1、本科毕业论文（20 届）洁净室内气体流场分析及优化设计所在学院 专业班级 建筑环境与设备工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科毕业设计 目录2目 录摘要 .3前言 .5第一章 绪论 .61.1 课题研究背景及研究目的与意义 .61.2 CFD 技术的优点 .71.3 国内外研究现状 .81.3.1 CFD 在暖通空调流场优化设计中的应用 .81.3.2 CFD 在冰箱流场优化设计中的应用 .91.3.3 CFD 在食品冷冻冷藏领域流场优化设计中的应用 .101.3.4 CFD 方法在制冷其他方面的应用 .111.4 CFD 在制冷领域应用的前景 .11第二章 洁净室内不同
2、吹风口位置物理模型的建立 .122.1 洁净室物理数字模型的建立 .122.1.1 创建点 .122.1.2 创建线 .122.1.3 创建面 .132.1.4 创建三维 .142.2 洁净室内吹风口在不同位置时物理模型的建立 .162.2.1 吹风口在顶部时的物理模型建立 .162.2.2 吹风口在侧面时的物理模型建立 .192.2.3 吹风口铺满侧面时物理模型的建立 .202.3 本章小结 .20第三章 洁净室内不同吹风口位置的气体流场分析及优化设计 .213.1 洁净室内无操作台时三种不同吹风口位置的数值结果分析 .21本科毕业设计 目录33.1.1 启动 FLUENT.213.1.2
3、建立求解模型 .243.1.3 设置流体的物理属性 .263.1.4 设置边界条件 .263.1.4 迭代求解 .283.1.5 显示计算结果 .323.1.6 其他两种吹风口位置的计算结果 .35小结 .393.2 洁净室内有操作台时三种不同吹风口位置的数值结果分析 .393.2.1 洁净室吹风口在顶部时 .393.2.2 洁净室吹风口在左上侧时 .413.2.3 洁净室吹风口在左侧墙面时 .43小结 .443.3 本章小结 .45第四章 洁净室内不同吹风口大小物理模型的建立 .464.1 吹风口大小为 1.5m 时 .464.2 吹风口大小为 2.0m 时 .484.3 吹风口大小为 3.
4、0m 时 .484.4 本章小结 .50第五章 结论与展望 .515.1 结论 .515.2 不足与展望 .51参考文献 .53致谢 .54外文翻译 .55本科毕业设计 摘要4摘 要以某一典型的空调房间为研究目标，利用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，以下简称为 CFD）软件，研究在低温送风条件下，室内气流组织的分布状况。运用计算流体动力学 CDF 软件 对不同送风参数下的流场和温度场做模拟，并对计算结果进行分析，总结出送风参数对洁净空调房间影响，以此作为提高室内空气品质的一个参考。关键词 气流组织；空气品质；CFD；计算流体力学本科毕业设计 摘要5Gas
5、 Flow Field Analysis and Optimization Design to Clean IndoorAbstract In a typical air conditioning room as the research target, using computational fluid dynamics (Computational Fluid Dynamics, hereinafter referred to as theCFD) software, research in low-temperature air supply conditions, the distri
6、bution of the indoor airflow organization. Air parameters of different flow field and the temperature field do simulation with the computational fluid dynamics software CFD.and calculated results analysis, summarizes the effects of parameters supply of clean air conditioning room, serves as a refere
7、nce to improve the indoor air quality.Key Words airflow organization; air quality; CFD; computational fluid dynamics本科毕业设计 前言6前 言随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，现代人生活和工作形态发生了变化，据统计，在室内工作的人们有 80%的时间处于室内，室内空气品质（Indoor Air Quality，IAQ ）直接影响着人们的工作、生活以及健康状况，因此室内空气品质日益成为人们关注的焦点。要改善室内空气品质，良好的室内气流组织必不可少。气流组织直接影响室内空调效果，
8、关系着房间工作区的温湿度基数、精度及区域温差。工作区气流速度，是空气调节设计中的一个重要环节。有效的通风和合理的气流组织对于改善室内空气品质，控制室内空气污染物水平，实现健康与舒适的空调目标有着重要的意义。研究流体运动规律的主要方法有三种：一是实验研究，以实验为研究手段；二是理论分析方法，利用简单的流动模型假设，给出某些问题的解析解；三是数值模拟。实验研究耗费巨大，而目前理论分析对于较复杂的非线性流动现象还有写无能为力。模型实验虽然能够得到设计人员所需要的各种数据，但需要较长的实验周期和较为昂贵的实验费用。计算流体力学对实验研究与理论研究起到了促进作用，也为简化流动模型提供了更多的数据，使很多
9、分析方法得到发展和完善。因而在工程设计中运用广泛，CFD 以成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点，越来越受到人们的青睐。本文为采用 CFD 方法，对空调房间内空气速度场、温度场以及空气龄分布进行数值模拟与分析，为更好地对房间的送风气流组织选择提供参考。本科毕业设计 绪论7第一章 绪 论1.1 课题研究背景及研究目的与意义洁净室(Clean Room)，亦称为无尘室或清净室 1。它是污染控制的基础，没有洁净室，污染敏感零件不可能批量生产。在 FED-STD-2 里面，洁净室被定义为具备空气过滤、分配、优化、构造材料和装置的房间，其中特定的规则的操作程序以控制空气悬浮微粒浓度
10、，从而达到适当的微粒洁净度级别 2。洁净室最主要之作用在于控制产品（如硅芯片等）所接触之大气的洁净度日及温湿度，使产品能在一个良好之环境空间中生产、制造，此空间我们称之为洁净室。按照国际惯例，无尘净化级别主要是根据每立方米空气中粒子直径大于划分标准的粒子数量来规定。也就是说所谓无尘并非 100%没有一点灰尘，而是控制在一个非常微量的单位上。当然这个标准中符合灰尘标准的颗粒相对于我们常见的灰尘已经是小的微乎其微，但是对于光学构造而言，哪怕是一点点的灰尘都会产生非常大的负面影响，所以在光学构造产品的生产上，无尘是必然的要求。计算流体力学 3（Computational Fluid Dynamics
11、，以下简称为 CFD）是基于计算机技术的一种数值计算工具，用于求解流体的流动和传热问题。它是流体力学的一个分支，用于求解固定几何形状空间内的流体的动量、热量和质量方程以及相关的其它方程，并通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关数据。CFD 计算相对于实验研究，具有成本低、速度快、资料完备、可以模拟真实及理想条件等优点。二十世纪 60 年代末，CFD 技术已经在流体力学各相关行业得到了广泛的应用。近些年来，随计算机技术的发展，CFD应用方面的研究开始活跃起来。CFD 模拟的目的是作出预测和获得信息，以达到对流体流动的更好控制。理论的预测出自于数学模型的结果，而不是出自于一个实际的物理模型的
12、结果。数学模型主要是由一组微分方程组成，这些方程的解就是 CFD 模拟的结果。CFD的基础是动量、能量、质量守恒方程，在实际的应用中还会综合利用其它的方程 4。CFD 计算的方法主要有三种：差分法、有限元法、有限体积法。计算流体力学是多领域交叉的学科，涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何学、数值本科毕业设计 绪论8分析等学科。这些学科的交叉融合，相互促进和支持，也推动着这些学科的深入发展。当然，数值模拟也有一定的局限性。首先是要有准确的数学模型，这不是所有问题都能做到的。不少问题，其机理尚未完全清楚，很难有准确的数学模型，对于食品的研究还必须掌握其物性数据处理；其次是数值模
13、拟中对数学方程进行离散化处理时需要对计算中所遇到的稳定性、收敛性等进行分析。这些分析方法大部分对线性方程是有效的，对非线性方程则没有多大的效果；最后，数值模拟还受到计算机本身条件的限制，即计算机运行速度和容量的限制。只有计算机的速度、内存和外围设备达到一定程度时才会有计算流体力学发展新阶段的出现。作为一门发展学科，必然要有一个逐步成熟、完善的过程，上面这些问题也将在今后的研究中进一步得到解决。比如：计算算法的研究、计算机并行性的研究、结合实验的研究等等都是针对上面这些问题进行的 5。CFD 最早运用于汽车制造业、航天事业及核工业，用离散方程解决空气动力学中的流体力学问题 6。实际上 CFD 可
14、以用于多种加工过程。近年来，由于人们生活水平的提高，顾客对食品的安全、品质提出了更高的要求，加上政府部门的重视，CFD 在食品制冷中的应用研究得到了广泛的开展 7。CFD 应用的场合涉及到冷冻、冷藏库、真空冷却、冷藏链、冷藏陈列柜、冷凝等过程中食品的传热问题等多个方面 8。利用 CFD 可以描述出洁净内气流组织的细节变化情况，对洁净室的优化设计及其有利。本课题将以洁净室为研究对象，把室内结构与洁净室内气流组织数值计算有效地结合起来，从理论研究出发，结合工业实际，对洁净室内的气流组织进行综合研究，并对冷风机位置、风量、气体管道的布置方案、出风速度等的变化对洁净室内流场及浓度场的影响进行分析，从而
15、提出对目前洁净室优化设计的具体措施，并开发出气调设计的专用软件，这对提高我国洁净室设计水平、节能以及改善洁净室环境有深刻的现实意义 9。1.2 CFD 技术的优点与传统的实验研究相比，CFD技术具有极大的优势，具体归纳如下：(1) CFD可以获得对流体流动，质量能量传递等过程的深入细致的描述；(2) 可以大大节省研究设计所花的时间及成本；本科毕业设计 绪论9(3) CFD可以用在那些无法实现测量的场合，如高温、危险的环境；(4) CFD允许改变实验条件、参数，以获得在一般实验中很难得到的大量信息资料； (5) 在传统开发环境中，大量的创新思路或设想难以验证，而在CFD技术辅助开发环境中，新设想
16、的验证变得容易，设计者和工程师们直接利用CFD技术分析验证他们的新想法，因此有助于进行技术创新。1.3 国内外研究现状二十世纪八十年代以来，随着计算技术的发展和计算机在工程计算中的广泛应用，国内外学者在数值计算方面取得了很大的进展。1.3.1 CFD 在暖通空调流场优化设计中的应用空调设计的最终目的是以合理的系统设计及设备选型实现所要求的室内气体环境（温湿度、气流、污染物质浓度等指标） 。实现对这些环境参数的合理控制，有必要把握其流场的分布特征。现代空调越来越多地考虑到人体舒适性的要求，而人体舒适性从流场的角度考虑就是要求流场的均匀，比如要求在人体所在的区域里，风速均匀控制在一定数值内，避免气
17、流过猛给人体带来的不舒适感；要求整个流场区域温度场分布均匀，尤其是人体附近区域温度场，避免人体各部分温差过大产生不适。这就需要对气流组织进行设计。所谓气流组织设计，就是在空调房间内合理地布置送风口和回风口，组织通风空调室内的空气流动，使得经过净化和热湿处理的空气，合理地送入室内，在扩散与混合的过程中，均匀地消除室内余热余湿，从而使工作地区具有舒适和满意的空气分布，如均匀而稳定的温度、湿度、气流速度和洁净度，以满足人体舒适的要求 10。在传统的室内气流组织设计中，往往采用经验和实验及简单的理论分析来完成设计工作，凭经验对送风口，回风口和室内热源等因素进行单纯的合成（即线性近似） ，这存在较大的误
18、差，而试验又会带来极高的成本。CFD的应用则可以很好地解决这些问题，由于CFD软件可以相对准确地给出流体流动的细节，如速度场、压力场、温度场或浓度场分布的时变特性，因而很容易在对流场的分析中掌握室内气流的构造、分布特征，为合理的系统设计及设备选型提供有益的参考资料 11。春兰集团陶建兴等 5人用STAR-CD对使用某型本科毕业设计 绪论10号四面出风式壁挂空调器的房间的温度场进行了分析，并与传统出风壁挂空调器流场作对比。在模拟研究中发现采用四面出风式壁挂空调器的房间温度场均匀，且左右对称，在人体所处区域，风速小于人敏感的0.5m/s，可以保证房间温度控制的精确性。研究还表明，通过STAR-CD
19、模拟房间温度场，结果直观，对于指导产品设计有重要的作用。金泰木等人使用有限元的分析软件ANSYS5.6.1版本的多物理场分析中的流体计算模块作为模拟分析平台，对列车车厢硬卧包间送风情况进行计算模拟和分析。在模拟中选择了k-模型，通过计算模拟发现采用包间行李台侧隐式风口条缝贴附顶板侧送风的方案时，包间内温度场较均匀，且铺位两端风速对头部的影响较小。董玉平等利用FLUENT公司推出的AIRPAK2.1 对天津国际展览中心扩建工程B展厅高大空间建筑空调方案进行了模拟研究，预测其空调系统的热舒适性与气流组织，模拟预测了展厅的气流组织，得出展厅基本能满足人体舒适性要求，气流组织设计合理。分析研究证明CF
20、D模拟预测方法是有效的，验证和指导设计是切实可行的。从上述实例看出，CFD已在空调领域流场分析中得到广泛的应用 12。1.3.2 CFD 在冰箱流场优化设计中的应用近年来，随着人们生活水平的提高和环保意识的增强，对冰箱的要求不再仅仅停留在冷藏上，而从冰箱耗电和食品的保鲜角度向厂家提出了更高的要求 7。节能、环保和方便使用将是冰箱发展的主要方向，而其中节能是冰箱产品竞争力中的最主要因素。目前许多企业在设计冰箱时采用的还是传统的经验设计方法，其缺点是耗时费力。而如果使用CFD技术对冰箱系统中部件的传热、气体的流动进行模拟，并在此基础上采取一些措施来优化装置，就可以提高性能及效率。流场的优化是冰箱设计中的重要问题 13，因为食品的保鲜质量直接取决于箱内空气流场和温度分布，而冰箱耗电量则与箱内温度场密切相关。流场的具体信息既不能由代数方程计算得到，而通过实验测得工作量又太大，并且实验中需布置的传感器又会在一定程度上破坏流场。这使得CFD方法得到广泛使用。凌长明和陶文铨针对冰箱从起动到周期性非稳态运行这一非稳态自然对流进行了二维数值模拟，以冰箱外表面温度及两个蒸发器温度为边界条件，给出了直冷式冰箱在周期性非稳态工况下速度场和温度场的数值计算结果。丁国良使用有限元程序，对冰箱内部的二维稳态空气流场进行了模拟，研究了冰箱热负荷、
