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關鍵詞：教學改革；研究生教學；教學內容；軟件平臺

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）31-0038-02

一、歷史與現狀

《計算流體動力學及其應用》是能源動力方向碩士和博士研究生的一門學科基礎課程。自上世紀90年代開設以來，前后經歷了三次大的變革。在1995—2000年期間，課程名為《葉輪機械的數值模擬計算》，只針對能源動力學院流體機械專業方向的研究生開設；自2001年起，課程改名為《計算流體動力學及其應用》，面向能源動力一級學科及其下屬各二級學科的研究生，并成為能源動力學科方向研究生的一門基礎課程；2006年以前，課程授課內容以計算流體動力學方面的原理和方法為主，選課學生主要為能源動力學科方向的研究生；從2006年開始，為適應廣大研究生的選課需要，我們對教學內容進行了適當調整，輔以CFD商用軟件的實例和應用，以期實現理論性與實踐性并重的教學理念，并將課程面向全校研究生開放。隨著計算機技術的飛速發展，計算流體動力學的應用日益廣泛。眾所周知，計算機硬件水平的提升，將相應地促進CFD商用軟件功能更加強大，應用更加廣泛，最終使得CFD商用軟件得到了前所未有的發展。同時，隨著研究生招生規模的擴大，使得選修《計算流體動力學及其應用》課程的研究生人數大增，從上個世紀90年代的十幾個學生，到現在的一百多個學生，而且涉及眾多學科，比如船海、化工、建筑、電氣、交通、材料、光電等。《計算流體動力學及其應用》課程的歷史與現狀在一定程度上給我們將要進行的教學改革提出了新的要求，同時也為我們指明了課程建設的新方向，值得我們深入思考，并付之于實踐。

二、課程定位

《計算流體動力學及其應用》作為一門研究生的學科基礎課程，我們在進行改革之前，應該首先考慮它的定位。華中科技大學作為一所教育部的“985”和“211”的高校，一直以“研究型”大學著稱。學校對于研究生的培養非常重視，導師為每一位研究生制定了詳細的培養計劃，課程的選修均有所考量。基于選修《計算流體動力學及其應用》課程的研究生人數眾多，涉及的院系廣泛，經任課教師討論，申請學校研究生院同意，決定將該課程定位為高水平研究生課程。所謂高水平研究生課程，初步確立的含義為，高水平的學者，采用高水平的教材，以先進靈活的形式教授課程，旨在培養學生堅實寬廣的理論基礎和系統深入的專門知識。高水平課程在內容上應該具有基礎性、專業性和前沿性，前沿性可以體現在任課教師結合自己的科研實踐，在講授中融入一些與課程相關的前沿內容。

三、教改實踐

基于高水平研究生課程這樣一個定位，我們開始著手進行課程的教學改革，具體內容包括：組建教學團隊、改革教學內容、建設實踐教學平臺。首先，組建一支高水平、高素質的教學團隊。教學團隊由三位教師組成，他們均具有博士學位，高級職稱。其中，課程負責人張師帥副教授，長期從事計算流體動力學及其應用方面的教學及研究工作，自2006年起，一直擔任該課程的主講教師；任課教師郭照立教授，是目前國內計算流體動力學方面的頂尖學者，國家杰出青年基金獲得者，并具有較高的國際知名度。郭教授團隊在國內外權威學術刊物和會議上發表科學論文100余篇，SCI收錄90余篇，SCI引用1200余次；任課教師陳勝副教授是一位青年學者，在格子Boltzmann算法研究方面頗有建樹。將《計算流體動力學及其應用》課程建設成一門高水平研究生課程，得到了教學團隊中每一位教師的支持，大家一致贊同經常開展教學交流，學習先進的教學方法和教學手段，進一步提高教學效果。其次，我們對教學內容進行了改革。教學團隊根據選課研究生人數眾多，涉及的學科方向廣泛，重新制定了《計算流體動力學及其應用》課程的教學大綱，確保講授內容的基礎性、專業性和前沿性。課程主要內容包括：控制方程的離散化方法、流場的求解計算方法、湍流模型及其應用、網格生成與計算技術、復雜流動的介觀模型和數值方法、格子Boltzmann算法及其應用、經典CFD軟件的基本用法等。而對于控制方程的離散化方法，將重點介紹有限差分法和有限體積法；對于流場的求解計算方法，將重點介紹SIMPLE及其系列算法；對于湍流模型及其應用，將重點介紹k-ε模型及其應用；對于網格生成與計算技術，將重點介紹結構網格和非結構網格的生成方法以及并行計算方法。同時，還將邀請國內外計算流體動力學方面的專家學者前來開展專題講座。對《計算流體動力學及其應用》課程進行教學改革是全體任課教師的共同愿望，大家積極討論，并提出在現有教材的基礎上，編寫具有自己特色的教材等建議。在改革教學內容的同時，教學團隊還利用學院現有的條件，建立“計算流體動力學”軟件平臺，該平臺擁有高性能的計算工作站，可以開展并行計算、直接數值模擬等大型計算研究，為研究生開展離散方法、網格生成方法、計算方法以及復雜流動模型等研究工作創造了良好條件，同時也為對計算流體動力學方面的前沿研究課題感興趣的大學本科生開展創新性研究工作提供了良好條件。與此同時，該平臺還擁有多種商用CFD軟件，比如FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS、Flo-EFD等，成為廣大研究生開展自主學習、自主實踐、相互交流的優良場所。還可以根據研究生的需求，安排任課教師不定期地通過軟件平臺為學生解惑答疑，引導研究生探索創新，提高學術水平。

眾所周知，研究生學術水平的高低是一所大學學術水平的反映，更是一個國家科技創新能力的反映。研究生不僅需要扎實掌握專業基礎知識，更需要具有較強的創新意識和創新能力。目前，高等學校在培養研究生創新能力、提高研究生學術水平方面還有待加強。為此，本文提出了通過對《計算流體動力學及其應用》課程進行教學改革，并將之建設成具有基礎性、專業性和前沿性的高水平課程，進一步培養研究生的創新能力，提高研究生的學術水平。同時，本文對實踐過程中的一些具體措施和經驗進行了探討。

參考文獻：

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[5]姚聰莉.我國研究生教育質量透析[J].高等理科教育，2006，（5）：50-54.

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關鍵詞：油氣成藏動力，學油氣運移油，油氣成藏機理

 

1.油氣成藏動力學研究方法

成藏動力學研究是在綜合分析區域鉆探、地球物理、分析測試和地質地化等資料的基礎上, 采用靜態描述和動態模擬相結合的方法, 其中計算機模擬方法可以定量地、動態地刻劃各種因素相互作用的歷史過程, 從而更深刻地揭示其內在規律性, 因此是成藏動力學過程研究的一項關鍵技術。成藏動力學模擬實質上是成藏動力學過程模擬, 是一項高度復雜的系統工程, 它需要以當代最先進的地質學和石油地質學理論為基礎, 全面利用各種地質、物探資料, 采用最先進的盆地描述和盆地模擬技術方可進行[1]。，油氣成藏機理。盆地描述部分用于刻劃盆地現今的構造、沉積巖性和各種地質參數的空間展布特征, 為盆地模擬奠定基礎。盆地模擬方面包括構造、沉積、儲層、古水動力場、古地溫、生烴、排烴、圈閉演化和油氣運移聚集等各個部分。其中, 從生烴到運移的模擬構成成藏動力學過程模擬的主體, 而其他的描述和模擬則是成藏動力學過程模擬必不可少的重要基礎。成藏動力學過程模擬的最終結果體現在油氣資源量計算部分上, 包括計算出盆地的生烴量、排烴量、烴碳轉換量、油氣損失量, 最后要計算出盆地中聚集的油氣資源量[2]。，油氣成藏機理。

2.油氣成藏動力學系統的劃分及類型

田世澄(1996) 提出將受地球深部動力學控制的盆地構造2沉積旋回作為一個成藏動力學系統, 把改變地下成藏動力學條件, 影響成藏動力學過程的區域不整合和區域分布的異常孔隙流體壓力界面作為不同成藏動力學系統的界面。并據動力學特征將成藏動力學系統分為開放型、封閉型、半封閉型3 種類型, 據油源特征又區分為自源成藏動力學系統和他源成藏動力學系統。因此共可劃分出6 種油氣成藏動力學系統[3-6]。康永尚(1999) 根據系統動力的來源、去向和系統的演化方式將油氣成藏流體動力系統分為重力驅動型、壓實驅動型、封存型和滯留4 種。，油氣成藏機理。實際上重力驅動型對應開放型, 壓實驅動型對應半開放型, 封存型和滯留型則對應封閉型。，油氣成藏機理。，油氣成藏機理。因此二者是一致的。這種以油氣成藏的動力因素來劃分油氣系統的方法比經典的含油氣系統的一套源巖對應一個油氣系統的粗略劃分方法更深入, 更能體現油氣作為一種流體的運動分布規律, 從而有效指導我國陸相含油氣盆地的勘探[7]。

3.油氣成藏主要動力因素的研究

沉積盆地實際上是一個低溫熱化學反應器, 油氣的富集是由溫度、力和有效受熱時間控制的化學動力學過程, 及由壓力、地應力、浮力和流體勢控制的流體動力學過程的綜合結果, 也是盆地中各個成藏動力學系統中的油、氣、水三相滲流過程的結果。張厚福(1998) 認為: 地溫場、地壓場、地應力場等“三場”系受地球內能控制, 是地球內部能量在地殼上的不同表現表現形式。“三場”相互之間彼此影響與聯系。“三場”的作用使地殼上形成海盆、湖盆等各種水域, 才衍生出水動力場, 有了水體才能出現化學場與生物場, 后二者也相互聯系與相互制約。綜合這些場的作用, 在含油氣盆地內才出現油氣成藏動力系統與流體壓力封存箱等地質實體, 后二者之間互有聯系和影響。油氣從烴源巖生成并排出到相鄰的輸導層經運移聚集而成藏及成藏后發生的物理化學變化這一系列過程都始終貫穿“三場”的作用[8-10]。

4.含油氣系統和油氣成藏動力學的關系探討

目前對含油氣系統和油氣成藏動力系統之間的關系眾說紛紜。主要有3 種說法。(1) 含油氣系統研究是油氣成藏動力學研究的起點。(2) 油氣成藏動力學研究是含油氣系統研究的基礎。王英民(1998) 認為含油氣系統劃分是成藏動力學研究的結果。，油氣成藏機理。(3) 含油氣系統和油氣成藏動力學系統是交叉關系。筆者認為由油氣運聚的物質空間和動力因素控制的流體輸導系統的研究是油氣成藏動力學研究的核心內容, 油氣成藏動力學研究應按照從源巖到圈閉這一歷史主線, 側重于油氣成藏的動力學與運動學機制的研究。但油氣成藏動力系統對應的狀態空間是油氣藏。而含油氣系統是從油氣顯示開始, 而不考慮其是否具有工業價值。因此油氣成藏動力系統是在大的合油氣系統研究基礎上進一步按油氣運聚動力學條件而追蹤油氣分布規律。因此筆者傾向于第一種說法, 認為在含油氣系統宏觀研究思路基礎上進行油氣成藏動力學過程的系統研究, 并根據成藏動力源泉進一步劃分油氣成藏動力系統, 才能弄清我國陸相盆地的成藏機理和油氣分布規律并建立當代高等石油地質理論, 從而更好地指導21 世紀的油氣勘探[11]。

參考文獻

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[7]龔再升,等1南海北部大陸邊緣盆地分析與油氣聚集[M]1北京:科學出版社,19971

[8]張厚福,等1石油地質學[M]1北京:石油工業出版社,19931

[9]田世澄,等1論成藏動力學系統[J]1勘探家,1996,1(2):202241

[10]張厚福，石油地質學新進展[M]1北京:石油工業出版社,19981

[11]費琪,等1成油體系與成藏動力學論文集[C]1北京:地震出版社,19991

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關鍵詞：區域成礦 內容 意義 趨勢 問題

一、區域成礦學研究的內容與意義

（一）區域成礦學的基本研究內容

近幾十年來，地質專家、學者們提出來了一系列區域成礦理論和觀點。隨著區域成礦學理論的不斷深入發展，它在地質礦產找礦過程中發揮的作用也越來越大。區域成礦學的研究內容主要包括以下幾個方面：區域地層、構造、巖漿和變質作用及地質發展；含礦巖石建造的種類、形成與分布；區域地球化學特征；區域地質流體；已知礦種、礦床類型和成礦條件，成礦模式及成礦特征；區域地質異常；區內的成礦系統；礦產信息庫的建立，區域成礦規律和成礦預測圖的編制；總結區域成礦規律與特征，明確進一步研究的問題與方法；區域礦產資源潛力評價。通過以上研究工作獲取對地質作用過程的基本認識，最后進行地質構造綜合研究工作，分析有利于成礦的地質構造環境，編制綜合地質構造圖件，進一步說明地質構造特征，分析有利于成礦的地質構造。

（二）地質構造特征的研究工作是礦產預測工作的基礎

成礦作用是地質作用的組成部分，也是地質作用的產物。區域成礦學主要研究：成礦作用與地質作用的關系，最終把成礦作用的研究有效地融合到地質作用研究過程中去。現代成礦學研究表明，成礦作用在空間上經常產生于各類地質構造的邊緣部位以及變異部位。重要的礦產主要分布在板塊與板塊不同組成部位的結合帶或者邊界地帶。在時間上一般與地質構造轉換階段密切相關，礦產地一般成群、成帶分布，成礦帶的規模和地質構造邊緣帶和變異帶相當。因此地質構造特征的研究工作是礦產預測工作的基礎，也是必需的途徑。

二、區域成礦學研究發展趨勢

隨著對礦產資源需求規模和種類的擴大，成礦預測和找礦工作將繼續受到重視。同時，由于地球科學整體進步、前沿領域研究取得突破性成就，成礦學研究也必將取得較快進展，我國區域成礦研究發展中，以下兩方面最受關注。

（一） 成礦動力學研究

在地質科學的許多研究領域中動力學研究是一個大方向，而成礦學與動力學的結合使區域成礦研究達到一個新的水平。它主要從以下兩方面展開：

1、開展單一礦床成礦過程的動力學機制研究。即對構造成礦流體運移及產生物質之間反應和交換的動力學研究。主要集中在對構造成礦流體運移中地球化學反應的熱力學模型的建立，成礦物質形成和分布規律的反演和預測，把整個構造成礦流體動力學變量的變化特征進行研究。

2、開展區域成礦動力學的數值模擬研究

研究形成礦床集中區的地球動力學背景，目前仍以造山帶和盆地為突破口。它以巖石圈變形研究為基礎，要求深入研究巖漿作用發生及發展的動力機制，加強研究構造演化過程中流體的遷移和分布，探索大規模成礦作用的動力環境合成礦規律。隨著計算機技術的廣泛應用，區域成礦動力學機制的研究已由定性變為定量，靜態變為動態，進行數值模擬成礦過程中的構造作用過程，完全數值模擬整個構造成礦的形成過程和動力學的過程成為可能。這久突破了構造地質作用過程中時空背景及環境條件復雜性的約束，對成礦的預測和礦產資源的勘查有十分重要的意義！成礦動力學機制的研究最終體現的是地球各圈層相互之間作用的過程，也是今后成礦流體動力學所要反映的核心問題。

（二）區域成礦構造研究

陳國達提出了“多因復成礦床”成礦學理論，而區域成礦的研究正是在此基礎上開展。區域上成礦主要進行以下兩方面的研究：

1、對礦床成礦類型的研究。在成礦構造研究中，以構造為主要線索，劃分礦床的成礦類型，這些類型反映成礦物質來源的多樣性和成礦過程的長期性及復雜性。2、對區域成礦作用過程研究。開展區域構造一熱動力條件、主成礦期、礦床類型等研究，強調多成礦階段、多控礦因素、多物質來源的研究，特別是構造巖漿作用的研究。3、對不同級別的大地構造單元控制著不同級別的成礦構造域、成礦構造區的劃分、成礦專屬性的研究。同時注重對不同構造系進行不同級別的劃分，以利于正確劃分成礦構造域、成礦區，順利開展礦產資源預測和評估。

三、區域成礦不可忽視的問題

區域地質成礦是地質作用的一部分，其研究受到中外地質學家、礦床學家高度重視。伴隨著科學技術的不斷發展，地質找礦工作也逐漸向定量方面展開。但目前此項工作依舊還很薄弱。當前地質找礦工作中，針對不同礦種形成于不同的地質條件并受物理化學條件制約形成于不同深度，分門別類在同一地區不同深度上尋找不同礦種就成為一個不可忽視的問題。因為以往的地質找礦深度研究只注意從微量元素含量、元素共生組合進行研究，或使用礦物溫度計、礦物壓力計及氫、氧穩定同位素等研究成礦深度，卻忽視了同一礦種或緊密伴生礦種在成礦深度上的上限深度和下限深度的研究，以及同一地區乃至全球垂直方向的上限深度和下限深度的研究和對比。這樣就使得地質找礦缺少針對性和有效性，并造成人力、物力、財力的浪費，乃至對環境的嚴重破壞，盲目施工、盲目開采。

因為地質成礦在水平方向上和垂直方向上是有規律性的。舉例來說河北淶源縣王安鎮雜巖體多金屬，它的成礦規律：水平方向上，由巖體接觸帶向圍巖，成礦由含銅磁鐵礦礦化向鉛鋅礦化轉變，礦床類型由接觸交代型熱液型；垂直方向上，成礦也表現為有序性：早期形成溫壓較高的含銅磁鐵礦礦化，晚期形成溫壓較低的鉛鋅礦化。這說明鉛鋅礦化無論在水平方向還是垂直方向上均表現為一定的差異性，尤其是在垂直方向上的成礦深度表現為一定的深度范圍。然而，在地質成礦過程中，其它金屬成礦同樣具有這種現象和規律。這就要求我們在當前地質成礦中，除注重研究有關礦種的成礦系列、成礦規律、成礦條件、成礦構造環境，更要注重研究有關礦種形成的區域成礦深度及相關地質體剝蝕深度。只有這樣才能使地質找礦具有針對性、可比性，減少盲目性，提高找礦效率，并將取得較大的或重大的經濟效益，同時保護了生態環境。

參考文獻：

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關鍵詞：空調進氣格柵 水管理 氣管理

中圖分類號：U462 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（c）-0112-02

乘用車空調進氣格柵是前擋風玻璃、發動機艙蓋、翼子板之間的外飾覆蓋件，縱向連接前風擋玻璃以及發動機艙蓋，橫向連接左右翼子板，一般為黑色塑料件，實物外觀以及整車位置如圖1所示。

空調進氣格柵與車身鈑金共同圍成一個空腔，在這個空腔里布置有前雨刮系統以及空調系統的進氣口，空調進氣格柵是空調系統新鮮空氣的入口，同時保護雨刮系統以及空調系統免受雨水侵蝕，空腔是水流及氣流的通道，該文重點介紹空調進氣格柵的水、氣等功能設計的開發。

1 氣管理

空氣通過發動機艙蓋與空調進氣格柵之間間隙進入，通過空調進氣格柵開口到達車身空調進氣腔，在腔內流動并通過位于腔內的空調進氣口最終進入空調箱，實現冷熱調節后按客戶設置經由吹面風道、除霜風道送達至目標區域，如圖2進氣流路斷面示意圖。

氣體在管道內流動實質是通過犧牲自身能量以克服流動阻力的過程，空調鼓風功能本質上是鼓風機模塊所產生的壓力克服氣流流路上流動阻力的結果，進氣氣路上壓降的大小直接影響鼓風模塊功耗，該文主要涉及空調箱進氣口上游進氣通道，確保其在一定空氣流量情況下流阻處于合理水平。總阻力損失主要由摩擦阻力和局部阻力構成。摩擦阻力損失是指氣體沿管道流動時由于質點間的內摩擦力及與管壁之間的外摩擦而引起的能量損失，壓力降參考范寧公式：

局部阻力損失：當氣體流過的管道發生局部變化時，就在管道的局部化地區發生氣體與管壁的沖擊，因而造成一部分能量損失。

工程上常見的流體流速范圍內，摩擦系數λ近似等于常數。當管路及輸送的流體一定時，l、d、Σζ、ρ均為定值，故R等于常數，稱之為阻力系數。項目設計上，用阻力系數（R值）來表征進氣流道的流阻大小：R=P/Q2（其中P為流道靜壓降Pa；Q為空氣流量l/s），阻力系數（R值）表征的是流道順暢程度。理論上，流道結構不變的情況下，R值也唯一。

空調進氣壓降設計工作中通常借助計算流體商業軟件進行虛擬分析實現，其分析原理基于流體力學理論，計算過程涉及流體力學連續性方程，即運動流體物質守恒方程以及動量方程，及流體流動過程中受各種力作用下的平衡方程[1，2]。分析步驟從數據的收集到前處理劃分網格，設置邊界條件，到計算輸出結果，其中網格生成采用四面體畫法，最后通過生成的網格導人Fluent軟件進行計算。

通過計算機仿真技術的應用以及經驗積累發現，空調進氣格柵開口面積、位置，空調進氣格柵與發動機艙蓋之間的間隙大小，車身空調進氣腔結構形式等都是影響阻力系數的關鍵因素。空調進氣格柵開口面積越大，進氣阻力越小，但是過大的開口面積，會導致車身空調進氣腔排水負擔過重，排水不及時等問題，因此開口面積的大小需要根據整車空氣流量的大小并結合車身空調進氣腔的排水能力綜合制定。為確保整車開發過程中空調進氣壓降設計上處于合理水平，空調進氣格柵進氣面必須布置在正壓區，為保證空調進氣口的水汽分離，空調進氣格柵上的開口距離空調進氣口距離至少大于250 mm。車身空調進氣腔結構受前艙區域總布置得影響，在保證前艙布置的前提下，截面面積盡可能大并且均勻一致，車身空調進氣腔寬深比大于3，腔內支架的設計也要考慮對氣流的阻力影響。

2 水管理

乘用車空調進氣格柵是前擋風玻璃，發動機艙蓋，翼子板之間的外飾覆蓋件，下雨或洗車時，大部分的水會從車頂沿前擋風玻璃流下，積水從進氣格柵上的孔狀結構流入車身腔體內，從圖2可以看出，乘用車空調進氣格柵區域有雨刮系統，空調進氣口等需要防水的部件，雨刮電機水侵入會導致系統不能正常運行，影響行車安全，空調系統水侵入會影響鼓風機性能，嚴重的甚至會出現水侵入乘客艙，影響車輛最基本的擋風遮雨功能，因此該區域需要考慮安全有效的水管理。前期設計時，要充分考慮空調進氣格柵對外界水流的導向以及車身空腔結構的排水能力，車身空調進氣腔內的積水高度不能超過雨刮電機以及空調進氣口的布置高度，并要有足夠的設計余量。

為提升前期設計的精確度，同樣借助計算機流體動力學軟件來模擬水流狀況，積水高度等，計算采用VOF多相流模型的瞬態模擬，通過定義VOF界面，進行數值模擬，顯示在既定的邊界條件下水的容積，積水的高度以及水流速度等，為空調系統以及雨刮系統的布置提供設計指導[3]。首先對空調進氣格柵、車身空調進氣腔、雨刮系統、空調內循環進氣口，前擋風玻璃等關鍵子系統進行網格劃分，從以上子系統三維幾何模型中提取VOF分析的邊界條件，邊界條件設置完成后，有計算機分析并輸出分析結果，具體結果分析實例如下。

（1）水流高度跟空調內循環進氣口之間的關系，根據計算結果給工程設計提供輸入，如果水流高度超過內循環進氣口高度，需要修改設計降低水流高度或者增加水流擋板防止水侵入。

（2）水流高度跟雨刮電機及連桿機構之間的關系：根據計算結果給工程設計提供輸入，如果水流高度高于雨刮電機的高度，需要修改設計降低水流高度或抬高雨刮電機，防止電機進水影響性能。

車身空調進氣腔是水流和氣流的通道，通常設計時考慮足夠的坡度設計并保證開口面積來加速水流的速度，根據水往低處走的物理常識，中間位置是最高點，將排水口設計在兩側位置低點，從而將水導向兩側安全區域。

3 結語

該文從空調進氣格柵的功能要求著手，從水、氣管理兩方面介紹了關鍵影響因素及其原理，影響因素間存在著相互的制約關系，在設計中需要綜合考慮其對水、氣的影響，該文借助計算機流體軟件模擬該區域的氣流受阻狀況、水流狀況以及積水高度，根據這些數據就可以調整設計找到最優匹配方案，改變了傳統設計中的依靠經驗進行定性分析、缺少定量數據的設計方法，有助于設計優化，從而提高設計開發質量。

參考文獻

[1] 王福軍.計算流體動力學分析――CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004：235-238.

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論文摘要：根據環境工程專業特點，分析了該專業技術基礎課“工程流體力學”和主干專業課“水污染控制工程”在教學中存在的問題，文章從教學內容、教學模式、師資配置、考核方式四個方面提出了“工程流體力學”和“水污染控制工程”教學改革思路。

論文關鍵詞：環境工程專業；工程流體力學；水污染控制工程；教學改革

“工程流體力學”是研究流體（液體、氣體）處于平衡狀態和流動狀態時的力學規律、流體與固體之間的相互作用及其在工程技術中應用的一門科學，是力學的一個獨立分支，有其自身的理論體系，其基礎理論主要由三部分組成：流體靜力學、流體運動學和流體動力學。“水污染控制工程”是關于控制水體污染途徑以及各種廢水處理方法（包括物理處理方法、化學處理方法、生物處理方法等）的基本理論、工作原理及設計計算的一門科學。“工程流體力學”是環境工程專業的重要技術基礎課，“水污染控制工程”是環境工程專業的核心專業課，這兩門課程在環境工程專業本科教學中有著舉足輕重的作用，同時兩者之間也存在著重要的相互理論關系。

“工程流體力學”是水利、環境、能源、土木、機械、動力等學科的一門技術基礎課程，該課程的教學內容紛繁豐富，其特點是理論性和綜合性比較強，概念抽象，難于理解。“水污染控制工程”課程內容與“工程流體力學”內容結合相對比較緊密，如城市排水溝道系統、各種污水處理構筑物等的設計計算，以及在構筑物中的生化反應、化學絮凝反應中水力條件的控制等均是工程流體力學理論知識在水污染控制工程中的實際應用。目前，在環境工程專業教學方面，“工程流體力學”和“水污染控制工程”課程正面臨著比較尷尬的局面：一方面課程內容趨于復雜和廣泛；另一方面在課時量逐漸壓縮的情況下，“工程流體力學”和“水污染控制工程”教學內容沒有起到應有的相互銜接，教學內容彼此脫離。由此形成環境工程專業“工程流體力學”教學內容與專業課銜接不夠，在教學過程中學生感到內容枯燥，概念抽象；而在“水污染控制工程”教學過程中，學生感到工程流體力學基礎理論知識不扎實，不能夠熟練應用工程流體力學基礎理論解決水污染控制工程方面的實際問題。

針對目前環境工程專業課程設置及教學內容的狀況，本文從教學內容、教學模式、師資配置、考核方式四個方面提出“工程流體力學”與“水污染控制工程”教學改革，提高教學質量，培養學生綜合能力。

一、改革教學內容

對“工程流體力學”教學內容進行改革，結合環境工程專業特點，重構環境工程專業的“工程流體力學”課程，對該課程中的主要內容進行優化設計，緊密結合后續專業課“水污染控制工程”的內容進行改編，為“水污染控制工程”的講授奠定基礎理論知識。“工程流體力學”教學內容主要包括理論教學和實踐性教學兩部分，其中在理論教學內容部分，如“工程流體力學”中涉及到的流體粘滯性、流體內摩擦定律等內容，結合水污染控制工程的斜板斜管沉淀池中水的流態所需要的雷諾數內容為實例進行教學內容改革；“流體靜力學”中絕對壓強、相對壓強、真空度等概念、理論在水污染控制工程中虹吸濾池、脈沖澄清池以及沉淀池、污泥濃縮池重力式排泥所需要的靜水頭壓力等實際工程中的應用為實例進行教學內容改革；流體運動學中基本理論對“水污染控制工程”中的數學模式的建立為實例進行教學內容改革；“流體動力學”中壓力損失理論在水污染控制工程中的水力計算，水射器理論在水污染控制工程中的計量作用、加藥作用、射流曝氣作用為實例進行教學內容改革等。其次，“工程流體力學”實踐性教學內容部分，改革傳統的實驗教學內容，除驗證性實驗之外，增加工程應用性實驗，如文丘里流量計、三角堰流量計、巴氏計量槽、畢托管測速儀、虹吸管、孔口與管嘴的工程應用等內容，既加強了動手操作能力，也培養了學生將基礎理論知識轉化為現實生產力的綜合分析與應用能力，不僅使教學內容豐富，也提高了學生學習的熱情和積極性。

對“水污染控制工程”教學內容進行改革包括理論教學內容改革和實踐性教學內容改革，強調“工程流體力學”基礎理論知識在水污染控制工程中的應用。在理論教學內容方面，“水污染控制工程”中的污水溝道系統水力計算、水處理構筑物中水力參數的確定、污水在構筑物中的最佳流態、各水處理構筑物之間高程布置、混合反應池中攪拌強度的確定、過濾池中配水系統的設計及其濾速確定等一系列涉及工程流體力學問題的相關內容進行必要教學改革，加強學生對“工程流體力學”基礎理論知識在水污染控制工程中的工程應用有一個更清晰的認識，理解“工程流體力學”基礎理論知識在水污染控制工程中的重要性，使學生既掌握了“水污染控制工程”應用設計方法、設計原則、計算方法等知識，也加強了學生對“工程流體力學”基礎知識在水污染控制實際工程的應用。在實踐性教學內容方面，加強工程性應用實驗教學內容，從不同的工業企業和居民生活區采集不同的廢水水樣，根據化驗所得廢水水質，確定所采用的處理技術和處理工藝，并通過實驗驗證在各種廢水處理工藝中所選擇的工程流體力學水力參數，基于“工程流體力學”基礎理論知識分析廢水處理工藝水力參數的合理性。

二、改革教學模式

“工程流體力學”特點是理論性、綜合性、系統性較強，概念抽象、邏輯結構嚴謹。目前傳統的教學模式基本上是教師講、學生聽，“授—受”型單一模式，盡管在學的過程中采用了多種形式的多媒體教學方式，但仍沒有改變學生在學習過程中的被動地位，學生缺乏主動性和實踐性。改革傳統教學模式，實施探究式、啟發式、開放式的創新教學模式，結合水污染控制工程中的實際問題，以工程實例為背景，應用工程流體力學基礎知識解決實際工程問題，誘導學生積極思考，在教學過程中形成教學互動，調動學生學習的主動性和參與性。根據教學內容性質，“工程流體力學”教學內容可以分為基礎理論和實際工程應用兩個部分。在流體靜力學、流體運動學和流體動力學三個基礎理論部分，采用形象化的多媒體演示、軟件模擬、小型實驗相結合探究式、啟發式教學模式，鼓勵學生課堂討論；在實際工程應用教學部分，如孔口管嘴、有壓管流和明渠流部分，以水污染控制工程中的工程實例為背景，采用適量的實際工程圖片，豐富教學信息量，刺激學生的感官，激發學生的學習興趣，拓寬學生的思路，開闊學生的視野，可以使枯燥、乏味的內容變得趣味盎然，使抽象、晦澀的內容變得直觀生動。

“水污染控制工程”特點是實踐性、工程應用性強，因為不同的廢水水質達到處理要求所采用的處理技術、處理工藝不同；即便相同的廢水水質，如果污水量不同，所采用的處理工藝也不同；一個廢水處理工程，即廢水水質、水量數據相同，也可以采用不同的處理技術和處理工藝，工程流體力學參數的選擇是確定不同廢水處理技術、工藝的主要影響因素之一。因此，在“水污染控制工程”的教學過程中，改革傳統教學模式，實施探究式、啟發式、開放式的實踐教學模式，以工程實例為背景，通過開放性的實踐性實驗正確選擇工程流體力學參數，并通過實驗研究對參數的選擇、廢水處理效果等進行科學驗證。通過工程實例和實踐性教學改革，使學生既對廢水處理工程設計過程有一個清晰的思路，又能達到舉一反三的效果。

三、優化師資配置

師資隊伍優化，一靠資源，二靠制度，師資隊伍優化也是一個相對的漸進過程，優化的標準和措施與所處時代、社會背景及其自身所處發展階段和學科特色有關。環境工程專業特點要求師資隊伍結構合理、質量可靠。“工程流體力學”與“水污染控制工程”是本專業的主要技術基礎課和主干專業課，兩門課程在講授過程中存在著千絲萬縷的必然聯系，這就對師資配置和師資隊伍建設提出了更高的要求。首先，建立高質量的師資隊伍，定期或不定期對教師進行專業培訓和實踐工程訓練，要求講授“工程流體力學”和“水污染控制工程”兩門課程的教師對兩個學科均有一定的研究，或者承擔一定量研究科研工作，洞悉當前“工程流體力學”和“水污染控制工程”發展的最新前沿理論和技術；其次，在師資配置方面，要求講授“工程流體力學”的教師對“水污染控制工程”有一定的研究或承擔相關科研項目，講授“水污染控制工程”的教師對“工程流體力學”有扎實的理論研究或承擔相關的科研項目；第三，建立教師研討會制度，講授“工程流體力學”的和講授“水污染控制工程”的教師定期或不定期舉行教學研討會，避免兩門課程的講授內容出現彼此分裂現象。如果在師資配置中，講授“工程流體力學”的教師畢業于力學專業，即使講授“工程流體力學”的教師對力學有很高的造詣，對該門課程的講授有聲有色，但如果該教師對環境工程專業“水污染控制工程”專業理論知識或實踐工程知之甚少，那么在教學過程中，必然不能夠將“工程流體力學”與“水污染控制工程”教學內容相結合，對環境工程專業學生來說，這樣的師資配置，必定不是最優化的師資配置。

四、改革考核方式

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關鍵詞：熱能與動力工程；節能減排；改革；創新；CFD課程

作者簡介：張光學（1982-），男，浙江湖州人，中國計量學院能源工程研究所，副教授；王進卿（1985- ），男，浙江義烏人，中國計量學院能源工程研究所，實驗師。（浙江 杭州 310018）

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）06-0037-02

目前，世界能源消耗量巨大，主要耗能方式仍是來自于煤、石油和天然氣的燃燒，這些化石燃料在利用過程中產生了大量的污染物，如煙塵、二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物，[1-2]嚴重影響了人們的正常生活，甚至威脅著人類的生存與發展。為應對日益嚴重的環境問題，我國大力推廣節能減排政策。作為高校，為培養適合新形勢下的專業型技術人才，在教學環節中也要對教學方法和內容有所調整。

現今傳統的能源消耗形式已逐步向清潔能源（風能、太陽能、潮汐能、水能等）方向發展，[3]雖然所占比例還比較低，不過對于緩解嚴重的環境壓力而言將發揮積極性的作用。熱能專業與能源的綜合利用息息相關，在教學環節中，應對已有的教材內容加以篩選，對于一些落后于時展的方法與技術，不再重點講解，而對于一些新技術與新方法在教學中要重點闡述。把當前的熱點技術提升到理論高度，使學生在未來的科學研究或是工作中找準方向。

在教學改革實施過程中，我們將新型能源的發展趨勢及特點加到教學任務當中，并對CFD軟件在本專業的應用價值及前景進行了探討，開設了CFD相關課程。本文中，筆者分析了現行課程教學中存在的問題，并對教學改革的經驗進行總結和系統介紹。

一 、現行教學工作存在的問題

1.教材內容與時代背景互不銜接

熱能與動力工程專業的教材種類繁多，且現行教材內容中所涵蓋的方法及技術大多是已有的陳舊理論，同時教材中的相關章節落后于時代背景，沒有對當前的新技術、新方法加以系統性的介紹。這樣的后果是，學生的思維方式還停留在陳舊的方法體系當中，不能對本專業的發展趨勢有明確的判斷，學生今后的研究及工作產生知識脫節，進而也對本專業的發展產生不利影響。

2.缺乏對新型教學方法的探索

目前的教學方式還基本以課堂講授為主，并結合一定課時的實驗內容。實驗也是以仿真平臺實現及外加一定的動手環節。但該過程避免不了存在著課時上的沖突，以致課堂教學與實踐教學之間不能統調，造成了理論知識與實踐內容相結合時的不契合，且教學過程中師生間缺乏互動。

3.教學內容與節能減排政策相脫離

當今環境保護問題已經提上了人們的日事議程，然而在教學內容上，還是圍繞著以如何產能及能效問題為主，雖然在部分章節上對污染物控制策略加以闡述，但內容片面，所涵蓋的信息量有限，也未能把教學內容與節能減排政策相結合；且教學時也沒有在充分保證教學質量的前提下，探討如何節約授課成本。

4.對新型清潔能源的教學內容不足

現在所教授的熱能專業課程主要是以煤、石油、天然氣為主的利用方式。而這些燃料在燃燒過程中產生了嚴重的環境污染問題，不符合當前節能減排形勢。授課時也沒有對新型清潔能源加以系統的講解。且現今為止，對新型能源課程的側重點不夠，據調查其他很多高校也沒有開設相關課程。

二、教學工作的改革與創新

針對上述存在的教學問題，筆者從教材內容的選取、實踐環節的完善及如何培養學生自主研究能力等相關環節進行了以下探索。

1.明確教學目標、優化教學內容

為應對當前教材內容的固化，在教學過程中，對于一些需要重點掌握的內容不斷深化，不但要讓廣大學生從根本上了解其基本原理及相應機制，還通過制作物理模型，或是制作相應的動畫、短片來模擬其工作進程，使學生從固定形式的書本內容過渡到生動鮮明的動態模型中，從而加深對理論知識的理解，同時對這些理論知識的應用范圍進行闡述，如卡諾循環在熱機上應用等。在每課時后都會布置相應的課后內容，這其中包括課后習題的計算，對書本上存在的重點、難點問題，通過網上搜索、到圖書館查閱資料等方式進行知識的梳理，使學生的知識體系得到全面的升華。

科技是不斷進步的，本專業的發展也應與時俱進。為彌補書本中存在的知識點不完善問題，在其中加入時代背景下的新技術。例如，現行的熱能教材中，所講解產能方式都以燃煤、燃氣為主，其中沒有或是很少涉及到新型能源的相關方面。然而，隨著國家節能減排政策的不斷深化，在建設節約型社會的引領下，為適應時代的發展趨勢，也本著更好地建設熱能與動力工程專業的發展要求，教學時增加對風能及太陽能等清潔能源的利用及特點的系統性講解，并結合相關的應用實例。

2.教學手段

在教學過程中，無論是課堂教學還是實踐教學，在原有的教學模式上進行改進工作。授課過程不再是教師獨自完成教學任務，而是采用啟發互動式的教學方法。旨在使學生間、教師與學生間產生良性互動，形成一種探討式的教學理念，使彼此的觀點相互碰撞，產生共鳴，從而激發學生的創造性思維。

本著培養學生的自我學習能力，同時也為了擴寬學生的知識結構，在“能源與環境系統工程概論”授課中期，安排學生對本專業的相關理論在工程實際中的應用進行案例介紹，實施過程主要是通過制作PPT的形式，在課堂上每位學生進行10分鐘的講解。講解結束，臺下學生可根據自己的想法提出相應問題，之后講解者進行解答。通過這樣的方式，每個學生都可以參與其中，如此也進一步彌補了實踐課程不足所造成的知識體系不全面。

3.CFD課程的開設

CFD技術是建立在經典流體動力學與數值計算方法基礎上的一門新型的獨立學科，[4]它兼有理論性和實踐性的雙重特點，是與計算機技術的發展緊密相連的。

通過實驗的方法所測得的數據真實可信。然而實驗時，往往會受到模型尺寸、流場擾動、人身安全和測量精確度等方面的限制，有時很難通過實驗的方法得到滿意的結果。此外，實驗時還會有經費的投入、人力和物力的消耗及實驗周期長的問題，定會造成能源的浪費現象。而CFD技術在一臺計算機上完成相關運算，是用模擬的方法完成相同的實驗內容，通過數值模擬再現實際場景。

在教學改革中，正是考慮到CFD計算精確、能耗小、實踐性強的特點，在本專業開設了“CFD工程軟件及應用”課程。選取的教材為王福軍編著的《計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用》（清華大學出版社），該教材實用性強、重點突出、易學易懂。本課程在教學任務共計32個學時，每講授1個課時，預留給學生1個計算實例，培養其動手能力。為防止互相抄襲現象，每位學生的計算案例皆不相同。由于本軟件具有理論性與實踐性的優點，學生不僅對理論知識進行了梳理，實踐能力也得到了加強，補充了實驗課程少所帶來的不利影響。

CFD課程的開設在一定方面也與我國所提出的節能減排政策相契合，這樣的授課特點既減少了課程開支，也保證了教學質量。

4.污染物控制教學與節能減排形勢相結合

在世界范圍內，環境保護已成為熱點話題，而電站燃煤是造成環境問題的罪魁禍首。圍繞著環保，產生了各種燃煙型控制技術，這其中包括煤的凈化技術、煤的先進燃燒技術、燃煤煙氣凈化技術及潔凈煤發電新技術。

在過去的一段時間內大氣污染的重點控制對象為硫氧化物及碳氧化物，而現今的重點控制對象已變為氮氧化物。為此，在對學生授課時，對污染物控制技術應深入介紹，同時也要對我國排放標準與國際排放標準進行比較，讓學生對相關政策有一定的了解。例如，授課時對脫硝裝置進行系統的介紹，使學生知道當前的脫硝技術有哪些、國際上的氮氧化物排放標準如何。

5.社會實踐環節

熱能與動力工程專業是一個實踐性很強的學科，很多的理論知識都需要通過實踐的方式去領會與消化。因此，實踐教學是提高學生對知識全面掌握程度的必備環節。

實踐環節主要是以當前污染物控制相關內容為主，在提前與電廠溝通的前提下，且在電廠檢修期間，帶領學生現場教學，同時要充分注意學生安全問題。由于時間限制，主要對除塵系統、煙氣排放系統、脫硫島及脫硝島進行參觀及學習。在現場時，學生對于不懂的問題，由教師或電廠的運行人員進行答疑解惑。

同時，鼓勵學生參加相關的節能減排大賽。充分發揮學生的創造力與想象力，在其過程中，教師給予一定的指導工作。通過實踐環節，使每個學生對本專業有整體上的認識，為今后的研究與工作打下堅實的基礎。

三、結語

在節能減排的時代背景下，針對熱能專業的特點，對有利于本學科發展的教學工作完善問題進行了有益的探討。具體內容包括：教學內容上對清潔新型能源的重點介紹、理論性與實踐性完備的CFD課程的開設、為應對污染物控制問題的控制策略。通過這些改革與創新方法的嘗試，在教學上取得了令人滿意的成績。學生的學習能動性有所提高，對知識的理解得以深入，且本專業就業趨勢明朗，就業單位對學生評價較高，從而證實了該教學改革與創新工作的實施是成功的，達到了最初的教學目標。

參考文獻：

[1]郝吉明，王書肖.燃煤SO2控制技術手冊[M].北京：化學工業出版社，2001.

[2]牛云翥，牛叔文，張馨，趙春升.家庭能源消費與節能減排的政策選擇[J].中國軟科學，2013，（5）.

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關鍵詞：潔凈室計算流體動力學風機過濾器單元滿布率節能

1引言

潔凈室空調系統經典的方案是采用中央空調和三級過濾器集中送風，通過大型風道將已經處理的空氣送至過濾器的接聯管道，然后經高效空氣過濾器（HEPAFilter）或者超高效空氣過濾器（ULPAFilter）送到潔凈室。而另一種方案是采用室內循環風就地冷卻，利用干冷卻盤管解決新風不能提供全部冷負荷的問題，同時利用風機過濾器單元來進行空氣循環。每種方式各有一定的適用范圍，風機過濾器單元（FFU）因其靈活性大,即可通過置換盲板來提高局部區域的潔凈度、占用空間較少等優點得到越來越多的應用，尤其適合于舊廠房的改造及技術更新較快的工程。雖然FFU系統成本較高，而從綜合投資角度，分析認為采用FFU方式在末端過濾器鋪設率為25%－30%時較為有利【1】。

ISO5級（百級）潔凈室屬于潔凈室用暖通空調系統耗能大戶，通常采用吊頂滿布高效過濾器的送風方式，運行能耗較大。有關潔凈室運行費用的文獻指出，在某些歐洲國家，能源消耗的費用已占潔凈室運行、維護年度總費用的65%～75%【2】，其主要影響因素是潔凈室的空氣流量和采暖通風空調系統如何有效地向潔凈室分布經過凈化和溫濕度調節的空氣，所以在保證潔凈污染控制的條件下，合理選擇送風速度，布置末端過濾器、回風口、減少送風量以便節能是人們關注的焦點。

另外國外對一些ISO5級潔凈室實測數據表明，大部分換氣次數遠低于建議的下限值【2】，而在設計中存在系統風量過大的傾向，這可能與對氣流缺乏了解，擔心系統運行可靠性的保守思想有關，說明提高節省能源的機會確實存在。隨著計算流體動力學（CFD）技術自身的發展，已廣泛應用于暖通空調和潔凈室等工程領域，通過計算機求解流體所遵循的控制方程，可以獲得流動區域的流速、溫度、濃度等物理量的詳細分布情況，是一種較好的優化設計工具。其優勢在于利用CFD技術對設計方案進行模擬可以在施工前發現失誤并及時更正，避免經濟損失；可以迅速發現提高系統運行效率的可能性；另外，通過模擬可以得到一系列運行的備選方案，以便在尋找最經濟方案時有所依據。

本文利用CFD軟件，對擬采用FFU凈化空調系統的某微電子潔凈廠房的ISO5級潔凈室進行計算機模擬，通過幾個設計方案相比較，利用所得到的速度場，分析評價其性能，利用理論計算驗證其平衡態的潔凈度，并提出一些應用中的注意事項，為實際工程應用提供參考。

2數值模擬及分析

2.1數學模型

從流動的雷諾數Re來考慮，潔凈室的氣流均為紊流【3】，空氣的流動滿足連續性方程，動量方程和能量方程。對于工程問題，我們不需要關心紊流的精細結構及其瞬時變化，而只關心紊流隨機變量的有關平均值，因此，本文采用數值計算三類方法中雷諾時均方程中的紊流粘性系數法，流動模型采用暖通空調廣泛采用的標準k-ε二方程模型，k-ε模型通過求解紊流動能與紊流動能耗散率的輸運方程得到紊流粘性系數。

控制方程的通用形式為【4】：

式中：ρ為空氣密度(kg/m3)，V為氣流速度矢量(m/s)，Γφ，eff為有效擴散系數(kg/ms)，Sφ是源項，Φ代表1，u,v,w,k,ε中的一項，u,v,w為三個方向的速度分量(m/s)，k為紊流動能(m2/s2)，ε為紊流動能耗散率(m2/s3)，Φ=1時通用方程變為連續性方程。

邊界條件：墻體邊界設為無滑移邊界條件。送風邊界條件，送風速度取過濾器面風速平均值，速度方向豎直向下。回風邊界條件，回風口滿足充分發展段紊流出口模型。由于室內熱負荷較小，不考慮溫度浮升效應對氣流的影響。采用混合迎風差分格式對偏微分方程進行離散，基于有限容積法的SIMPLEST算法進行求解。

2.2物理模型及計算結果分析

方案一將風機過濾器單元（規格為1.2m×1.2m）成條型居中布置于天花板，滿布比在25%，回風采用全地面均勻散布穿孔板作為回風口。物理模型平面圖如圖1。經模擬計算得到氣流流場示于圖3，由于送風口在Y方向呈對稱布置，圖中只給出一半流場。從圖中可見，在送風口下方流線垂直向下，流線平行較好，而在送風口至墻體范圍內有較大的渦流區，則主流區范圍減少，不能使全室工作區達到較高級別。同時粒子也會被卷吸進入主流區，排除污染物的路徑增長，增加污染的可能性。

圖1FFU布置平面示意圖（條型）圖2FFU布置平面示意圖（均勻）

圖3FFU條型布置YZ截面流場圖

圖4FFU均勻布置YZ截面流場圖

方案二將FFU（規格為1.2m×1.2m）散布于天花板，滿布比仍為25%，過濾器面風速在0.45m/s，回風采用全地面均勻散布高架格柵地板作為回風口。物理模型平面示意圖如圖2，氣流流場分布如圖4。模擬計算顯示，對于均勻布置FFU方案，工作區1.2m及0.8m高度斷面平均風速分別為0.1545m/s、0.1516m/s，可見散布末端過濾器送風口可以減小速度的衰減。雖然在送風口之間上部存在反向氣流，形成小的渦流區，但在工作區0.8m－1.2m范圍內已形成豎直向下的流線，時均流線平行較好，由于此潔凈室產熱量較小，熱氣流對流線影響可忽略，不會產生逆向污染，因此上部的渦流不會對主流區產生影響。空氣中的微粒在重力、慣性和擴散三種作用力下運動速度和位移是微小的，直徑在1μm時，微粒跟隨氣流運動的速度和氣流速度相差不會大于10－3【3】。此設計中新風處理機組設三級過濾器，FFU中過濾器為U15≥99.9995%＠MPPS，直徑＞1μm的微粒可視為零，因此，工作區產生的微粒能完全跟隨氣流一起運動，直接排出潔凈室。

當進一步減小滿布比時模擬計算可知，除送風口正下方—定區域外，其余部分已根本不能保證氣流接近垂直向下，過濾器之間存在一個從天花板到地面貫通的巨大渦流區，污染物極易被卷吸進入渦流區內而不易排出。

經過模擬計算及分析，我們認為在送風口滿布比為25%，均勻分布FFU，采用全地面均勻散布穿孔板回風，過濾器面風速在0.45m/s，相應換氣次數為147次/小時，由于FFU可達到較大的送風面風速，以及均勻散布穿孔地板回風口的均流作用，因為如果采用側墻下側回風，就會在潔凈室中間下部區域形成較大的渦流三角區【5】，因此，潔凈室內能夠形成比較合理的氣流流形，在主流區內能形成基本垂直向下的流線，但在靠近四周墻壁處，由于形成受限射流，出現渦旋，因此在布置設備時，應避免將設備靠墻壁布置，而應留有一定距離，這是潔凈室施工完畢，開始投入使用時應加以注意的。另外，此設計中雖然不能形成如傳統滿布高效過濾器送風口而形成的全室平行氣流，但美國標準IES－RP－CC012.1【6】中已認為ISO5級潔凈室也可采用非單向流流型或混合流型。

3理論計算潔凈度

潔凈室的潔凈度級別由通風系統和室內污染源所決定。可以通過數學公式對其進行計算。根據粒子平衡理論，進入潔凈室的粒子有室外新風帶入、循環空氣帶入及室內污染源。對于電子廠房室內污染源主要是工作人員的產塵，而設備產塵很小可忽略不計。從潔凈室排出的粒子有回風帶出及由于室內正壓而滲出的粒子。可得如下方程【7】：

達到平衡狀態時，濃度方程變為：

其中

以上式中：Q，送風量，m3/sq，滲出的空氣量，m3/s；V，潔凈室的容積，m3；x，循環風的比例，此處為1；c，潔凈室的濃度，粒/m3；c0，潔凈室的初始濃度，粒/m3；c∞，潔凈室的平衡濃度，粒/m3；c1，滲出空氣的濃度，粒/m3；cout，室外新風的濃度，粒/m3；t，時間；ηout，新風過濾器效率；ηrec，回風過濾器效率；S，室內污染源，粒/秒；ε,通風效率。

新風預過濾器為F5（η＝55%），中效過濾器為F9（η＝95%），高效過濾器為H12（η＝99.5%），FFU中過濾器為U15（η≥99.9995%＠MPPS）；新風含塵濃度天津地區取為3×107粒/m3(≥0.5μm)；身著潔凈服的工作人員走動時的產塵量為1×104粒/秒·人(≥0.5μm)；設同時有3人在工作；通風效率取為90%；新風比為4.42%。計算得出此設計的潔凈室穩定含塵濃度為2857粒/m3（即81粒/ft3），達到ISO5級100粒/ft3的設計要求。

4結論

通過本文的研究可得到如下結論：

1）針對電子廠房潔凈室發塵量較低，室內人員較少，熱負荷較小的情況，通過選擇級別較高的過濾器，合理布置末端高效過濾器的位置，回風方式后，即使設計的室內換氣次數、斷面平均風速低于規范建議的下限值，仍可有效地濾除粒子，滿足空氣潔凈度要求。

2）CFD是一種較好的優化設計工具，結合工程實際情況，借助模擬工具進行輔助設計是必然趨勢。

參考文獻

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一、引言

近年來我國水泥工業取得了較大的發展，但在熱耗、電耗、污染物排放等方面同國際先進水平仍存在一定差距，有很大的潛力可挖。預分解系統是實現節能、降耗、減少污染物排放的關鍵設備，因此開展預分解系統的研究不僅能促進我國水泥技術的發展，增強我國水泥技術的國際競爭力，而且對實現我國水泥工業節能、降耗、清潔生產發展目標也具有重要的現實意義。

本文的項目以5 000t/d預分解系統為研究對象，來源于國家科技部“十一五”科技支撐計劃重大項目：“綠色制造工藝與裝備”的“高性能水泥綠色制造工藝和裝備”課題及后續研究。結合流體動力學基本原理，采用Fluent軟件模擬旋風筒、分解爐內的氣流速度場、溫度場、顆粒濃度場及氣體組分場等分布狀況，對了解和掌握煤粉在分解爐爐內燃燒過程及其規律，為水泥工業熱工設備的設計、燃燒裝置的正常運行和控制燃燒過程提供理論基礎和實踐指導意義。由于篇幅限制，本文僅以分解爐（含鵝頸管）部分為代表介紹數值模擬在設備開發研究中的應用，對項目研究成果――HF5000高能效預分解系統在示范線上的使用情況做以闡述。

二、5 000t/d分解爐的數值模擬

分解爐是預分解窯的關鍵設備，具有燃料燃燒、氣固換熱和碳酸鹽分解等多種功能，是一個非常復雜的氣固反應器、換熱器和輸送器，必須使風、煤、料在爐內混合分布均勻，煤粉才能迅速燃燒，從而使放出的熱量及時被生料吸收用于CaCO3分解。所以清楚地了解和分析爐內物料運動、煤粉燃燒與碳酸鈣分解，對優化分解爐內燃燒過程、提高生料分解率，進而研究其結構優化具有重要的理論價值與實際意義。

1.分解爐的模型建立

該部分由爐體、爐腔及上下錐體、鵝頸管組成。在下錐體左側部三次風旋轉進入分解爐，三次風管邊部及對面各設有一個燃料噴嘴，在下錐體上部兩側設有物料喂入裝置。其幾何模型與實體結構如圖1所示，其幾何尺寸如表1。

2.計算區域與網格的生成

網格的生成在流場數值模擬中屬于前處理過程。模型的網格劃分是進行數值計算的前提，也是關鍵的一步。網格質量的好壞，不僅會影響計算結果的精度，對模擬結果與真實情況的吻合程度也有較大影響。針對預分解系統的結構特點，本文在研究過程中劃分網格時，采用T-Grid網格技術方法生成網格，如圖2所示。

3.數學模型

假設分解爐內流體的流動為穩態湍流流動，窯尾煙氣入口處與三次風進口處初始速度皆為均勻分布，顆粒間相互碰撞僅考慮重力和阻力。氣體流動采用重整化群（RNG）的κ-ε模型，燃料燃燒及碳酸鈣分解采用有限速率/渦耗散模型，輻射傳熱模型采用DO模型。其三維流動的控制方程可寫成如下統一形式：

（1）

當φ=1時為連續性方程，S φ是由氣相引起的源項或匯項，S ρφ是由固體顆粒引起的源項。

燃料顆粒作為離散相，在拉格朗日（Lagrangian）坐標系中描述，同時考慮它與氣相之間的質量、動量和能量交換作用。顆粒的運動方程可表示為：

（2）

方程2的右邊依次為氣相阻力、重力（包括浮力）和其他作用力。

燃燒顆粒的能量方程為：

（3）

式中，右邊依次為對流傳熱、輻射傳熱、熱解揮發分析出熱和反應放熱；其中m ρ為顆粒的質量，C ρ為顆粒的比熱，T ρ為顆粒的溫度，h 為對流換熱系數，A ρ為顆粒表面積，T ∞為氣相溫度，ε ρ為顆粒的發射率，σ 為波爾茲曼常數，θ R為輻射溫度，I 是輻射強度，h f為汽化潛熱，?h份額常數，H reac為表面反應釋放的熱量。

4.初始、邊界條件及計算方法

為了使流動過程與方程組能夠用數值方法求解，必須給定相應的邊界條件和初始條件，并且

初始條件和邊界條件給定合理與否將直接影響方程組解的收斂性和正確性。

分解爐各入口邊界與出口邊界條件如表2，固體壁面邊界采用標準壁面函數，無滑移邊界，壁面粗糙度為0.5。煤粉（取自示范線）的成分分析如表3。

對于所有相的控制方程采用控制容積法進行離散，離散方程組的速度與壓力的耦合采用SIMPLE（Semi-Impilict Method for Pressure-Linked Equation即半隱式壓力相關方程解法）算法，該方法優點是可以直接求出壓力場和速度場，收斂性好。所有方程都采用二階迎風差分格式，低松馳算法聯合求解。收斂標準能量耗散項為10-6，其他各項為10-3。

5.數值模擬結果分析

通過上面的建模、網格劃分、定義邊界條件和計算，可以得出分解爐內的速度場、溫度場、氣體組分布和顆粒運動軌跡等信息。如圖3～圖5為分解爐Y =0的截面上速度分布填充圖、溫度填充圖及氣體質量分數分布圖，圖6給出了分解爐內顆粒運動軌跡圖。

通過對分解爐數值模擬的研究應用，全面分析了分解爐內部的氣固兩相流場，對模擬結果進行了詳細分析計算，為進一步研究提供了依據。從數值計算結果可以發現如下結論。

（1）從速度分布可以看出，窯氣從窯內噴騰而入，具有明顯的噴射流特征，三次風切向而入與噴射而入的窯氣在窯爐錐體部形成疊加的強流場。在三次風入口處有強的旋流運動，且靠近三次風管一面比另一面有強的速度場。由于三次風的作用在靠近分解爐的錐體處出現負的速度分布，說明有下降氣流出現，即有環狀立渦，這些速度的變化都將有利于增加物料停留時間、提高換熱效率和碳酸鹽的分解率，增加分解爐容積利用率。

（2）從運動軌跡模擬看出符合旋流噴騰的設計要求。

（3）通過溫度分布看出分解爐內溫度區域分布均勻合理，在下錐體部分有局部高溫利于燃料的及時燃燒，爐膛溫度分布符合噴旋分解爐燃燒的規律。

（4）通過氣體組分模擬結果可發現，三次風、煤粉的進入點的布置合理，三次風進入方式符合要求，分解爐內的燃燒非常完全。

三、示范線運行情況

通過數值模擬與實際相結合的方法，圓滿完成設計要求，取得了豐碩成果――HF5000高能效預分解系統經在寶雞市眾喜金陵河水泥有限公司使用，運行良好。

經國家建筑材料工業水泥能效環保評價檢驗檢測中心標定，主要運行指標如下：燒成系統熟料產量5 816t/d，燒成熱耗2 939.77k j/k g-c l，1#筒出口溫度280℃；三次風溫度1080℃，出冷卻機熟料溫度93℃，冷卻機熱回收效率76.18%，單位熟料冷卻風量1.8238N?m3/k g-c l；燃燒器一次風量7%，火焰熱力強度高，調節靈活，對煤質的適應能力強。表4和表5分別給出了國內5 000t/d生產線運行指標（平均）、新型干法生產線生產水平比較。通過以上參數比較可以看出該系統各項技術指標均居國內同類型生產線領先水平。圖7為示范線中央控制系統。

四、總結與展望

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【關鍵詞】離心壓縮機；設計方法；開發

0.前言

在石油、天然氣和煤化工等行業的工藝流程中，離心壓縮機起著核心、關鍵設各的作用。隨著生產規模的不斷擴大，能耗和環保問題日益尖銳，對離心壓縮機性能的要求也愈加苛刻，這一問題己經受到汽輪機機械行業工作者的普遍關注。

隨著計算方法的不斷改進和計算流體動力學軟件的迅速發展和應用，離心壓縮機專業領域取得了許多可喜的成果，然而由于氣體流動的復雜性，在這一領域仍有許多難題需要專業工作者進行長期的探索。就離心壓縮機的設計而言，需要有嚴謹的理論支持和現金的計算手段，更重要的是需要大量的試驗數據和時間經驗的支持，更重要的是需要大量試驗數據和實踐經驗的支持。本文將結合作者多年來的設計經驗及相關資料，對離心壓縮機的設計進行簡單地總結，并提出一些設想。

1.離心壓縮機的設計方法

離心式壓縮機設計的基礎就是離心壓縮機基本原理和設計的經驗。在工程應用中其主要的設計方法有三種：效率法、模化法和流道法。

效率發是根據已有的設計經驗和類似的壓縮機產品，預先給定級效率，然后按照經驗數據選取級的主要幾何參數和各個單元件的形式，設計出壓縮機的流道幾何尺寸，其缺點是用級的平均多變效率代替各部件的效率，不能反映各部件的真實情況。

流道法則是以級中各元件的試驗為基礎，用已有基本元件性能經過換算去匹配新的元件來設計壓縮機的流道。這種方法需要大量的元件的試驗數據，目前由于缺乏完整的各種典型級和元件匹配性的試驗數據而較少采用。

模化設計方法包括整機模化設計和按照基本級匹配的設計，它們都是以相似理論為基礎的幾何形狀和流體動力方面的相似模化。由于采用的模型機器或基本級是經過試驗驗證的，所以模化設計的新機器性能是最可靠的。在模化設計中，按基本級匹配的方法可組合出各種性能的機器，具有很大的靈活性，因此所有的離心壓縮機公司大多采用這種方法并且都擁有相當規模的基本級供設計選用，同時也促進了系列化設計的產生。由于系列化的設計，產品的制造周期明顯縮短，節約了成本，保證了質量，得到了所有壓縮機成產廠家的普遍推崇。

1.1效率法設計

盡管效率法由于太隨機而逐漸被淘汰，但是它卻是級設計的最基礎的方法，特別是在基本級比較缺乏時仍在采用。

利用效率法設計產品，不僅要正確選擇主要的結構參數和氣流參數，而且要合理設計葉片型線。同時考慮葉輪作為離心壓縮機的關鍵部件設計同諸多因素有關。

1.2模化設計

壓縮機的實際設計中得到了廣泛的應用，下面就對以基本級為基礎的模化設計進行介紹。利用基本級進行模化設計的前提必須擁有性能可靠，適用流量范圍寬的系列基本級。

2.離心壓縮機和離心鼓風機設計的區別

離心鼓風機由于壓力較低，可壓縮性，附面層等的影響沒有離心壓縮機那么顯著，所以其基本級的設計比壓縮機要簡單，特別是在出口壓力較低時，可只改變葉片的型線而不改變葉輪的出口寬度來達到要求。

目前我公司同海巴公司合作開發的低速風機就是如此，當Qj=380～750時，風機可用相同的b2， 所以其系列化較壓縮機要容易些. 而離心壓縮機中流動復雜， 各種損失多， 各級的流動狀況差異大， 所以需要不同的基本級進行匹配才能滿足要求。

3.開發離心基本級，提高離心壓縮機設計水平

基本級性能的優劣直接影響壓縮機的性能。縱觀系列化程度較高的各壓縮機公司，無不在基本級的設計和試驗上進行大量的投入。再者隨著競爭的不斷激烈，用戶對產品可靠的性能和較短的供貨周期更加關注。這樣就更促使了設計廠家進行系列化設計，利用基本級進行模化設計就成為必然。所以，離心壓縮機企業的設計水平很大程度上取決于基本級的設計水平。

在基本級的開發上，氣動設計應注重每個元件的基本氣動過程，其中包括：氣體蝸室、葉輪、葉輪與擴壓器無葉空間、擴壓器回流室、密封等并考慮各元件中基本流動現象；基本核流效應；二次流現象；間隙效應；盤摩擦效應；混合過程等。同時，注重各種修正數據的積累，并運用CFD這種先進的技術工具進行分析，盡量縮短開發的周期。

目前石化行業需要大量的技術含量較高的所謂高端產品，這些產品設計難度大，性能指標要求高，這就需要設計的壓縮機有非常高的可靠性，就必須借助于可靠的基本級來設計。隨著基本級的不斷積累和試驗研究的深入進行，離心壓縮機的系列化設計水平將有一個很大的提高。■

【參考文獻】

[1]徐忠.離心壓縮機原理（第3版）[M].北京：機械工業出版 2011.

[2]朱報禎，郭濤.離心壓縮機[M].西安：西安交通大學出版社，2011.

[3]T.B.弗格遜.離心壓縮機的級[M].2010.

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關鍵詞：建筑風環境 CFD技術

中圖分類號：TU201 文獻標識碼：A 文章編號：

Abstract

In recent years, more and more people pay attention to building wind environment. Wind is one of the important factors constituting the outdoor environment, wind and the urban environment, the built environment has a close relationship, and urban planning, architectural design and structural design field plays a big impact. However, it is very difficult to master the wind environment, The traditional analog means consuming and laborious. In recent years, more and more of the technical staff of the various industries used CFD technology as a means of digitized analog, its irreplaceable advantages will make the building simulation technology to achieve a new leap.

Keywords: Building wind environmentCFD technology

0.引言

人、自然、建筑、城市一直是緊密相關的概念，而風與他們都有關系。近年來，“建筑的風環境”已經和“熱環境”、“聲環境”、“光環境”一樣，越來越多地引起人們的重視。風是構成環境，尤其是室外環境的重要因素之一，風和城市環境、建筑環境有著密不可分的關系，并對城市規劃、建筑設計和結構設計等領域起著很大的影響。

在城市中，風環境的特性非常復雜，它不僅依賴于建筑本身的外形、尺寸和某些建筑物的特征（如開口、通道、架空等），而且依賴于周圍建筑物的相對位置、外形及四周地形的粗糙程度。隨著建筑物的增高、布局的密集，建筑物對氣流的影響越來越難于掌握。例如高層建筑狹道內過高的風速、過急的渦流將對行人造成不舒適，甚至帶來危險；不當的建筑布局或體型易使氣流在建筑群之間形成“渦流死區”，不利空氣的流動及廢氣、熱氣的排散。

因此，在建筑設計階段就對建筑風環境作出預測和評價，以指導、優化建筑設計已顯得十分必要。而目前人們對建筑的風環境大多停留在感性認識階段。我國地域遼闊，各地區間氣候差異顯著，對建筑風環境的要求也大不相同，怎樣的建筑風環境適應何種氣候類型，需要我們做進一步的細致研究。

1.CFD介紹

目前，建筑風環境研究的主要手段是邊界層風洞試驗，當風特性的精度對建筑結構至關重要時，風洞試驗已成為必要手段。隨著計算機技術的發展，計算流體力學(CFD)已經在越來越多的領域被用于學術研究和工業實踐。與風洞試驗相比，數值模擬技術具有省時及省費用的明顯優勢，過去的幾十年中，一些研究者對單體建筑的繞流進行了數值模擬。他們的研究成果表明，采用合適的數值方法，一些復雜的流動現象是能夠較準確地被預測到的。圖1為對同一建筑模型分別做風洞模擬和數字模擬。

圖1對同一建筑模型分別做風洞和數字模擬

CFD 技術是伴隨著計算機技術、數值計算技術的發展而發展的。CFD相當于“虛擬”地在計算機做實驗，用以模擬仿真實際的流體流動情況。而其基本原理則是數值求解控制流體流動的微分方程，得出流體流動的流場在連續區域上的離散分布，從而近似模擬流體流動情況。可以認為CFD是現代模擬仿真技術的一種。CFD具有成本低、周期短、速度快、資料完備且可模擬各種不同的工況等獨特的優點，故備受青睞。

目前，CFD技術在國際上尤其是在美國等發達國家得到了廣泛的應用。常用的風環境模擬的軟件都是基于計算流體動力學（CFD）原理，使用FLUENT、PHOENICS等軟件系統為平臺，并進行專項開發的計算軟件來完成。如基于FLUENT開發的氣流模擬軟件Airpak，使用它可以方便而準確地建立通風系統的氣流、熱傳遞、污染物遷移以及熱舒適性的計算模型，可方便地進行多方案的比較模擬，并根據模擬結果尋找出最佳的設計方案。

Fluent公司是享譽全球的CFD軟件供應商和技術服務商。公司總部設在美國新漢普郡州(NewHampshire)的利巴嫩(Lebanon)，下屬機構遍及全球。自FLUENT 軟件面世以來, 以其豐富的物理模型、先進的數值方法及技術人員高質量的技術支持和服務, FLUENT 軟件很快成為CFD市場的領先者。1988年Fluent公司正式成立。Fluent公司的銷售及技術服務網絡遍及世界各地。公司的客戶涉及航空航天、旋轉機械、航海、石油化工、汽車、能源、計算機/ 電子、材料、冶金、生物、醫藥等領域。Fluent公司與許多具有領先地位的硬件和軟件廠商保持著密切的合作伙伴關系。這些合作關系可以保證Fluent軟件及時地應用最新的研究成果。Fluent公司在其發展歷程中，始終領導著商用CFD軟件的發展方向，不斷推出面向客戶工程需求的軟件工具。其產品作為世界公認的CAE工業標準，獲得了包括ISO9001和Ticket 等諸多權威質量認證。

除了上述軟件外，進行風環境模擬的軟件還有：英國AEA Technology公司的CFX軟件、Computational Dynamics Ltd.公司的Star-CD軟件等等。運用CFD（流體動力學）方法還可以模擬比較街區建筑物表面不同附著物如綠化種植，對相關物理環境要素的影響。如對環境風向、風速、相對濕度、平均輻射溫度（MRT）等的空間分布進行數值模擬。由模擬結果可以得出，不同的綠化方式會明顯的影響街區內的風流分布。雖然建筑物表面綠化可以降低建筑外表面、室外空氣和平均輻射的溫度等有利影響，但同時也會產生降低室外風速、增加空氣相對濕度等不利影響，而這些因素綜合形成的環境舒適度定量指標是建筑師的一般想象所無法得出的。

2.應用原理

CFD模擬大體包含三個主要環節：建立數學物理模型、數值算法求解、結果的可視圖像化。

（1）建立數學物理模型

建立數學物理模型是對所研究的流動問題進行數學描述。各種CFD通用軟件的數學模型的組成是以納維――斯托克斯方程組與各種湍流模型為主體，再加上多相流模型、燃燒與化學反應流模型、自由面模型以及非牛頓流體模型等。大多數附加的模型是在主體方程組上補充一些附加源項、附加輸送方程與關系式。

（2）數值算法求解

描述流動的各微分方程相互耦合，具有很強的非線性特征，目前只能利用數值方法，例如有限差分法、有限元法、邊界元法以及有限分析法等方法求解，其中以有限元法和有限差分法為主。經過比較發現對于邊界形狀較規則的研究區域如矩形區域，二者模擬效果相同，但有限差分法的計算較簡潔；而對于邊界形狀較復雜的區域，有限元法模擬效果更好。目前大多數的商用CFD軟件都采用的是有限元法。

（3）計算結果的可視化

上述代數方程求解后的結果是離散后的各網格節點上的數值，這樣的結果不直觀，難以為一般工程人員或其他相關人員所理解。因此將求解結果的速度場、溫度場或濃度場等表示出來就成了CFD技術應用的必要組成部分。通過計算機圖形學等技術，就可以將我們所求解的速度場和溫度場等形象直觀地表示出來，甚至便于非專業人員理解，如圖2。如今，CFD的后處理不僅能顯示靜態的速度、溫度場圖片，而且能顯示流場的流線和跡線動畫，非常形象生動。

圖2可視化的風速場圖像

3.實例

2004年, 哈爾濱工業大學秦偉基于Fluent6.0平臺, 通過20多個鈍體繞流算例計算結果與相關的試驗結果進行對比，以工程上關心的風荷載宏觀量為考察對象，探討Fluent6.0用于結構風荷載統計平均量預測的可靠性。2006年孫曉穎、武岳等以大跨度平屋面為例，采用CFD數值模擬技術對屋蓋表面的風壓分布進行了數值模擬。采用了雷諾應力湍流模型(RSM)和SIMPLE壓力校正算法，并將計算結果與風洞試驗結果進行了比較分析，兩者吻合較好。2007年深圳建筑科學研究院劉俊躍利用CFD對某小區的自然通風進行模擬，與風洞試驗結果互相印證。

4.結論

CFD技術的飛速發展為建筑風環境的研究手段帶來了巨大的變革，CFD對流場平均特性的計算結果已經達到實用化程度，建筑風工程領域存在許多可以用CFD和試驗相結合進行研究的課題。CFD的發展和應用程度與計算機技術密切相關。由此我們可以期待未來計算機的發展必將為CFD在建筑工程領域的應用帶來一個新紀元。

參考文獻

[1] Versteeg H K，Malalasekera W ．An Introduction to computational fluid dynamics：the finite volume method[M]．Essex：Longman Scientific& Technical，1995．

[2] Hunt J C R，Femholz H．wind tunnel simulation of the atmospheric boundary layer：a Report of Euromech．JFluid Mechanics，1995，3：543～559．