CFD軟件在空氣潔凈技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用研究

向夏楠++蒯大秋

摘 要 在分析空氣潔凈技術(shù)教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出將CFD技術(shù)引入空氣潔凈技術(shù)教學(xué)中，列舉不同形式的氣流組織及其產(chǎn)生的不同效果等幾個(gè)實(shí)踐教學(xué)案例，認(rèn)為將CFD技術(shù)引入空氣潔凈技術(shù)的教學(xué)環(huán)節(jié)，能進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)生學(xué)習(xí)該課程奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 CFD；空氣潔凈技術(shù)；實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）14-0036-02

Application of CFD in Air Cleaning Technology Teaching//XIANG

Xianan， KUAI Daqiu

Abstract On the base of analysis of present teaching situation in the

air cleaning technology and practical experience， author brings for-

ward the CFD technology into the teaching of the air cleaning tech-

nology. Illustrates different forms of air distribution and produce different effects， and several practical teaching case. That the CFD

technology into practice teaching， improves the quality and effective-

ness of teaching， and lays a solid foundation for the students specia-lized course learning.

Key words CFD； air cleaning technology； laborary

1 引言

空氣潔凈技術(shù)[1]是湖南城市學(xué)院建環(huán)專業(yè)一門十分重要的專業(yè)課。近年來，國(guó)家提出統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)，這對(duì)湖南城市學(xué)院教學(xué)改革也提出較高的要求，一方面需要緊扣“應(yīng)用”二字進(jìn)行改革，另一方面又要保證教學(xué)質(zhì)量。具體而言，則是要求教師能夠壓縮理論課時(shí)，提高教學(xué)效率，增強(qiáng)實(shí)踐能力。 而要實(shí)現(xiàn)以上要求，存在一定困難，主要表現(xiàn)在理論教學(xué)部分較為抽象，如果減少時(shí)間，沿用傳統(tǒng)的板書式教學(xué)方法，則無法具體動(dòng)態(tài)地將課程中所描述的現(xiàn)象講授給學(xué)生，易造成理論知識(shí)與實(shí)際現(xiàn)象脫節(jié)，難以保證教學(xué)質(zhì)量。如何通過改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段解決以上問題，成為教學(xué)改革中的難點(diǎn)與重點(diǎn)[2-4]。

CFD（Computational Fluid Dynamics，即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）是流體力學(xué)的一個(gè)分支。CFD是近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物。它以計(jì)算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對(duì)流體力學(xué)的各類問題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和分析研究，以解決各種實(shí)際問題。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使CFD技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種工程實(shí)踐中。本文的研究即將CFD軟件應(yīng)用于空氣潔凈技術(shù)教學(xué)中，從而豐富教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量[5-6]。

2 空氣潔凈技術(shù)教學(xué)現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的場(chǎng)所對(duì)潔凈空氣提出較高的要求，比如微電子產(chǎn)品工廠、生物醫(yī)藥生成車間、食品加工廠、醫(yī)院等，都要求微型化、精密化、高純度、高質(zhì)量和高可靠性的室內(nèi)環(huán)境?？諝鉂崈艏夹g(shù)已成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療和科學(xué)實(shí)驗(yàn)不可缺少的基礎(chǔ)條件，是保證產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)境安全的重要手段，獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。

空氣潔凈技術(shù)是建環(huán)專業(yè)工程人員的重要專業(yè)課程，許多院校開設(shè)了該課程，但是在教學(xué)過程中普遍存在一個(gè)問題，即重視理論教學(xué)而忽略實(shí)踐教學(xué)。一方面為了提高教學(xué)質(zhì)量，應(yīng)更多地開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程，通過實(shí)踐來驗(yàn)證所學(xué)的理論知識(shí)，可以使得知識(shí)掌握更加牢固；另一方面，由于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需要資金投入，而該課程的實(shí)驗(yàn)繁多，學(xué)校的硬件支持難以到位，因此，本文提出在空氣潔凈技術(shù)教學(xué)中引進(jìn)CFD技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，模擬部分難以在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。

CFD技術(shù)在空氣潔凈技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用十分廣泛，如應(yīng)用在本課程最重要的章節(jié)——“空氣潔凈原理”的教學(xué)中。潔凈室按照氣流組織可以分為四類：?jiǎn)蜗蛄鳚崈羰遥环菃蜗蛄鳚崈羰遥▉y流潔凈室）；輻射式潔凈室；混合流（局部單向流）潔凈室。在教材中只使用了簡(jiǎn)單的圖片，對(duì)這幾種不同的氣流組織形式進(jìn)行描述，如果教師在課件中也使用這幾張圖片，想必會(huì)導(dǎo)致教學(xué)效果一般；如果利用CFD技術(shù)，將上述幾種不同的氣流組織的形式進(jìn)行動(dòng)畫演示，不但能吸引學(xué)生的注意，更會(huì)加深其對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。

3 CFD技術(shù)應(yīng)用于空氣潔凈技術(shù)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

CFD技術(shù)在空氣潔凈技術(shù)領(lǐng)域有著適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用面廣的優(yōu)點(diǎn)。由于工程問題往往變量多，幾何形狀復(fù)雜，只能通過CFD方法才能找到滿足工程需要的數(shù)值解。另外，CFD方法不受物理模型和實(shí)驗(yàn)條件的限制，省時(shí)省錢，可以靈活應(yīng)用，且能給出詳細(xì)完整的資料。而在教學(xué)過程中，如果能針對(duì)學(xué)生的具體情況，充分利用CFD軟件的計(jì)算和分析優(yōu)勢(shì)，將空氣潔凈技術(shù)的教學(xué)與CFD的數(shù)值仿真技術(shù)結(jié)合起來，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和分析創(chuàng)新能力，大大增強(qiáng)教學(xué)效果，減小少學(xué)時(shí)對(duì)課程教學(xué)的影響。

可以說，雖然目前本科教育中尚未將CFD技術(shù)列入必修課程，但是該技術(shù)是建環(huán)專業(yè)將來不可或缺的工具。而空氣潔凈技術(shù)中所涉及的大量現(xiàn)象都與流體力學(xué)相關(guān)，可以通過應(yīng)用CFD軟件進(jìn)行模擬，讓學(xué)生對(duì)枯燥的理論有較為直觀的認(rèn)知，且能熟悉該方面的軟件，也能增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題的能力。通過在教學(xué)中增加最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)的方式，擴(kuò)展了學(xué)生的思維，擴(kuò)大了視野。如果學(xué)生自己動(dòng)手制作該方面的軟件，可以使他們將課堂知識(shí)更好地融入日后的工程實(shí)踐中去。endprint

4 CFD技術(shù)在空氣潔凈技術(shù)教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用

實(shí)例1：置換通風(fēng)與混合通風(fēng)的比較 在空氣潔凈技術(shù)教學(xué)中，置換通風(fēng)與混合通風(fēng)方式的比較非常適合使用CFD軟件進(jìn)行模擬比較?；旌贤L(fēng)方式是目前常用的通風(fēng)方式，但是對(duì)于一些特殊場(chǎng)合，比如醫(yī)院，該方式會(huì)導(dǎo)致新風(fēng)與室內(nèi)空氣混合，有可能造成交叉感染；而置換通風(fēng)就能克服以上問題。相對(duì)于課本上的描述，CFD軟件可以顯示得更加全面，這兩種不同的通風(fēng)方式的區(qū)別一目了然（如圖1、圖2所示）。

實(shí)例2：送排風(fēng)口位置對(duì)氣流組織的影響 如圖3、圖4所示，本實(shí)例中可以看到送排風(fēng)口的不同位置會(huì)對(duì)房間的氣流組織產(chǎn)生很大影響，房間內(nèi)的物品也會(huì)對(duì)氣流組織產(chǎn)生很大影響，如果需要對(duì)氣流組織進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，光靠理論知識(shí)還不足以解決這類問題，必須應(yīng)用CFD技術(shù)才能更合理準(zhǔn)確地進(jìn)行。

在該課程以往的教學(xué)中難以找到合適的課后習(xí)題，導(dǎo)致學(xué)生下課后沒有復(fù)習(xí)的過程，也不利于增強(qiáng)教學(xué)效果。使用CFD軟件后，可以讓學(xué)生自己動(dòng)手做相關(guān)的模擬課題，而且易于防止抄襲現(xiàn)象，因?yàn)镃FD軟件的前處理軟件GAMBIT可以方便定義建筑的幾何尺寸以及邊界條件等，可以做到一人一題。通過這個(gè)環(huán)節(jié)，不但可以提高學(xué)生的知識(shí)掌握程度，更加能提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力。

5 結(jié)論

將CFD技術(shù)與空氣潔凈技術(shù)的教學(xué)結(jié)合，充分利用CFD軟件的圖像顯示功能，將枯燥的理論知識(shí)生動(dòng)地在電腦上演示出來，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，加深印象，能進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)生專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)能提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，擴(kuò)展視野，符合素質(zhì)教育的根本要求。

參考文獻(xiàn)

[1]毛軍，熊艷，薛琳.實(shí)施計(jì)算流體力學(xué)本科教學(xué)的可行性分析[J].高等建筑教育，2003（2）：46-52.

[2]溫正，石良臣，任毅如.FLUENT流體計(jì)算應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[3]鄭捷慶，鄒鋒，張軍，等.CFD軟件在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2007（10）：119-121.

[4]李國(guó)威，崔俊奎.基于FLUENT的流體力學(xué)教學(xué)課件素材制作研究[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2009（5）：76-77.

[5]楊學(xué)賓，周湘江，羅義英，等.CFD在暖通空調(diào)專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用初探[J].嘉興學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（3）：139-143.

[6]張吉光.高層建筑和地下建筑通風(fēng)與防排煙[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.endprint