防毒面具面罩内部气流场分布模拟仿真研究

摘要

防毒面具是保护人体呼吸器官、眼睛和面部的重要个体防护装备。防毒面具罩体内部结构比较复杂，在吸气作用下，罩体在局部部位会发生变形，影响防毒面具罩体内的气流通道的分布，并降低罩体镜片的保明效果。本文旨在采用计算机流体分析，模拟仿真罩体内流体的分布和流动轨迹，同时在该分析基础上对罩体结构进行单向流固耦合分析和流体的对流换热分析，并对现有卓体结构提出改善方案。
　　本文釆用计算机流体力学分析防毒面具罩体内气流分布情况。首先确定防毒面具罩体内流体的基本特征、模拟控制务程及其离散化和三维湍流模型的选择。然后使用UG三维绘图软件，通过合理简化建立罩体结构三维模型和流体域模型，并通过专业的网格划分软件ICEMCFD进行网格划分。最后在ANSYS Workbench平台上，通过计算机流体分析软件CFX，对罩体内流体流动轨迹和分析进行瞬态数值模拟。经过分析，得到在一个吸气周期情况下每个时刻的流体流动分布图，并对该情况下流体的分布进行物理实验验证，证明该模拟方法的可行性和可靠性。针对罩体结构，在ANSYS Workbench平台上，通过计算机流体分析软件CFX和静力分析模块Static Structural进行单向流固耦合分析。对现有设计的防毒面具罩体结构的变形程度和变形部位大小进行数值模拟。在此基础上比较了不同罩体结构（加导流翼、加凹槽、加筋）下的罩体变形对流体通道的影响。综合这些影响因素得到对罩体结构进行增加导流翼和凹槽并在罩体底部加筋的改善模型，该模型降低了罩体结构变形，有效的改善的流体向上流动的通道。针对改善后的罩体结构模型，利用计算机流体分析软件CFX进行对流热分析，分析了原始罩体、增加凹槽的罩体结构和改善后的罩体结构下流体的对流换热情况及其对罩体保明性的影响。数值模拟结果表明三种不同结构情况下对罩体眼窗上、中和下三个区域的保明效果不一样；改善后的模型，使更多的气流向上流动，保明效果最好。

目录

1 绪 论

1.1 论文研究的问题及目的

1.2论文技术路线

1.3论文的研究内容及方法

1.4本章小结

2 防毒面具罩体内流体的特征分析

2.1确定防毒面具罩体内流体的基本特征

2.2数值模拟控制方程的建立及处理

2.3确定流体域控制方程离散化的方法

2.4罩体内湍流数值模拟方法的选择

2.5本章小结

3 防毒面具罩体内流场数值模拟分析

3.1计算机流体分析简介

3.2防毒面具物理模型的建立

3.3防毒面具流体域网格划分

3.4 CFX流体分析中的求解设置

3.5罩体内流体分布验证实验

3.6 本章小结

4 防毒面具罩体单向流固耦合分析

4.1流固耦合的研究概述

4.2单向流固耦合理论基础

4.3防毒面具单向流固耦合求解过程

4.4不同罩体结构下的单向流固耦合分析结果

4.5罩体结构改善方案

4.6本章小结

5 防毒面具罩体内流体对流换热分析

5.1防毒面具镜片保明技术分析

5.2防毒面具结构式防雾技术

5.3防毒面具对流换热分析

5.4罩体结构对保明性影响的结果分析

5.5本章小结

6 结 论

6.1总结

6.2结论

6.2创新点

6.3进一步研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢