CFD軟件在空氣潔凈技術教學中的應用研究

王永喬 吳光平 陸志炳 金永超

摘 要：當前空氣潔凈技術教學結合實際，引進CFD數據建模，在教學內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節上能夠提升教學質量，為進行空氣潔凈技術教學改革創新奠定一定的基礎。

關鍵詞：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，強調理論與實際的結合，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教學中理論教學過多以及抽象內容較多的問題，將課程所述現象動態的呈現給學生。實踐與理論知識緊密結合，通過教學內容、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、空氣潔凈技術教學現狀

空氣潔凈技術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技術廣泛應用在工程實踐中，豐富教學內容。空氣潔凈技術的學習應用在諸多生產實踐中，例如生物醫藥、微電子產品、食品加工等，實現微型化、精密化、高質量、高可靠性的產品生產，因此空氣潔凈是醫療科學、工業生產中不可或缺的重要技術支持，進行空氣潔凈技術的學習對于培養專業技術人員是一項重要內容。目前很多院校均開設了這一技術課程。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、空氣潔凈技術教學引入CFD技術的作用

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，運用計算機數值模擬計算方法計算出流動數值，為解決實際的問題開辟道路。CFD同3Dmax等處理軟件結合運算速度快，準確的反映流體流動細節，能夠對空間內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技術的引用具有應用面廣、適應性強的優勢，通過CFD模擬能滿足工程需要的數值精確要求，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合實踐模型得到完整的資料。教學中CFD技術的應用將計算機技術予以融合，使用數值仿真技術，將學生的分析創新能力不斷提升。

在學習空氣潔凈技術過程中，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，大篇幅內容都是講經驗公式，讓學生印象不深。作為老師在課堂上沒有具體動態地將空間對流現象講授給學生，容易造成理論知識學習無法與工程實踐相結合，對于實踐性較強的專業課，該現象需要盡快轉變。傳統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合的問題突出。僅使用傳統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容的學習。CFD技術與空氣潔凈技術教學相結合是解決上述問題的捷徑[2]。

三、CFD軟件技術教學應用

以教學實踐課程研究實驗室房間室內污染物濃度分布，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，房間內設置有一氧化碳污染源，散發速度為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、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為已知條件，建立房間內污染物濃度分布模型，劃分網格后給定邊界條件，導入CFD軟件。設置邊界條件參數，探討室內污染物動態分布情況，并將導出數值模擬結果、導入數據處理軟件，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技術的應用將計算機技術予以融合，使用數值仿真技術，將學生的分析創新能力不斷提升。案例中在空氣潔凈技術教學中的應用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，模擬室內空氣和新風混合導致交叉感染的情況。軟件模擬環境進行置換，通風方式的效果顯示通過動態動畫可以看到送、排風口位置對氣流組織的影響。同時根據房屋內的物品對氣流組織產生了影響。針對模擬結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。通過這個環節學生能夠模擬動態的演示教學，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、結束語

空氣潔凈技術教學中融合CFD技術，發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，提高了教學質量。在專業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技術的空氣處理機組溫度分層優化設計[J].暖通空調，2019，49（8）：138-140.

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

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

通訊作者：李艷瓊 趙炎