泥能效环保评价检验检测中心标定，主要运行指标如下：烧成系统熟料产量5 816t/d，烧成热耗2 939.77k j/k g-c l，1#筒出口温度280℃；三次风温度1080℃，出冷却机熟料温度93℃，冷却机热回收效率76.18%，单位熟料冷却风量1.8238N・m3/k g-c l；燃烧器一次风量7%，火焰热力强度高，调节灵活，对煤质的适应能力强。表4和表5分别给出了国内5 000t/d生产线运行指标（平均）、新型干法生产线生产水平比较。通过以上参数比较可以看出该系统各项技术指标均居国内同类型生产线领先水平。图7为示范线中央控制系统。

四、总结与展望

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【关键词】离心压缩机；设计方法；开发

0.前言

在石油、天然气和煤化工等行业的工艺流程中，离心压缩机起着核心、关键设各的作用。随着生产规模的不断扩大，能耗和环保问题日益尖锐，对离心压缩机性能的要求也愈加苛刻，这一问题己经受到汽轮机机械行业工作者的普遍关注。

随着计算方法的不断改进和计算流体动力学软件的迅速发展和应用，离心压缩机专业领域取得了许多可喜的成果，然而由于气体流动的复杂性，在这一领域仍有许多难题需要专业工作者进行长期的探索。就离心压缩机的设计而言，需要有严谨的理论支持和现金的计算手段，更重要的是需要大量的试验数据和时间经验的支持，更重要的是需要大量试验数据和实践经验的支持。本文将结合作者多年来的设计经验及相关资料，对离心压缩机的设计进行简单地总结，并提出一些设想。

1.离心压缩机的设计方法

离心式压缩机设计的基础就是离心压缩机基本原理和设计的经验。在工程应用中其主要的设计方法有三种：效率法、模化法和流道法。

效率发是根据已有的设计经验和类似的压缩机产品，预先给定级效率，然后按照经验数据选取级的主要几何参数和各个单元件的形式，设计出压缩机的流道几何尺寸，其缺点是用级的平均多变效率代替各部件的效率，不能反映各部件的真实情况。

流道法则是以级中各元件的试验为基础，用已有基本元件性能经过换算去匹配新的元件来设计压缩机的流道。这种方法需要大量的元件的试验数据，目前由于缺乏完整的各种典型级和元件匹配性的试验数据而较少采用。

模化设计方法包括整机模化设计和按照基本级匹配的设计，它们都是以相似理论为基础的几何形状和流体动力方面的相似模化。由于采用的模型机器或基本级是经过试验验证的，所以模化设计的新机器性能是最可靠的。在模化设计中，按基本级匹配的方法可组合出各种性能的机器，具有很大的灵活性，因此所有的离心压缩机公司大多采用这种方法并且都拥有相当规模的基本级供设计选用，同时也促进了系列化设计的产生。由于系列化的设计，产品的制造周期明显缩短，节约了成本，保证了质量，得到了所有压缩机成产厂家的普遍推崇。

1.1效率法设计

尽管效率法由于太随机而逐渐被淘汰，但是它却是级设计的最基础的方法，特别是在基本级比较缺乏时仍在采用。

利用效率法设计产品，不仅要正确选择主要的结构参数和气流参数，而且要合理设计叶片型线。同时考虑叶轮作为离心压缩机的关键部件设计同诸多因素有关。

1.2模化设计

压缩机的实际设计中得到了广泛的应用，下面就对以基本级为基础的模化设计进行介绍。利用基本级进行模化设计的前提必须拥有性能可靠，适用流量范围宽的系列基本级。

2.离心压缩机和离心鼓风机设计的区别

离心鼓风机由于压力较低，可压缩性，附面层等的影响没有离心压缩机那么显著，所以其基本级的设计比压缩机要简单，特别是在出口压力较低时，可只改变叶片的型线而不改变叶轮的出口宽度来达到要求。

目前我公司同海巴公司合作开发的低速风机就是如此，当Qj=380～750时，风机可用相同的b2， 所以其系列化较压缩机要容易些. 而离心压缩机中流动复杂， 各种损失多， 各级的流动状况差异大， 所以需要不同的基本级进行匹配才能满足要求。

3.开发离心基本级，提高离心压缩机设计水平

基本级性能的优劣直接影响压缩机的性能。纵观系列化程度较高的各压缩机公司，无不在基本级的设计和试验上进行大量的投入。再者随着竞争的不断激烈，用户对产品可靠的性能和较短的供货周期更加关注。这样就更促使了设计厂家进行系列化设计，利用基本级进行模化设计就成为必然。所以，离心压缩机企业的设计水平很大程度上取决于基本级的设计水平。

在基本级的开发上，气动设计应注重每个元件的基本气动过程，其中包括：气体蜗室、叶轮、叶轮与扩压器无叶空间、扩压器回流室、密封等并考虑各元件中基本流动现象；基本核流效应；二次流现象；间隙效应；盘摩擦效应；混合过程等。同时，注重各种修正数据的积累，并运用CFD这种先进的技术工具进行分析，尽量缩短开发的周期。

目前石化行业需要大量的技术含量较高的所谓高端产品，这些产品设计难度大，性能指标要求高，这就需要设计的压缩机有非常高的可靠性，就必须借助于可靠的基本级来设计。随着基本级的不断积累和试验研究的深入进行，离心压缩机的系列化设计水平将有一个很大的提高。■

【参考文献】

[1]徐忠.离心压缩机原理（第3版）[M].北京：机械工业出版 2011.

[2]朱报祯，郭涛.离心压缩机[M].西安：西安交通大学出版社，2011.

[3]T.B.弗格逊.离心压缩机的级[M].2010.

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关键词：建筑风环境 CFD技术

中图分类号：TU201 文献标识码：A 文章编号：

Abstract

In recent years, more and more people pay attention to building wind environment. Wind is one of the important factors constituting the outdoor environment, wind and the urban environment, the built environment has a close relationship, and urban planning, architectural design and structural design field plays a big impact. However, it is very difficult to master the wind environment, The traditional analog means consuming and laborious. In recent years, more and more of the technical staff of the various industries used CFD technology as a means of digitized analog, its irreplaceable advantages will make the building simulation technology to achieve a new leap.

Keywords: Building wind environmentCFD technology

0.引言

人、自然、建筑、城市一直是紧密相关的概念，而风与他们都有关系。近年来，“建筑的风环境”已经和“热环境”、“声环境”、“光环境”一样，越来越多地引起人们的重视。风是构成环境，尤其是室外环境的重要因素之一，风和城市环境、建筑环境有着密不可分的关系，并对城市规划、建筑设计和结构设计等领域起着很大的影响。

在城市中，风环境的特性非常复杂，它不仅依赖于建筑本身的外形、尺寸和某些建筑物的特征（如开口、通道、架空等），而且依赖于周围建筑物的相对位置、外形及四周地形的粗糙程度。随着建筑物的增高、布局的密集，建筑物对气流的影响越来越难于掌握。例如高层建筑狭道内过高的风速、过急的涡流将对行人造成不舒适，甚至带来危险；不当的建筑布局或体型易使气流在建筑群之间形成“涡流死区”，不利空气的流动及废气、热气的排散。

因此，在建筑设计阶段就对建筑风环境作出预测和评价，以指导、优化建筑设计已显得十分必要。而目前人们对建筑的风环境大多停留在感性认识阶段。我国地域辽阔，各地区间气候差异显著，对建筑风环境的要求也大不相同，怎样的建筑风环境适应何种气候类型，需要我们做进一步的细致研究。

1.CFD介绍

目前，建筑风环境研究的主要手段是边界层风洞试验，当风特性的精度对建筑结构至关重要时，风洞试验已成为必要手段。随着计算机技术的发展，计算流体力学(CFD)已经在越来越多的领域被用于学术研究和工业实践。与风洞试验相比，数值模拟技术具有省时及省费用的明显优势，过去的几十年中，一些研究者对单体建筑的绕流进行了数值模拟。他们的研究成果表明，采用合适的数值方法，一些复杂的流动现象是能够较准确地被预测到的。图1为对同一建筑模型分别做风洞模拟和数字模拟。

图1对同一建筑模型分别做风洞和数字模拟

CFD 技术是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。CFD相当于“虚拟”地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。可以认为CFD是现代模拟仿真技术的一种。CFD具有成本低、周期短、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点，故备受青睐。

目前，CFD技术在国际上尤其是在美国等发达国家得到了广泛的应用。常用的风环境模拟的软件都是基于计算流体动力学（CFD）原理，使用FLUENT、PHOENICS等软件系统为平台，并进行专项开发的计算软件来完成。如基于FLUENT开发的气流模拟软件Airpak，使用它可以方便而准确地建立通风系统的气流、热传递、污染物迁移以及热舒适性的计算模型，可方便地进行多方案的比较模拟，并根据模拟结果寻找出最佳的设计方案。

Fluent公司是享誉全球的CFD软件供应商和技术服务商。公司总部设在美国新汉普郡州(NewHampshire)的利巴嫩(Lebanon)，下属机构遍及全球。自FLUENT 软件面世以来, 以其丰富的物理模型、先进的数值方法及技术人员高质量的技术支持和服务, FLUENT 软件很快成为CFD市场的领先者。1988年Fluent公司正式成立。Fluent公司的销售及技术服务网络遍及世界各地。公司的客户涉及航空航天、旋转机械、航海、石油化工、汽车、能源、计算机/ 电子、材料、冶金、生物、医药等领域。Fluent公司与许多具有领先地位的硬件和软件厂商保持着密切的合作伙伴关系。这些合作关系可以保证Fluent软件及时地应用最新的研究成果。Fluent公司在其发展历程中，始终领导着商用CFD软件的发展方向，不断推出面向客户工程需求的软件工具。其产品作为世界公认的CAE工业标准，获得了包括ISO9001和Ticket 等诸多权威质量认证。

除了上述软件外，进行风环境模拟的软件还有：英国AEA Technology公司的CFX软件、Computational Dynamics Ltd.公司的Star-CD软件等等。运用CFD（流体动力学）方法还可以模拟比较街区建筑物表面不同附着物如绿化种植，对相关物理环境要素的影响。如对环境风向、风速、相对湿度、平均辐射温度（MRT）等的空间分布进行数值模拟。由模拟结果可以得出，不同的绿化方式会明显的影响街区内的风流分布。虽然建筑物表面绿化可以降低建筑外表面、室外空气和平均辐射的温度等有利影响，但同时也会产生降低室外风速、增加空气相对湿度等不利影响，而这些因素综合形成的环境舒适度定量指标是建筑师的一般想象所无法得出的。

2.应用原理

CFD模拟大体包含三个主要环节：建立数学物理模型、数值算法求解、结果的可视图像化。

（1）建立数学物理模型

建立数学物理模型是对所研究的流动问题进行数学描述。各种CFD通用软件的数学模型的组成是以纳维――斯托克斯方程组与各种湍流模型为主体，再加上多相流模型、燃烧与化学反应流模型、自由面模型以及非牛顿流体模型等。大多数附加的模型是在主体方程组上补充一些附加源项、附加输送方程与关系式。

（2）数值算法求解

描述流动的各微分方程相互耦合，具有很强的非线性特征，目前只能利用数值方法，例如有限差分法、有限元法、边界元法以及有限分析法等方法求解，其中以有限元法和有限差分法为主。经过比较发现对于边界形状较规则的研究区域如矩形区域，二者模拟效果相同，但有限差分法的计算较简洁；而对于边界形状较复杂的区域，有限元法模拟效果更好。目前大多数的商用CFD软件都采用的是有限元法。

（3）计算结果的可视化

上述代数方程求解后的结果是离散后的各网格节点上的数值，这样的结果不直观，难以为一般工程人员或其他相关人员所理解。因此将求解结果的速度场、温度场或浓度场等表示出来就成了CFD技术应用的必要组成部分。通过计算机图形学等技术，就可以将我们所求解的速度场和温度场等形象直观地表示出来，甚至便于非专业人员理解，如图2。如今，CFD的后处理不仅能显示静态的速度、温度场图片，而且能显示流场的流线和迹线动画，非常形象生动。

图2可视化的风速场图像

3.实例

2004年, 哈尔滨工业大学秦伟基于Fluent6.0平台, 通过20多个钝体绕流算例计算结果与相关的试验结果进行对比，以工程上关心的风荷载宏观量为考察对象，探讨Fluent6.0用于结构风荷载统计平均量预测的可靠性。2006年孙晓颖、武岳等以大跨度平屋面为例，采用CFD数值模拟技术对屋盖表面的风压分布进行了数值模拟。采用了雷诺应力湍流模型(RSM)和SIMPLE压力校正算法，并将计算结果与风洞试验结果进行了比较分析，两者吻合较好。2007年深圳建筑科学研究院刘俊跃利用CFD对某小区的自然通风进行模拟，与风洞试验结果互相印证。

4.结论

CFD技术的飞速发展为建筑风环境的研究手段带来了巨大的变革，CFD对流场平均特性的计算结果已经达到实用化程度，建筑风工程领域存在许多可以用CFD和试验相结合进行研究的课题。CFD的发展和应用程度与计算机技术密切相关。由此我们可以期待未来计算机的发展必将为CFD在建筑工程领域的应用带来一个新纪元。

参考文献

[1] Versteeg H K，Malalasekera W ．An Introduction to computational fluid dynamics：the finite volume method[M]．Essex：Longman Scientific& Technical，1995．

[2] Hunt J C R，Femholz H．wind tunnel simulation of the atmospheric boundary layer：a Report of Euromech．JFluid Mechanics，1995，3：543～559．