建筑環(huán)境與設備工程畢業(yè)設計潔凈室內氣體流場分析及優(yōu)化設計

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　潔凈室內氣體流場分析及優(yōu)化設計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 建筑環(huán)境與設備工程

2、 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　目錄</b></p&g

3、t;<p><b>　　摘要3</b></p><p><b>　　前言5</b></p><p><b>　　第一章 緒論6</b></p><p>　　1.1 課題研究背景及研究目的與意義6</p><p>　　1.2 CFD技術的優(yōu)點7<

4、;/p><p>　　1.3 國內外研究現(xiàn)狀8</p><p>　　1.3.1 CFD在暖通空調流場優(yōu)化設計中的應用8</p><p>　　1.3.2 CFD在冰箱流場優(yōu)化設計中的應用9</p><p>　　1.3.3 CFD在食品冷凍冷藏領域流場優(yōu)化設計中的應用10</p><p>　　1.3.4 CFD方法在制

5、冷其他方面的應用11</p><p>　　1.4 CFD在制冷領域應用的前景11</p><p>　　第二章 潔凈室內不同吹風口位置物理模型的建立12</p><p>　　2.1 潔凈室物理數(shù)字模型的建立12</p><p>　　2.1.1 創(chuàng)建點12</p><p>　　2.1.2 創(chuàng)建線12<

6、;/p><p>　　2.1.3 創(chuàng)建面13</p><p>　　2.1.4 創(chuàng)建三維14</p><p>　　2.2 潔凈室內吹風口在不同位置時物理模型的建立16</p><p>　　2.2.1 吹風口在頂部時的物理模型建立16</p><p>　　2.2.2 吹風口在側面時的物理模型建立19</p>

7、;<p>　　2.2.3 吹風口鋪滿側面時物理模型的建立20</p><p>　　2.3 本章小結20</p><p>　　第三章 潔凈室內不同吹風口位置的氣體流場分析及優(yōu)化設計21</p><p>　　3.1 潔凈室內無操作臺時三種不同吹風口位置的數(shù)值結果分析21</p><p>　　3.1.1 啟動FLUENT

8、21</p><p>　　3.1.2 建立求解模型24</p><p>　　3.1.3 設置流體的物理屬性26</p><p>　　3.1.4 設置邊界條件26</p><p>　　3.1.4 迭代求解28</p><p>　　3.1.5顯示計算結果32</p><p>　　3.1.

9、6 其他兩種吹風口位置的計算結果35</p><p><b>　　小結39</b></p><p>　　3.2 潔凈室內有操作臺時三種不同吹風口位置的數(shù)值結果分析39</p><p>　　3.2.1潔凈室吹風口在頂部時39</p><p>　　3.2.2 潔凈室吹風口在左上側時41</p>&l

10、t;p>　　3.2.3 潔凈室吹風口在左側墻面時43</p><p><b>　　小結44</b></p><p>　　3.3 本章小結45</p><p>　　第四章 潔凈室內不同吹風口大小物理模型的建立46</p><p>　　4.1 吹風口大小為1.5m時46</p><

11、p>　　4.2 吹風口大小為2.0m時48</p><p>　　4.3 吹風口大小為3.0m時48</p><p>　　4.4 本章小結50</p><p>　　第五章 結論與展望51</p><p>　　5.1 結論51</p><p>　　5.2 不足與展望51</p>

12、<p><b>　　[參考文獻]53</b></p><p><b>　　致謝54</b></p><p><b>　　外文翻譯55</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　以某一典型的空調房間為研究目標，利用

13、計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，以下簡稱為CFD）軟件，研究在低溫送風條件下，室內氣流組織的分布狀況。運用計算流體動力學CDF軟件對不同送風參數(shù)下的流場和溫度場做模擬，并對計算結果進行分析，總結出送風參數(shù)對潔凈空調房間影響，以此作為提高室內空氣品質的一個參考。</p><p>　　[關鍵詞] 氣流組織；空氣品質；CFD；計算流體力學</p><p>

14、　　Gas Flow Field Analysis and Optimization Design to Clean Indoor</p><p>　　[Abstract] In a typical air conditioning room as the research target, using computational fluid dynamics (Computational Fluid Dynami

15、cs, hereinafter referred to as theCFD) software, research in low-temperature air supply conditions, the distribution of the indoor airflow organization. Air parameters of different flow field and the temperature field do

16、 simulation with the computational fluid dynamics software CFD.and calculated results analysis, summarizes the effects of parameters supply of clean</p><p>　　[Key Words] airflow organization; air quality; CF

17、D; computational fluid dynamics</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　隨著社會經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，現(xiàn)代人生活和工作形態(tài)發(fā)生了變化，據統(tǒng)計，在室內工作的人們有80%的時間處于室內，室內空氣品質（Indoor Air Quality，IAQ）直接影響著人們的工作、生活以及健康狀況，因此室內空氣品質日益成為

18、人們關注的焦點。要改善室內空氣品質，良好的室內氣流組織必不可少。氣流組織直接影響室內空調效果，關系著房間工作區(qū)的溫濕度基數(shù)、精度及區(qū)域溫差。工作區(qū)氣流速度，是空氣調節(jié)設計中的一個重要環(huán)節(jié)。有效的通風和合理的氣流組織對于改善室內空氣品質，控制室內空氣污染物水平，實現(xiàn)健康與舒適的空調目標有著重要的意義。</p><p>　　研究流體運動規(guī)律的主要方法有三種：一是實驗研究，以實驗為研究手段；二是理論分析方法，利用簡單的

19、流動模型假設，給出某些問題的解析解；三是數(shù)值模擬。實驗研究耗費巨大，而目前理論分析對于較復雜的非線性流動現(xiàn)象還有寫無能為力。模型實驗雖然能夠得到設計人員所需要的各種數(shù)據，但需要較長的實驗周期和較為昂貴的實驗費用。計算流體力學對實驗研究與理論研究起到了促進作用，也為簡化流動模型提供了更多的數(shù)據，使很多分析方法得到發(fā)展和完善。因而在工程設計中運用廣泛，CFD以成本低、速度快、資料完備且可模擬各種不同的工況等獨特的優(yōu)點，越來越受到人們的青睞。

20、</p><p>　　本文為采用CFD方法，對空調房間內空氣速度場、溫度場以及空氣齡分布進行數(shù)值模擬與分析，為更好地對房間的送風氣流組織選擇提供參考。</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1 課題研究背景及研究目的與意義</p><p>　　潔凈室(Clean Room)，亦

21、稱為無塵室或清凈室[1]。它是污染控制的基礎，沒有潔凈室，污染敏感零件不可能批量生產。在FED-STD-2里面，潔凈室被定義為具備空氣過濾、分配、優(yōu)化、構造材料和裝置的房間，其中特定的規(guī)則的操作程序以控制空氣懸浮微粒濃度，從而達到適當?shù)奈⒘崈舳燃墑e[2]。潔凈室最主要之作用在于控制產品（如硅芯片等）所接觸之大氣的潔凈度日及溫濕度，使產品能在一個良好之環(huán)境空間中生產、制造，此空間我們稱之為潔凈室。按照國際慣例，無塵凈化級別主要是根據每立

22、方米空氣中粒子直徑大于劃分標準的粒子數(shù)量來規(guī)定。也就是說所謂無塵并非100%沒有一點灰塵，而是控制在一個非常微量的單位上。當然這個標準中符合灰塵標準的顆粒相對于我們常見的灰塵已經是小的微乎其微，但是對于光學構造而言，哪怕是一點點的灰塵都會產生非常大的負面影響，所以在光學構造產品的生產上，無塵是必然的要求。</p><p>　　計算流體力學[3]（Computational Fluid Dynamics，以下簡稱為

23、CFD）是基于計算機技術的一種數(shù)值計算工具，用于求解流體的流動和傳熱問題。它是流體力學的一個分支，用于求解固定幾何形狀空間內的流體的動量、熱量和質量方程以及相關的其它方程，并通過計算機模擬獲得某種流體在特定條件下的有關數(shù)據。CFD計算相對于實驗研究，具有成本低、速度快、資料完備、可以模擬真實及理想條件等優(yōu)點。二十世紀60年代末，CFD技術已經在流體力學各相關行業(yè)得到了廣泛的應用。近些年來，隨計算機技術的發(fā)展，CFD應用方面的研究開始活躍

24、起來。CFD模擬的目的是作出預測和獲得信息，以達到對流體流動的更好控制。理論的預測出自于數(shù)學模型的結果，而不是出自于一個實際的物理模型的結果。數(shù)學模型主要是由一組微分方程組成，這些方程的解就是CFD模擬的結果。CFD的基礎是動量、能量、質量守恒方程，在實際的應用中還會綜合利用其它的方程[4]。</p><p>　　CFD計算的方法主要有三種：差分法、有限元法、有限體積法。計算流體力學是多領域交叉的學科，涉及計算機

25、科學、流體力學、偏微分方程的數(shù)學理論、計算幾何學、數(shù)值分析等學科。這些學科的交叉融合，相互促進和支持，也推動著這些學科的深入發(fā)展。當然，數(shù)值模擬也有一定的局限性。首先是要有準確的數(shù)學模型，這不是所有問題都能做到的。不少問題，其機理尚未完全清楚，很難有準確的數(shù)學模型，對于食品的研究還必須掌握其物性數(shù)據處理；其次是數(shù)值模擬中對數(shù)學方程進行離散化處理時需要對計算中所遇到的穩(wěn)定性、收斂性等進行分析。這些分析方法大部分對線性方程是有效的，對非線性

26、方程則沒有多大的效果；最后，數(shù)值模擬還受到計算機本身條件的限制，即計算機運行速度和容量的限制。只有計算機的速度、內存和外圍設備達到一定程度時才會有計算流體力學發(fā)展新階段的出現(xiàn)。作為一門發(fā)展學科，必然要有一個逐步成熟、完善的過程，上面這些問題也將在今后的研究中進一步得到解決。比如：計算算法的研究、計算機并行性的研究、結合實驗的研究等等都是針對上面這些問題進行的[5]。</p><p>　　CFD最早運用于汽車制造業(yè)

27、、航天事業(yè)及核工業(yè)，用離散方程解決空氣動力學中的流體力學問題[6]。實際上CFD可以用于多種加工過程。近年來，由于人們生活水平的提高，顧客對食品的安全、品質提出了更高的要求，加上政府部門的重視，CFD在食品制冷中的應用研究得到了廣泛的開展[7]。CFD應用的場合涉及到冷凍、冷藏庫、真空冷卻、冷藏鏈、冷藏陳列柜、冷凝等過程中食品的傳熱問題等多個方面[8]。利用CFD可以描述出潔凈內氣流組織的細節(jié)變化情況，對潔凈室的優(yōu)化設計及其有利。本課題

28、將以潔凈室為研究對象，把室內結構與潔凈室內氣流組織數(shù)值計算有效地結合起來，從理論研究出發(fā)，結合工業(yè)實際，對潔凈室內的氣流組織進行綜合研究，并對冷風機位置、風量、氣體管道的布置方案、出風速度等的變化對潔凈室內流場及濃度場的影響進行分析，從而提出對目前潔凈室優(yōu)化設計的具體措施，并開發(fā)出氣調設計的專用軟件，這對提高我國潔凈室設計水平、節(jié)能以及改善潔凈室環(huán)境有深刻的現(xiàn)實意義[9]。</p><p>　　1.2 CFD技

29、術的優(yōu)點</p><p>　　與傳統(tǒng)的實驗研究相比，CFD技術具有極大的優(yōu)勢，具體歸納如下：</p><p>　　(1) CFD可以獲得對流體流動，質量能量傳遞等過程的深入細致的描述；</p><p>　　(2) 可以大大節(jié)省研究設計所花的時間及成本；</p><p>　　(3) CFD可以用在那些無法實現(xiàn)測量的場合，如高溫、危險的環(huán)境；&l

30、t;/p><p>　　(4) CFD允許改變實驗條件、參數(shù)，以獲得在一般實驗中很難得到的大量信息資料； </p><p>　　(5) 在傳統(tǒng)開發(fā)環(huán)境中，大量的創(chuàng)新思路或設想難以驗證，而在CFD技術輔助開發(fā)環(huán)境中，新設想的驗證變得容易，設計者和工程師們直接利用CFD技術分析驗證他們的新想法，因此有助于進行技術創(chuàng)新。</p><p>　　1.3 國內外研究現(xiàn)狀</p

31、><p>　　二十世紀八十年代以來，隨著計算技術的發(fā)展和計算機在工程計算中的廣泛應用，國內外學者在數(shù)值計算方面取得了很大的進展。</p><p>　　1.3.1 CFD在暖通空調流場優(yōu)化設計中的應用</p><p>　　空調設計的最終目的是以合理的系統(tǒng)設計及設備選型實現(xiàn)所要求的室內氣體環(huán)境（溫濕度、氣流、污染物質濃度等指標）。實現(xiàn)對這些環(huán)境參數(shù)的合理控制，有必要把握其流

32、場的分布特征?，F(xiàn)代空調越來越多地考慮到人體舒適性的要求，而人體舒適性從流場的角度考慮就是要求流場的均勻，比如要求在人體所在的區(qū)域里，風速均勻控制在一定數(shù)值內，避免氣流過猛給人體帶來的不舒適感；要求整個流場區(qū)域溫度場分布均勻，尤其是人體附近區(qū)域溫度場，避免人體各部分溫差過大產生不適。這就需要對氣流組織進行設計。所謂氣流組織設計，就是在空調房間內合理地布置送風口和回風口，組織通風空調室內的空氣流動，使得經過凈化和熱濕處理的空氣，合理地送入室

33、內，在擴散與混合的過程中，均勻地消除室內余熱余濕，從而使工作地區(qū)具有舒適和滿意的空氣分布，如均勻而穩(wěn)定的溫度、濕度、氣流速度和潔凈度，以滿足人體舒適的要求[10]。</p><p>　　在傳統(tǒng)的室內氣流組織設計中，往往采用經驗和實驗及簡單的理論分析來完成設計工作，憑經驗對送風口，回風口和室內熱源等因素進行單純的合成（即線性近似），這存在較大的誤差，而試驗又會帶來極高的成本。CFD的應用則可以很好地解決這些問題，由

34、于CFD軟件可以相對準確地給出流體流動的細節(jié)，如速度場、壓力場、溫度場或濃度場分布的時變特性，因而很容易在對流場的分析中掌握室內氣流的構造、分布特征，為合理的系統(tǒng)設計及設備選型提供有益的參考資料[11]。春蘭集團陶建興等[5]人用STAR-CD對使用某型號四面出風式壁掛空調器的房間的溫度場進行了分析，并與傳統(tǒng)出風壁掛空調器流場作對比。在模擬研究中發(fā)現(xiàn)采用四面出風式壁掛空調器的房間溫度場均勻，且左右對稱，在人體所處區(qū)域，風速小于人敏感的0

35、.5m/s，可以保證房間溫度控制的精確性。研究還表明，通過STAR-CD模擬房間溫度場，結果直觀，對于指導產品設計有重要的作用。金泰木等人使用有限元的分析軟件ANSYS5.6.1版本的多物理場分析中的流體計算模塊作為模擬分析平臺，對列車車廂硬臥包間送風情況進行計算模擬和分析。在模擬中選擇了k-ε模型，通過計算模擬發(fā)現(xiàn)采用包間行李</p><p>　　1.3.2 CFD在冰箱流場優(yōu)化設計中的應用</p>

36、<p>　　近年來，隨著人們生活水平的提高和環(huán)保意識的增強，對冰箱的要求不再僅僅停留在冷藏上，而從冰箱耗電和食品的保鮮角度向廠家提出了更高的要求[7]。節(jié)能、環(huán)保和方便使用將是冰箱發(fā)展的主要方向，而其中節(jié)能是冰箱產品競爭力中的最主要因素。目前許多企業(yè)在設計冰箱時采用的還是傳統(tǒng)的經驗設計方法，其缺點是耗時費力。而如果使用CFD技術對冰箱系統(tǒng)中部件的傳熱、氣體的流動進行模擬，并在此基礎上采取一些措施來優(yōu)化裝置，就可以提高性能及

37、效率。</p><p>　　流場的優(yōu)化是冰箱設計中的重要問題[13]，因為食品的保鮮質量直接取決于箱內空氣流場和溫度分布，而冰箱耗電量則與箱內溫度場密切相關。流場的具體信息既不能由代數(shù)方程計算得到，而通過實驗測得工作量又太大，并且實驗中需布置的傳感器又會在一定程度上破壞流場。這使得CFD方法得到廣泛使用。凌長明和陶文銓針對冰箱從起動到周期性非穩(wěn)態(tài)運行這一非穩(wěn)態(tài)自然對流進行了二維數(shù)值模擬，以冰箱外表面溫度及兩個蒸發(fā)

38、器溫度為邊界條件，給出了直冷式冰箱在周期性非穩(wěn)態(tài)工況下速度場和溫度場的數(shù)值計算結果。丁國良使用有限元程序，對冰箱內部的二維穩(wěn)態(tài)空氣流場進行了模擬，研究了冰箱熱負荷、內部隔板與蒸發(fā)器及門之間的間距、內部隔板的導熱系數(shù)對箱內溫度分布與流場的影響。由于二維流場不能準確地反映冰箱內部空氣的流動情況，楊沫、俞炳豐等人也意識到這一點，他們對冰箱箱內三維流場作了分析。其中楊沫對冰箱內的流動和換熱建立了物理和數(shù)學模型，并對冰箱功能室內流動與換熱的物理模

39、型進行一些假設，采用控制容積積分法對微分方程組進行離散，應用SIMPLE算法處理壓力和速度的耦合，對流一擴散項的離散采用乘方格式，計算結果和實驗值吻合較好。俞炳豐以某廠生產</p><p>　　1.3.3 CFD在食品冷凍冷藏領域流場優(yōu)化設計中的應用</p><p>　　冷凍冷藏使食品中微生物的活動和酶的生化反應得到抑制，可以更好地保證食品的質量和安全，并延長食品的貯藏時間和貨架期。隨著人

40、們生活水平的日益提高，對冷凍冷藏食品的質量要求也越來越高，近年來冷藏鏈的提出和發(fā)展，使得食品冷凍、冷藏過程的研究拓展到了整個冷藏鏈的各個環(huán)節(jié)。CFD在食品冷凍冷藏方面的研究近年來也非常活躍。Mittal和Mallikarjunan模擬了肉制品的凍結過程[14]。Moureh和Derens對在冷鏈配送過程中采用托盤包裝的凍結食品的升溫狀況進行模擬研究，冷凍冷藏裝置中氣流組織的合理性對冷藏冷凍食品的品質保證起著關鍵的作用。在食品冷藏冷凍裝置

41、設計制造前，運用CFD技術對其流場分布進行模擬，根據模擬結果對冷卻設備進行優(yōu)化設計，可以大大提高裝置的效率。Baleo等對陳列柜風幕的空氣流動情況進行了模擬；Stribling D等人建立了冷藏陳列柜的二維CFD模型，在此基礎上研究了柜內氣流場和傳熱機理[15]。由于大空間的強紊流情況復雜，CFD在冷庫中的應用相對較少，胡浩等人建立了水果氣調庫庫內氣體流動、傳熱和傳質的非穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，采用SIMPLE算法進行求解，對水果氣調庫的降溫、降

42、</p><p>　　1.3.4 CFD方法在制冷其他方面的應用</p><p>　　CFD在制冷領域其他方面也有較廣泛的應用。Zehua Hu和Da Wen Sun用CFD方法分析了吹風冷卻熟火腿過程中的傳熱傳質情況，從而達到預測冷卻速率及干耗情況的目的，模擬結果與實測值有較好的一致性。張桂先等對建筑物雙層換氣幕墻的傳熱特性進行了全面的分析，運用CFD紊流new k-ε模型對雙層換氣幕墻

43、熱通道的溫度場、速度場、壓力場進行了模擬計算，最終得出熱通道空氣層的對流換熱系數(shù)和雙層換氣幕墻的整體傳熱系數(shù)?？傊S著計算機技術和流體力學理論的不斷發(fā)展，CFD將在更多方面得到廣泛使用。</p><p>　　1.4 CFD在制冷領域應用的前景</p><p>　　目前，CFD技術在我國制冷領域尚處在起步階段，現(xiàn)階段尚有大量工作要做，主要有如下幾個方面：</p><p

44、>　　(1) 繼續(xù)加強算法理論方面的基礎研究；</p><p>　　(2) 需要對CFD關聯(lián)的數(shù)據庫作進一步的統(tǒng)一，提高使用效率，如加強與CAD數(shù)據的連接以提高其通用性；</p><p>　　(3) 解析結果和實測的驗證：CFD的解析結果應盡可能通過實測進行驗證，反饋于軟件的完善，以期進一步提高解析精度。</p><p>　　盡管CFD技術還存在一些不足，作為

45、一種新技術，CFD必然隨著科技的發(fā)展而不斷趨于成熟，將在工程問題的分析、技術改造的評價、生產管理的指導等方面得到更多的應用，也必將對我國制冷領域的發(fā)展起到極大的促進作用。</p><p>　　第二章 潔凈室內不同吹風口位置物理模型的建立</p><p>　　2.1 潔凈室物理數(shù)字模型的建立</p><p>　　本文以一間簡易小房間為例子，長6.0m，寬4.8m，

46、高3.2m，潔凈室內擺放一張長3.0m，寬1.6m，高1.2m的操作臺。</p><p><b>　　2.1.1 創(chuàng)建點</b></p><p>　　由GAMBIT建立簡化模式，啟動GAMBIT如圖2-1所示，點擊run。</p><p>　　圖2-1 GAMBIT啟動對話框</p><p>　　啟動之后創(chuàng)建點，分別為

47、點(0，0，0)、(6，0，0)、(6，4.8，0)、(0，4.8，0)、(1.5，1.6，0)、(4.5，1.6，0)、(1.5，3.2，0)、(4.5，3.2，0)等八個點.。</p><p>　　操作：GEOMETRY → VERTEX → CREATE VERTEX，打開創(chuàng)建點對話框，如圖2-2所示。</p><p>　　Global項，在x：右側輸入0（A點的x坐標）。</

48、p><p>　　在y：右側輸入0（A點的y坐標）。</p><p>　　在z：右側輸入0（A點的z坐標）。</p><p>　　保留其他默認的設置，點擊Apply。</p><p>　　經過以上的操作，創(chuàng)建了A點，此時在圖形窗口顯示有一個白色的十字，位于（0，0，0）處。</p><p>　　仿照以上的操作，繼續(xù)創(chuàng)建其他的

49、7個點。</p><p><b>　　2.1.2 創(chuàng)建線</b></p><p>　　操作：GEOMETRY → EDGE → CREATE EDGE，彈出創(chuàng)建線對話框，如圖2-3所示。</p><p>　　點擊Vertices右側黃色區(qū)域內。</p><p>　　按下Shift + 鼠標左鍵，依次點擊A、B兩點。<

50、;/p><p>　　保留其他默認設置，點擊Apply。</p><p>　　此時，由A、B兩點連成一條直線，顏色為黃色。</p><p>　　圖2-2 創(chuàng)建點對話框 圖2-3 創(chuàng)建線對話框</p><p><b>　　2.1.3 創(chuàng)建面</b></p><p>

51、　　操作：GEOMETRY → FACE → FORM FACE，打開創(chuàng)建面對話框，如圖2-4所示。本節(jié)有兩個面，應該分別創(chuàng)建。首先創(chuàng)建主體的面，然后再創(chuàng)建操作臺的面。</p><p>　　點擊Edge右側黃色區(qū)域。</p><p>　　按住Shift鍵依次點擊外圍的四條線段。</p><p>　　點擊Apply確認，此時組成面的邊將變?yōu)樗{色。</p>

52、<p>　　同理，再將里面的四條線段組成一個面。</p><p>　　完成以上的操作之后，得到潔凈室俯視圖。如圖2-5所示。</p><p>　　圖2-5 潔凈室俯視簡化圖</p><p>　　上面的是潔凈室的俯視圖，同樣的道理，我們可以畫一個正面的側視圖。由于操作臺下方與地面平行，所以我們將這條線段舍去不畫，如圖2-6所示。</p>&

53、lt;p>　　圖2-6 潔凈室側視簡化圖</p><p>　　2.1.4 創(chuàng)建三維</p><p>　　操作：GEOMETRY → VOLUME → CREATE VOLUME，彈出創(chuàng)建長方體設置對話框，如圖2-7所示。</p><p>　　在Width(X)右側輸入6.0。</p><p>　　在Depth(Y)右側輸入4.8。&l

54、t;/p><p>　　在Height右側輸入3.2。</p><p>　　保留Coordinate Sys.（坐標系統(tǒng)）的默認設置。</p><p>　　在Direction右側選擇Centered。</p><p>　　點擊Apply，生成主體。</p><p>　　同理再創(chuàng)建操作臺，利用Move/Copy Volume

55、打開移動復制對話框，點級move，使其前面方框顯示紅色。鼠標點擊Volume右邊黃色的方框，然后按住Shift再點擊操作臺，在Global中的z：右邊輸入-1，如圖2-8所示。</p><p>　　最后點擊Apply，生成潔凈室三維圖，如圖2-9所示。</p><p>　　圖2-7 長方體設置對話框 圖2-8 移動/復制對話框</p><p>

56、;　　圖2-9 潔凈室立體簡化圖</p><p>　　為求解方便，對模型進行一下簡化：</p><p>　　庫內氣體為不可壓縮且符合Boussineq假設；</p><p>　　庫內的流場是穩(wěn)態(tài)的，在所有的微分方程中，可忽略時間項的影響；</p><p>　　忽略圍護結構氣體泄漏，即可認為庫體是密閉的；</p><p&g

57、t;　　庫內空氣在庫體壁面上無滑移；</p><p>　　氣體物性參數(shù)為常數(shù)。</p><p>　　根據上述的一些假定條件利用商用計算軟件FLUENT對冷藏車車廂進行二維數(shù)值模擬分析，得到了車廂內溫度場、速度場分布的詳細信息。</p><p>　　2.2 潔凈室內吹風口在不同位置時物理模型的建立</p><p>　　2.2.1 吹風口在頂部

58、時的物理模型建立</p><p>　　用二維GAMBIT創(chuàng)建網格圖，潔凈室吹風口設在頂部，吹風口長為2m，回風口設在潔凈室下部兩側，高為0.3m，距離地面設為0.3m。</p><p>　　打開GAMBIT，前面的步驟如2.1創(chuàng)建面，之后再對邊界線的內部節(jié)點分布進行確定，這一步是定義集幾何邊線上的網格節(jié)點分布，內容主要是選中線、確定線上節(jié)點的數(shù)量以及在線上的分布。</p>&

59、lt;p>　　操作：MESH → EDGE → MESH EDGES，打開創(chuàng)建邊線網格節(jié)點對話框，如圖2-10所示。</p><p>　　Edges表示邊線選取欄，右側黃色區(qū)域顯示選取的邊線標識，再右側向上的箭頭可以打開線段選取列表。點擊Edges右側的黃色區(qū)域，使其在活動狀態(tài)。按下Shift+鼠標左鍵選取需要的邊線。</p><p>　　Pick with links表示選取方式。

60、左側按鈕選中時，表示可用鼠標選取；右側Reverse表示點取后即顯示。</p><p>　　Use first edge settings表示當有多條邊被選中時，以第一條邊的設置為準。</p><p>　　Grading取Apply表示應用設置進行網格劃分。</p><p>　　Type表示類型選擇，Successive Ratio表示等比系列，這里選擇默認設置。&

61、lt;/p><p>　　Invert表示對Ratio項的值去倒數(shù)，Ratio表示內部節(jié)點間距離的公式，在這里填入1，表示等距離分布。</p><p>　　Double sided的選中與否表示內部節(jié)點取單、雙向分布。</p><p>　　Spacing表示節(jié)點分布設置。既可選給定節(jié)點間距離（interval size），也可以選給節(jié)點的數(shù)量（interval count

62、）。在這里選擇Apply，并且在其下方選取interval count，并填入一定數(shù)值（將邊線分為一定等份）。</p><p>　　Options表示操作選項：選取Mesh項；若對已有網格進行設置，則還應選中移動舊網格項（Remove old Mesh）。在這里Options項選取Mesh。</p><p>　　點擊Apply。生成邊線的節(jié)點。</p><p>　　

63、完成一條邊線的設置后，再對其他邊線網格節(jié)點進行確定，像上面的設置一樣，將每條邊線都進行網格節(jié)點的確定。再進行面網格的形成，最終如圖2-11所示。</p><p>　　圖2-10 邊線網格節(jié)點對話框 圖2-11 吹風口在頂部時模型簡化網格圖</p><p>　　創(chuàng)建好網格之后再對該房間進行邊界設置。如果顯示網格的時候，看著眼花，就把網格關掉，點擊右下角圖標，打開顯示屬性設置

64、對話框，如圖2-12所示。在Mesh項中選擇Off，再點擊Apply，點擊Close，關閉對話框就可以了。</p><p>　　這樣就可以使得邊界更加清晰，以便進行邊界類型的設置，這里應該注意的是我們僅僅是關掉了網格的顯示，而網格是不會丟失的，你可以在Mesh項中選On后，點擊Apply就又可以看到網格了。</p><p>　　接下來我們進行邊界類型的設置。</p><

65、p>　　操作：ZONES → SPECIFY BOUNDARY TYPES，打開定義邊界類型對話框，如圖2-13所示。</p><p>　　圖2-12 顯示設置對話框 圖2-13 定義邊界類型設置對話框</p><p>　　Action表示操作選項，有四種選擇：Add（增加）；Modify（修改）；Delete（刪除）；Delete all（刪除全部）。在這里我們剛

66、剛開始設置，就選擇Add。</p><p>　　Name項顯示邊界名稱。先在邊界名稱出輸入inlet。</p><p>　　Type項是邊界類型。這里我們選擇VELOCITY_INLET。</p><p>　　Show Labels項，是否顯示邊界編碼。這里我們可以不選，</p><p>　　Show Colors項，是否顯示邊界顏色。這里我

67、們也可以不選。</p><p>　　點擊Entity欄Edges右側黃色區(qū)域，按下Shift+鼠標左鍵，再點擊入口邊界線。</p><p>　　點擊Apply。這樣就添加了一個邊界條件。</p><p>　　設置好一個邊界條件之后，我們繼續(xù)按照同樣的方法設置出口邊界條件，以及墻體的邊界條件。這里要注意，GAMBIT對于沒有定義的邊界線（二維）統(tǒng)統(tǒng)定義為固壁邊界（WA

68、LL），所以，如果其他邊界線均為固壁的話，可以不定義，結果是一樣的。</p><p>　　定義好邊界條件之后，最后還要將其做網格輸出并且保存文件。</p><p>　　操作：File → Export → Mesh...，打開輸出網格文件對話框，如圖2-14所示。</p><p>　　在File Name右側填入要輸出的文件名。</p><p&g

69、t;　　選中Export 2－D（X—Y）Mesh（二維網格）。</p><p>　　點擊Accept確認。這樣就完成了網格文件的輸出操作了。</p><p>　　退出GAMBIT，在詢問是否保存現(xiàn)在的文件的時候，點擊Yes，這樣就保存并且退出了GAMBIT。</p><p>　　圖2-14 輸出網格文件對話框</p><p>　　在潔凈室

70、內放置操作臺時，我們也建立一個模型，操作臺到兩側的距離為1.5m，高度為1.2m，根據2.2.1所示的操作步驟，由FLUENT前處理軟件GAMBIT建立起潔凈室在有操作臺時二維的簡化網格模型，如圖2-15所示。</p><p>　　圖2-15 頂吹時有操作臺的二維網格模型</p><p>　　2.2.2 吹風口在側面時的物理模型建立</p><p>　　潔凈室吹風

71、口設在左上角，風口高度為0.3m，回風口則設在潔凈室右下角，高度為0.3m，距離地面高度也為0.3m。由FLUENT的前處理軟件GAMBIT建立簡化的二維幾何模型，操作步驟如2.2.1，建立的簡化網格模型如圖2-16所示。將創(chuàng)建好的網格模型做網格輸出并保存在文件夾中。</p><p>　　圖2-16 吹風口在側上角時物理模型二維簡化網格圖</p><p>　　同樣的，我們把操作臺放進去，

72、用GAMBIT重新建立簡化物理模型。潔凈室網格模型如圖2-17所示。將網格進行輸出并保存。</p><p>　　圖2-17 側吹時有操作臺的二維網格模型</p><p>　　2.2.3 吹風口鋪滿側面時物理模型的建立</p><p>　　把潔凈室左側整個墻面都設為吹風口，則風口高度為3.2m，把潔凈室右側墻面設為回風口，高度也為3.2m。由FLUENT的前處理軟件

73、GAMBIT建立簡化的幾何網格模型，如圖2-18所示。將網格進行輸出并保存。</p><p>　　圖2-18 潔凈室吹風口鋪滿左墻時物理模型二維簡化網格圖</p><p>　　當潔凈室有操作臺時，由GAMBIT建立網格模型，則吹風口鋪滿墻壁時的物理模型如圖2-19所示。將網格進行輸出并保存。</p><p>　　圖2-19 潔凈室吹風口鋪滿左墻時物理模型二維簡化

74、網格圖</p><p><b>　　2.3 本章小結</b></p><p>　　本章主要通過GAMBIT軟件，建立潔凈室房間二維的簡化的物理模型。說明了網格創(chuàng)建的具體步驟，從畫點到連成線再到組成面，從劃分邊界線節(jié)點到劃分面網格再到設置邊界條件，創(chuàng)建了數(shù)字、物理模型。最后將創(chuàng)建好的網格以Mesh的形式進行輸出，以備后來使用。</p><p>

75、　　第三章 潔凈室內不同吹風口位置的氣體流場分析及優(yōu)化設計</p><p>　　3.1 潔凈室內無操作臺時三種不同吹風口位置的數(shù)值結果分析</p><p>　　創(chuàng)建好網格物理模型后，再利用FLUENT軟件進行潔凈室內氣體換熱的仿真計算。</p><p>　　3.1.1 啟動FLUENT</p><p>　　啟動FLUENT-2d求解器。點

76、擊桌面上的FLUENT啟動圖標，打開啟動對話框，如圖3-1所示。其中有四種版本供選擇：2d（表示二維單精度求解器）、2ddp（表示二維雙精度求解器）、3d（表示三維單精度求解器）、3ddp（表示三維雙精度求解器），這里我們選擇2d，點擊Run，啟動2d求解器。</p><p>　　圖3-1 啟動求解器對話框</p><p><b>　　讀入網格文件</b></

77、p><p>　　操作：File → Read →Case...</p><p>　　找到并選擇要讀入的網格文件（其后綴名為msh），點擊OK，完成輸入網格文件的操作。在網格讀入完成后，會在信息反饋窗口內顯示如圖3-2所示信息。其中包括節(jié)點數(shù)761及網格、材料、邊界名稱等信息，最后的Done表示FLUENT讀入網格成功。</p><p>　　圖3-2 讀入網格文件的信息

78、反饋</p><p><b>　　網格檢查</b></p><p>　　操作Grid → Chech</p><p>　　FLUENT在信息反饋窗口顯示如圖3-3所示信息。</p><p>　　圖3-3 網格檢查信息反饋</p><p>　　網格檢查列出了x、y的最小值和最大值。還給出了單元的最

79、大體積和最小體積、最大面積和最小面積等。網格檢查會報出有關網格的任何錯誤，特別是要求確保最小體積不能是負值，否則FLUENT將無法計算。</p><p><b>　　網格信息</b></p><p>　　操作：Grid → Info → Size，系統(tǒng)反饋網格信息如圖3-4所示。顯示700個網格、1460個面（線）、761個網格節(jié)點等信息。</p>&l

80、t;p>　　圖3-4 網格信息</p><p><b>　　平滑（交換）網格</b></p><p>　　操作：Grid → Smooth/Swap...，打開平滑與交換網格對話框，如圖3-5所示。</p><p>　　點擊Smooth，再點擊Swap，重復上述操作，直到FLUENT報告沒有需要交換的面為止（如圖3-6所示）。然后點擊C

81、lose，關閉對話框。這項功能對于三角形的單元來說比較重要。</p><p>　　圖3-5 平滑與交換網格對話框 圖3-6平滑與交換網格信息</p><p><b>　　確定長度的單位</b></p><p>　　操作：Grid → Scale...，打開長度單位對話框，如圖3-7所示。</p>&

82、lt;p>　?、僭趩挝晦D換（Units Conversion）欄中的網格長度單位（Grid Was Created In）右側下拉列表中選擇m。</p><p>　　②點擊Change Length Units，此時，在Domain Extents欄中給出了區(qū)域的范圍和度量的單位。</p><p>　?、埸c擊下面的Scale。</p><p>　?、茳c擊Clo

83、se，關閉對話框。</p><p>　　圖3-7 長度單位設置對話框</p><p>　　一般來說沒有必要對其他單位進行改動，若一定要對某些單位進行改動，應啟動Set Units對話框。</p><p><b>　　顯示網格</b></p><p>　　操作：Display → Grid...，打開顯示網格對話框，如圖

84、3-8所示。</p><p>　　在表面（Surfaces）項選擇所有的表面。再點擊Display，則顯示的網格圖如圖3-9所示。</p><p>　　圖3-8 顯示網格對話框 圖3-9 潔凈室網格圖</p><p>　　在網格圖中，可以用鼠標右鍵點擊邊界線，則在信息反饋窗口內將顯示此邊界的類型等信息。也可以用這種方法檢

85、查任何內部節(jié)點和網格線的信息。這一功能在設置邊界條件時非常方便。</p><p>　　3.1.2 建立求解模型</p><p>　　設置求解器（Solver）</p><p>　　操作：Define → Models → Solver...，打開求解器設置對話框，如圖3-10所示。這里我們保持默認設置，點擊下面的OK確認。</p><p>　

86、　求解器設置對話框中各項含義如下：</p><p>　?、賁olver（求解器）：Pressure Based為壓力基求解法；Density Based為密度基求解法。</p><p>　?、贔ormulation（算法）：Implicit為隱式算法；Explicit為顯式算法。</p><p>　　③Space（空間屬性）：2D為二維空間；Axisymmetric

87、為軸對稱空間；Axisymmetric Swirl為軸對稱旋轉空間。</p><p>　?、躎ime（時間屬性）：Steady為定常流動；Unsteady為非定常流動。</p><p>　　⑤Velocity Formulation（速度屬性）：Absolute為絕對速度；Relative為相對速度。</p><p><b>　　選擇湍流模型</b&

88、gt;</p><p>　　操作：Define → Models → Viscous...，打開湍流模型選擇對話框，如圖3-11所示。</p><p>　　圖中，Inviscid表示無黏（理想）流體；Laminar表示層流模型；另外4個為常見的湍流模型。這里我們選擇k-epsilon（2 eqn）；打開湍流模型設置對話框，如圖30-12保留默認的值（湍流模型常數(shù)），點擊OK。</p&

89、gt;<p>　　在Model Constants中的數(shù)據是可以改變的，系統(tǒng)默認的數(shù)據是比較通用的設置，可試用于大多數(shù)問題，一般不用改動。</p><p>　　圖3-10 求解器設置對話框 圖3-11 湍流模型選擇對話框</p><p>　　圖3-12 湍流模型設置對話框</p><p><b>　　選擇能量方程&l

90、t;/b></p><p>　　操作：Define → Models → Energy...，打開能量方程設置對話框，如圖3-13所示。</p><p>　　點擊Energy Equation左側的按鈕，再點擊OK，啟動能量方程。</p><p>　　圖3-13 能量方程設置對話框</p><p>　　3.1.3 設置流體的物理屬性&

91、lt;/p><p>　　操作：Define → Materials...，打開材料設置對話框，如圖3-14所示。</p><p>　　圖3-14 流體材料設置對話框</p><p>　　① 在Properties（屬性）欄中，在Density（密度）右邊下拉列表中選擇incompressible ideal-gas。</p><p>　?、?保

92、持其他默認設置。</p><p>　?、?點擊Change/Create，保存設置。</p><p>　?、?點擊Close，關閉流體屬性設置對話框。</p><p>　　3.1.4 設置邊界條件</p><p>　　操作：Define → Boundary Conditions...，打開邊界條件設置對話框，如圖3-15所示。圖中，Zone

93、欄為區(qū)域標識，Type欄內為相應的屬性。</p><p><b>　　設置工作流體為空氣</b></p><p>　?、?在Zone欄中選擇fluid，其類型在右邊Type欄內為fluid。</p><p>　?、?點擊，打開Fluid設置對話框，如圖3-16所示。</p><p>　?、?保持默認設置，點擊OK，關閉材

94、料選擇對話框。</p><p>　　圖3-15 邊界條件設置對話框 圖3-16 流體設置對話框</p><p>　　設置入口速度邊界條件</p><p>　?、?在圖3-15的Zone欄中選擇inlet；在右邊Type欄內仙蹤其類型為Velocity_inlet。</p><p>　?、?點擊Set...，

95、打開速度邊界設置對話框，如圖3-17所示。</p><p>　　圖3-17 入口速度邊界設置對話框</p><p>　?、?在Velocity Specification Method（速度給定方式）下拉列表中選擇Magnitude，Normal to Boundary（給定速度大小，速度方向垂直于邊界）。</p><p>　?、?在Velocity Magnit

96、ude（速度大?。┮粰趦容斎?.5，右側欄內顯示constant（常值）。</p><p>　?、?在Turbulence中，Specification Method（定義方法）一欄的下拉列表中選擇Intensity and Hydraulic Diameter（湍流強度與水力直徑）。</p><p>　?、?在Turbulence Intensity（湍流強度）一欄輸入10（來流的湍流強

97、度）。</p><p>　?、?Hydraulic Diameter（水力直徑）一欄輸入2（入口尺寸）。</p><p>　　⑧ 在Temperature（溫度）一欄內輸入298。</p><p>　　⑨ 點擊OK，關閉inlet設置對話框。</p><p><b>　　設置出口邊界條件</b></p>&

98、lt;p>　　在Zone欄內選擇outlet，其邊界類型為outflow，點擊Set...，打開出口邊界設置對話框，如圖3-18所示。這里我們保持默認設置，點擊OK。</p><p>　　圖3-18 出口邊界條件設置對話框</p><p><b>　　設置壁面邊界</b></p><p>　　對于壁面，保持默認設置，如圖3-19所示，絕

99、熱壁面，熱流量設為0。</p><p>　　圖3-19 壁面邊界設置對話框</p><p>　　3.1.4 迭代求解</p><p><b>　　設置求解控制參數(shù)</b></p><p>　　操作：Solver → Controls → Solution...，打開求解控制參數(shù)設置對話框，如圖3-20所示。保留默認設置

100、，點擊OK。</p><p>　　圖3-20 求解控制設置對話框</p><p><b>　　流場初始化</b></p><p>　　操作：Solver → Initialize → Initialize...，打開流場初始化對話框，如圖3-21所示。</p><p>　　圖3-21 流場初始化對話框</p&g

101、t;<p>　?、?在Compute From列表中選擇inlet，則流場初始數(shù)據，也就是對話框中的數(shù)據與邊界inlet相同。</p><p>　?、?點擊Init，再點擊Close，關閉初始化對話框。</p><p><b>　　設置殘差</b></p><p>　　操作：Solver → Monitors → Residual

102、...，打開殘差監(jiān)視器，如圖3-22所示。</p><p>　　在Options項選擇Print和Plot，保留其他設置不變，點擊OK。</p><p>　　圖3-22 殘差監(jiān)視器設置對話框</p><p><b>　　設置監(jiān)視器</b></p><p>　　在出口處，所關心的是溫度、速度是否達到溫度值，為此，可以設置

103、監(jiān)視器，對所關心的截面和物理量進行檢監(jiān)測。</p><p>　　操作：Solver → Monitors → Surface...，打開表面監(jiān)視器設置對話框，如圖3-23所示。</p><p>　　圖3-23 表面監(jiān)視器設置對話框</p><p>　?、?將Surface Monitors右側的數(shù)目增加1。</p><p>　?、?選擇Pl

104、ot（若同時選中Write，還可以將結果寫入文件）。</p><p>　?、?點擊monitor-1最右邊的Define...，則出現(xiàn)表面監(jiān)視器定義對話框，如圖3-24所示。</p><p>　?、?在Report of項選擇Temperature...和Static Temperature。</p><p>　?、?在Surfaces項選擇監(jiān)測表面為outlet。

105、</p><p>　?、?在Report Type下拉列表中選擇</p><p><b>　?、?點擊OK。</b></p><p>　　圖3-24 表面監(jiān)視器定義對話框</p><p><b>　　開始迭代計算</b></p><p>　　操作：Solver → Iter

106、ate...，打開迭代計算對話框，如圖3-25</p><p>　　① 在Number of Iterations（迭代次數(shù)）欄內輸入200。</p><p>　　② 點擊Iterate開始計算。</p><p>　　圖3-25 迭代參數(shù)設置對話框</p><p>　　經過40次的迭代計算，殘差達到收斂標準，系統(tǒng)停止計算，殘差監(jiān)測曲線如圖3

107、-26所示。出口截面上的平均溫度也已經走平，出口截面平均溫度的監(jiān)測曲線如圖3-27所示，表明出口截面上的平均溫度已經基本達到穩(wěn)定狀態(tài)了。</p><p>　　圖3-26 殘差監(jiān)測曲線</p><p>　　圖3-27 出口平均溫度監(jiān)測曲線</p><p><b>　　保存文件</b></p><p>　　操作：File

108、 → Write → Case&Date...，輸入文件名后點擊OK。</p><p>　　3.1.5顯示計算結果</p><p>　　利用不同顏色顯示速度分布云圖（填充方式）</p><p>　　操作：Display → Contours...，打開繪制云圖設置對話框，如圖3-28所示。</p><p>　?、?在Contours

109、of項選擇Velocity...（速度）和Velocity Magnitude（速度大?。?。</p><p>　?、?在Options下選擇Filled（填充方式）。</p><p>　?、?點擊下面的Compute；在對話框中可顯示當前流場中最小速度為0，最大速度為0.86m/s（呈灰色部分，不能改動）。</p><p>　?、?點擊下面的Display，則將顯示

110、如圖3-29所示速度分布云圖。</p><p>　　圖3-28 繪制云圖設置對話框</p><p>　　圖3-29 速度分布云圖</p><p><b>　　顯示溫度場</b></p><p>　　在繪制云圖對話框中的Contours of下拉列表中選擇Temperature...（溫度）和Static Temper

111、ature（靜溫）。點擊Compute。再點擊Display。溫度分布云圖如圖3-30所示，如果在Options下不選擇Filled，則流場的等溫線如圖3-31所示。</p><p>　　在Levels下可選擇顯示等溫線的條數(shù)（即溫度場分成多少條等溫線）。同樣的方法還可設置等壓線等。</p><p>　　圖3-30 溫度分布云圖</p><p>　　圖3-31

112、等溫線曲線圖</p><p><b>　　顯示速度矢量場</b></p><p>　　操作：Display → Velocity Vectors...，打開速度矢量場設置對話框，如圖3-32所示。</p><p>　?、?點擊Compute，可以看到最大速度和最小速度值（呈灰色）。</p><p>　?、?在Scale項

113、填入1。</p><p>　?、?保留其他默認設置，點擊Display，得到速度矢量場如圖3-33所示。</p><p>　　在Options下的Auto Scale（自動確定長度）在默認情況下是選中的，但不一定是最合適的，可以進行調整。</p><p>　　圖3-32 速度矢量場設置對話框</p><p>　　圖3-33 速度矢量圖&l

114、t;/p><p>　　3.1.6 其他兩種吹風口位置的計算結果</p><p>　　當吹風口在左上角時，步驟如3.1所示。在設置邊界條件時，在設置入口的邊界條件中，我們將水力直徑調為0.3，其他選項與圖3-17所示一樣保持不變。其余的設置均同3.1。則得到潔凈室側吹是的計算結果。殘差監(jiān)測曲線如圖3-34所示，溫度分布云圖如圖3-35所示，壓力分布云圖如圖3-36所示，速度矢量圖如圖3-37所示