基于CFD技术协同的空气净化产品设计研究

基于CFD技术协同的空气净化产品设计研究

麦礼聪

广东爱美信电器有限公司    佛山南海    528000

摘要：在我国经济转型发展的过程当中，创新设计工作的开展是十分有必要的，这不仅可以对产品的性能进行优化，同时还可以实现对知识产权的保护，为人民群众生活质量的提高创造条件。本文运用文献分析法、归纳总结法，以空气净化产品为例，探究了在CFD技术协同情况下的创新设计方法，对产品原型创新设计的规律和方法进行了探索，希望在CFD技术的支持下探索更多产品设计的方法，实现设计流程的优化。

关键词： CFD技术协同；空气净化产品；创新设计

1.CFD技术的基本概述

1.1CFD技术的概念

CFD技术作为一门新型的技术手段，将流体力学及其相关计算作为基础，实现了计算机、数学以及物理学等多个学科知识的结合。在应用CFD技术的过程中，需要进行一系列复杂的计算。为了确保计算的精准性和计算的效率，通常会将电子计算机作为计算工具，同时基于有限元的形式来构建模型和对模型进行离散化计算，在这个基础上对模拟实验和相关数值进行分析和研究，进而做到对复杂流动问题的有效处理。在这个过程中，可以将计算机作为载体进行系统化分析，并对气流的运动状态和污染物的分布情况进行模拟，在这个基础上通过虚拟实验的形式设置离散代数方程组、形成边界条件，最终对数值进行求解和计算，完成空气净化产品的设计。

1.2CFD技术的优势

在空气净化产品设计的过程中，CFD技术的应用优势主要体现在以下几个方面。第一，可以构建起虚拟化的模型，并在该模型当中对空气状况的发展和变化情况进行有效观察；第二，可以对室内污染物的分布情况进行综合评价，并在这个基础上对室内空间的质量进行评估，为装修材料的使用提供相应的指导；第三，在使用空气净化产品的时候，可以选择最优的进出风口位置，在这个基础上提高空气净化的效率。从整体上来说，CFD技术最大的特点是可以对相关数值进行模拟，在模拟的过程中实现成本的降低、周期的缩短，构建起完整的数据库系统，并对数据进行快速计算。除此之外，在试验运行的过程中，还可以对数据的状态进行实时监测。

1.3CFD技术的应用流程

首先，要构建数学物理模型。基于该模型，要对流动问题进行分析，并对湍流动能和动能耗散率等进行计算。在这个基础上，要根据流动的实际情况构建起相应的数学方程，将实际问题转化为数学和物理问题，并使用流速、温度、压强等物理量来解决该问题。

其次，要对数值的算法进行求解。在这个过程中，要先对求解的区域进行离散化处理，然后结合实际情况来进行求解。目前，在这一环节当中比较常见的求解离散形式包括有限容积、有限差分以及有限元法。

最后，要对结果进行可视化处理。在完成计算和求解之后，可以使用高速计算机对图形学和可视化等后处理技术来将结果呈现出来。通过这种方式，可以形象化地将速度场和温度场单调与繁杂的求解结果直观地呈现出来，即使是非专业人员也可以很好地理解。在经过CFD技术的处理之后，这些结果还可以以图片、动画等形式呈现出来。

2.基于CFD技术协同的空气净化产品设计

2.1确定开孔位置点

在构建模型之前，首先要确定好开孔的位置点，在这个基础上进行模拟。在位置点确定的时候，可以参考空调和新风系统的《国家标准》。根据该标准，空调通常是在生活起居室当中进行安装，安装的高度与天花板顶端的距离为10-25厘米，与地面的高度为1.8-2.2米。这是因为考虑到人的身高通常在1.8米以下，在这一高度的情况下空调送风并不会使人体感到不适。在考虑房间整体布局、关注单冷机位置的情况下，可以将空调安装的高度放在与地面距离2.2米处。而对于新风系统来说，入口与吸风口之间的距离要超过1.5米，这样可以防止排出的气体发生流窜。如果是挂壁式的新风机，与地面的距离在控制在20厘米以上。家庭使用的新风系统，出风口高度与空调一致，在1.8米到2.2米之间。在本空气净化产品设计的时候，将2.2米的位置点作为进出气位置。

2.2构建虚拟现实模型

在我国，建筑住宅墙体的厚度并不是固定的，尤其是在南北方，通常会存在明显的差异，北方厚度为37墙左右、南方则在24墙左右。而主卧的使用面积通常在10-15平米，如果卧室外窗的窗台与楼面或者地面的高度在0.9米以下的话需要设置相应的防护设施。在该模型当中，设定窗与地面的高度为1.5米，窗台与地面的高度为0.9米，窗顶与楼面的高度是0.3米。设定主卧物理模型的空间尺度定为4200*3200*2800mm.住宅卧室窗户洞口面积与所在空间的地面面积的比例应该不小于1:7，所以窗户尺寸定在1800*1500mm。在这个基础上建立空间测试点立体图。

2.3模拟实验参数设置

在进行模拟实验之前，需要设置统一的参数，并在这个基础上根据平面布局图来开展模拟实验。首先要在模型当中划分网格。具体来说，可以在专门的建模软件当中输入房间的基本信息，构建起三维立体化模型，然后进行模型导入，并划分网格。在对本空气净化产品进行设计的时候，可以使用四面体网格的形式，在边界层部分进行膨胀项的设置，将第一层的高度设置为2毫米，生长率设定为1.2.在这之后，对进出口位置的网格更为细致地进行划分。其次，要对数值计算进行设置。在将有限元模型进行输入之前，需要先基于空气参数、边界条件、计算模型等进行设计。

边界条件是在计算区域的边界处所给的变量，也是fluent求解时唯一需要知道的变量。只有设定有效的边界条件，才可能求得出流场的精确结果。所以设置准确的边界条件是fluent问题有正常解的前提。FLUENT软件为用户提供了许多进出口的边界条件类型，例如速度入口、压力进出口、进排气扇出口等十余种常用的边界条件。计算边界条件的设置需要依靠经验结果、试验数据、还有在模拟时理想流体的状态来决定。本次对与房间的室内流动研究采用的边界条件是速度进口和压力出口，出口表压为零Pa。

fluent软件有两个求解器:密度基求解器和压力基求解器。密度基求解器使用在计算可压流体;相比之下，压力基求解器使用范围更广泛，从低压不可压缩流体到高速压缩流体。所以本次计算使用压力基求解器。同时本次模拟运算采用的粘性模型为K-epsilon。使用标准形式的压力方程，梯度选择最小方差的形式，耦合算法的选择为SIMPLE算法，其它方程选择二阶方程。

结束语

综上所述，产品设计并不仅仅是简单的创造活动，也不是形式美感的输出，或者为了达到销售量而形成视觉刺激，而是要基于多学科知识的整合，在知识创新的基础上实现方法论的优化设计。本文基于CFD技术协同的角度，基于理论和实践这两个层面对空气净化产品设计问题进行了探究，基于创新结构和创新关系形成了系统化的创新，基于全新的设计方法来对知识结构进行了优化。

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