基于Ansys CFX的動物學(xué)實驗室室內(nèi)凈化器內(nèi)部流場模擬分析

于亞芳+吳桐+劉艷華

【摘 要】為了設(shè)計高效的動物學(xué)實驗室室內(nèi)凈化器，本文利用Ansys CFX模擬計算動物學(xué)實驗室室內(nèi)凈化器內(nèi)部流場。模擬結(jié)果表明：本文所設(shè)計的動物學(xué)實驗室室內(nèi)凈化器的進(jìn)氣端壓力較高，氣流在各個腔室內(nèi)存在一定的渦旋，會造成壓力損失，但整體仍在合理的范圍之內(nèi)。

【關(guān)鍵詞】動物學(xué)實驗室；凈化器；內(nèi)部流場；Ansys

高校實驗室是在校師生的主要學(xué)習(xí)、活動的場所之一。因此，有效的保證實驗室的空氣質(zhì)量，對在校師生的身體健康具有十分重要的現(xiàn)實意義。為此，本文基于動物學(xué)實驗室日常應(yīng)用的特點(diǎn)，設(shè)計了動物學(xué)實驗室室內(nèi)凈化器，并借助Ansys CFX的軟件，對其內(nèi)部流場進(jìn)行了模擬分析。

1 動物學(xué)實驗室室內(nèi)凈化器基本結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了有效的凈化室內(nèi)空氣污染物，動物學(xué)實驗室室內(nèi)凈化器采用了多腔室（三腔室）循環(huán)凈化結(jié)構(gòu)。其中第一腔室長240mm，第二腔室長120mm，第三腔室長135mm。其中各個腔室間使用穿孔隔板隔開，并用緩沖管連接各個腔室，以實現(xiàn)多重的循環(huán)凈化。

2 動物學(xué)實驗室室內(nèi)凈化器物理模型的建立

利用CatiaV5R21軟件建立動物學(xué)實驗室室內(nèi)凈化器三維實體模型，再轉(zhuǎn)換格式，將其導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件中，采用網(wǎng)格劃分軟件ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。

2.1 流場分析模型建立

流場區(qū)域為凈化器的空腔部分，通過布爾運(yùn)算構(gòu)造流場區(qū)域。之后對流場區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于進(jìn)氣口和排氣口物理參數(shù)變化梯度大，所以采用膨脹法劃分網(wǎng)格，并且在邊界采用三棱柱邊界層網(wǎng)格，其凈化器總網(wǎng)格數(shù)為2738193。

2.2 利用CFX求解

2.2.1 流體參數(shù)設(shè)置

流場分析首先需要確定凈化器系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，其具體參數(shù)如下：

1）假設(shè)凈化器系統(tǒng)內(nèi)為牛頓流體，密度ρ=1.185kg/m3，動力粘性系數(shù)為μ=1.831×10-5N·S/m2。

2）根據(jù)流體動力學(xué)理論，確定凈化器內(nèi)為不可壓縮液體。

3）依據(jù)雷諾數(shù)凈化器內(nèi)為湍流。

2.2.2 流體邊界條件設(shè)置

對流場區(qū)域進(jìn)行前處理，設(shè)定進(jìn)出口邊界條件，進(jìn)氣口邊界條件為氣體流速30m/s，排氣口邊界條件為靜態(tài)壓力0Pa。本文中選用標(biāo)準(zhǔn)的k？ε模型進(jìn)行質(zhì)量、動量和能量方程求解，并假設(shè)壁面邊界條件非振動，沒有滑移。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 速度場

速度流線圖表示的是氣體流動趨勢，由1可知，氣體從進(jìn)氣管進(jìn)入，在進(jìn)氣管端口處，存在著氣體流動空間縮小，氣體流速上升的趨勢。隨后一部分氣體從凈化器的緩沖管上的穿孔流出，速度上升，進(jìn)入第二腔。并且從凈化器進(jìn)氣管流入的氣流在第一腔和第二腔內(nèi)分布較均勻，并且由于不同速度氣流相互沖擊而形成的漩渦相對較少。湍流和氣體回流減少，所以由此造成的動能損失相對減少。同時有圖2，還可以發(fā)現(xiàn)氣流在小孔附近較為集中，使流速增加。但從整體看，凈化器內(nèi)氣流存在局部渦流現(xiàn)象，該現(xiàn)象有助于凈化措施與氣流反應(yīng)，有利于提高反應(yīng)效率。

3.2 壓力場

從圖2中可以看出，凈化器其壓力分布的最大位置是進(jìn)氣管內(nèi)部和凈化器第二腔末端。凈化器內(nèi)流體經(jīng)第一腔后，由于結(jié)構(gòu)上的阻礙，氣流的速度逐漸降低，并在第二腔末端形成一定的堆積，使得此處的靜壓力升高。由此可知，由于氣流壓差的變化，必然導(dǎo)致了能量有所損耗。究其原因，是第二腔室的有效容積相對較少，導(dǎo)致了氣流不能順利通過所致。

3.3 溫度場

隨著消聲器內(nèi)部氣流的流動方向，內(nèi)部溫度有一定的變化，由于凈化器壁面散熱，因此隨著氣流的方向溫度減??；當(dāng)外界氣流直接進(jìn)入進(jìn)氣管時，由于腔體內(nèi)部的緩沖管上穿孔結(jié)構(gòu)的存在使得腔體局部的溫度有一定的變化，使得其腔室內(nèi)的有效容積變小導(dǎo)致其熱量不能充分?jǐn)U散，故最終由模擬圖3上可以看出排氣溫度的降低較小。

4 結(jié)論

本文為有效解決高校動物學(xué)實驗室室內(nèi)空氣污染問題，特設(shè)計的室內(nèi)凈化器樣機(jī)，并利用ansys CFX對該凈化器內(nèi)部的空氣流動情況進(jìn)行了模擬仿真。仿真結(jié)果表明了該凈化器的氣流存在局部渦流現(xiàn)象，且溫度擴(kuò)散較好，壓力損失在合理的范圍內(nèi)。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]