仿绿化带木制过滤板空气流动的仿真实验

　　下面文章简要论述了仿绿化带木质过滤板的制作和道路试验情况，对FLUENT软件的多孔介质模型模拟理论进行了介绍。并且通过建立相关模型，对交通环境中的空气流经过滤板的情况进行了仿真分析，从速度和压力变化图可以明显看出气体流经过滤板时各处的速度和压力变化，本次仿真分析为以后过滤板最佳密度的确定奠定了基础。

　　关键词：绿化带,过滤板,仿真,分析

　　随着经济的快速发展和生活水平的不断提高，大气污染日趋严重。许多学者研究发现，城市中植被覆盖面积越大的地区污染物浓度越低[1]。绿化带具有滤尘、吸毒、放氧等净化大气的作用，这一发现使得空气污染的治理有了新的突破，道路绿化成为缓解大气污染的一种手段[2]。

　　1仿绿化带木质过滤板道路试验

　　仿绿化带木质过滤板是根据我国东北地区冬季时间长、城市道路绿化带无绿叶的现状而研制的，以期能够达到净化空气、美化城市道路环境的作用。该试验木质过滤板的原材料是松木，经过削片、粉碎、施胶、搅拌、烘干等工序压制而成。按照国家环境监测相关标准，对研制的仿绿化带木质过滤板进行了道路试验。试验结果表明，经过过滤板的PM2.5平均值比之前的数值低15%左右，说明仿绿化带木质过滤板具有一定的吸附能力[3]。

　　通过对试验板进行电镜观察和能谱分析，发现过滤板中含有C、N、Pb、F等元素，进一步证明仿绿化带木质过滤板不仅能够过滤道路交通环境中的污染物，还能够吸附大气中的其他污染物，起到净化空气的作用[3]。

　　2FLUENT多孔介质结构模型模拟理论

　　2.1FLUENT简介

　　计算流体力学(ComputationalFluidDynamics简称CFD)的主要内容是采用数值计算的方法，通过计算机来求解流体运动的数学表达形式——控制方程，进而研究流体的运动规律[4]。FLUENT软件是目前市场上最流行的CFD软件，是用于计算流体流动、传热问题和化学反应的程序。它在美国的市场占有率达到60%，也是在中国得到最广泛使用的CFD软件[5]。

　　2.2FLUENT多孔介质模型理论分析

　　层流和湍流是自然界流体流动的两种形式。任何流动系统都必须以三大基本守恒定律作为基础，但对于湍流情况模型，需要使用处理速度较高、内存容量较大的数值模拟方法直接求解瞬态控制方程[6]。湍流是一种复杂的不定常的随机流动，本文所研究的道路仿绿化带木质过滤板对空气的需求量很大，雷诺数也大，所以笔者认为通过过滤板的空气流动是湍流。

　　多孔介质模型就是在定义为多孔介质的区域，结合了一个根据经验假设为主的流动阻力，实际上是在动量方程上又叠加了一个动量源项，其适用范围非常广泛[7]。由于仿绿化带木质过滤板主要过滤元件为过滤板内部多条木条非规则黏合在一起的孔隙结构，因而选用多孔介质模型来研究过滤板的空气流动作用。因为不同的空气流动方式对多孔介质的设定公式也不同，结合本研究的实际情况，最终选择多孔介质模型中的层流模型进行研究[8]。

　　3仿绿化带木质过滤板空气流动仿真

　　3.1仿绿化带木质过滤板建模

　　3.1.1模型建立

　　利用ANSYS中的DesignModeler软件建立的过滤板模型，其中实心部分为过滤板，尺寸为60cm×56cm×6cm。依据具体的试验环境，设定距离木质过滤板六个面为100cm作为气体流动的区域，外面的大长方体是空气流动的最大空间。

　　3.1.2网格划分

　　根据试验时的天气监测数据，设定风速和风向。将过滤板模型直接导入ICEMCFD中，进行网格划分。由于本模型较为简单，用默认划分网格的方式直接进行划分，定义网格划分的间距为20个单位。

　　3.2试验板的求解仿真

　　试验过滤板的密度是20kg/m3，根据算出的黏性阻力系数、惯性阻力系数以及初始速度进行求解仿真。(1)启动三维求解器，对网格进行检查，得到最小的网格的体积大于0，证明网格划分是正确的。(2)更改计算区域尺寸。FLUENT默认的长度单位是m，建模尺寸为cm，将长度单位m改成cm。(3)定义求解器，选择总体模型设定。由于本次仿真的空气流量较大，故流体模型选择湍流。(4)定义流体的物理性质。试验中的流体为交通环境中的污染空气，需要自定义。

　　(5)设置计算域。空气流动区域的计算域和多孔介质内部的计算域是一样的。由于多孔介质内部结构复杂，因而需要对内部结构和参数进行设定。(6)设置边界条件。流体入口速度设为4m/s，入口和出口的湍流强度参数分别为10%和5%。(7)设置初始化。需要进行迭代计算的情况都需要初始化。设置迭代次数为100次，迭代运算结果表明收敛[8]。(8)查看结果。通过对计算结果进行后处理，可以显示压力点状图、速度矢量图、压力云图。大约在0.12m的位置压力达到了最大值。这是由于过滤板非完全通透对气体流动造成阻碍，空气在流动过程中距离木板越近受到的阻力越大。

　　压力值在大约-0.02m处为零，此处流动气体已经不受过滤板的阻力影响。过滤板周围气体流动方向成拱形，且外部气体流速较大，内部气体流动速度较小。说明气体在经过过滤板内部时受到阻力，同时流经过滤板边缘的时候出现了外溢[8]。

　　4结论

　　前期研究表明，自制的仿绿化带木质过滤板具有的一定的净化空气作用。根据过滤板实际的道路试验数据，利用ANSYSFLUENT软件对过滤板进行数值模拟，通过处理得到的压力点状图、速度矢量图和压力云图，可以看出气体流经过滤板时各处的速度和压力变化，为以后过滤板最佳密度的确定奠定基础。

　　参考文献：

　　[1]曹秀春,孟庆繁.城市绿化带对大气污染的防护效能[J].东北林业大学学报,2007,35(10):20~36.

　　[2]张莉,王尚军.关于城市道路绿化滞尘降噪的探讨[J].森林工程,2012,28(5):92~94.

　　[3]张莉,杨春梅.木制过滤板吸附尘霾效果试验分析[J].森林工程,2018,34(1):51~55.

　　[4]谷芳,刘伯潭,李洪亮,潘书杰.基于CFD数值模拟的汽车排气管结构分析[J].内燃机学报,2007,25(4):358~363.

　　[5]张尉林.FLUENT软件与IDEM软件的耦合及其应用研究[D].长春：吉林大学,2013.

　　[6]金颖,周伟国,阮应君.烟气扩散的CFD数值模拟[J].安全与环境学报,2002,2(1):21~23.

　　[7]王承尧,王正华等.计算流体力学及其并行算法[M].长沙：国防科技大学出版社,2000.

　　[8]杨铭.道路仿绿化带木质过滤板建模与仿真分析[D].哈尔滨：东北林业大学,2016.

　　推荐期刊：森林工程(双月刊)创刊于1985年，是经国家科委和国家新闻出版署审核批准，由中华人民共和国教育部主管，东北林业大学主办、全国公开发行的国家级学术期刊，是中国林学会的刊物之一。