（材料加工工程专业论文）呼吸防护面具罩体的流体力学分析及参数化建模研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务o ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：弘衔 导师( 签名) ：彳地仁日期矽s 易旬 一一 一 中文摘要 呼吸防护面具是劳动过程中预防和控制呼吸性职业危害、保障劳动者生命 安全的重要保护装备。佩戴呼吸防护面具将产生额外呼吸阻力，它增加呼吸功， 影响通气，降低工人的工作效率和工作能力。如何减少额外呼吸阻力是一直是 国际呼吸防护领域研究的重点。本文旨在采用计算流体力学分析与参数化设计 方法，用u g 二次开发工具构建参数化的呼吸防护面具罩体几何模型，并对之进 行流体力学分析，以确定面具罩体几何结构对呼吸阻力的影响，实现面具罩体 的优化再设计目的。 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是现代科学中解决 复杂流动和传热问题的有效计算技术。本文采用计算流体力学分析呼吸防护面 具罩体内呼吸气流情况，主要内容包括：根据现代实验技术及空气动力学相关 研究，确定呼吸防护面具罩体内呼吸气流流场特征、模拟主控方程、边界条件 和三维湍流模型；以基于人体适配设计的头部三维模型数据，构造呼吸气流几 何模型，并采用专业网格划分软件i c e mc f d 对其进行网格划分；采用计算流 体力学分析软件c f x 进行数值模拟分析，得到一定几何结构下呼吸防护面具的 相关呼吸气流参数。 参数化设计指用一组参数来约定设计对象的尺寸关系，从而表达该设计对 象的几何结构，是初步设计、产品建模、系列设计和动态设计的有效手段。本 文提出用参数化设计的方法对面具罩体的几何结构进行表达，以便于确定面具 罩体的几何参数对呼吸阻力的影响情况。以一款简单呼吸防护面具产品为例， 本文采用u g 二次开发工具对罩体部分的三维建模过程进行参数化创建，包括开 发模型菜单、u g 风格对话框和建模调用程序，并将其在u g 软件中进行集成， 实现用简单几何参数控制呼吸防护面具罩体部分的几何模型建模。 结合计算流体力学分析技术与参数化设计，将参数化的气流几何模型在 c f x 中进行仿真分析，并通过模拟得到的相关呼吸气流参数对模型几何参数进 行修改，可实现对该几何结构的优化再设计工艺，提高呼吸防护面具产品开发 效率并减少其开发成本。 关键词：呼吸阻力：计算流体力学分析( c f d ) ；u g 二次开发 a b s t r a c t r e s p i r a t o r yp r o t e c t i v em a s ki sa l li m p o r t a n tp r o t e c t i o ne q u i p m e n tt op r e v e n ta n d c o n t r o lo fo c c u p a t i o n a lh a z a r d s ，a n dr e s p i r a t o r yp r o t e c tw o r k e r s l i f es a f e t yi nl a b o r p r o c e s s w e a rar e s p i r a t o r yp r o t e c t i v em a s kw i l lg e n e r a t e a d d i t i o n a lr e s p i r a t o r y r e s i s t a n c e , w h i c hi n c r e a s et h ew o r ko fb r e a t h i n g , i n f l u e n c et h ev e n t i l a t i o na n dr e d u c e w o r k e r s w o r ke f f i c i e n c ya n da b i l i t y h o wt or e d u c et h ea d d i t i o n a lr e s p i r a t o r y r e s i s t a n c ei sa l w a y st h ee m p h a s i si ni n t e r n a t i o n a lr e s p i r a t o r yp r o t e c t i o nr e s e a r c hf i e l d t h i sp a p e ra i m st ob u i l da na i r f l o wm o d e li nr e s p i r a t o r yp r o t e c t i v em a s kw i t h c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c sa n a l y s i sa n du gd e v e l o p m e n tt o o l s ，w h i c hi st o a n a l y s i st h ei n f l u e n c eo fg e o m e t r i cs t r u c t u r eo fm a s kt or e s p i r a t o r yr e s i s t a n c e ，i n o r d e rt og u i d et h er e - d e s i g nt h er e s p i r a t o r yp r o t e c t i v em a s k c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) i sa ne f f e c t i v ec o m p u t i n gt e c h n o l o g yt o s o l v et h ec o m p l e xf l o wa n dh e a tt r a n s f e rp r o b l e m si nm o d e r ns c i e n c e t h i sp a p e r a n a l y s e st h eb r e a t h i n ga i r f l o wi n s i d et h er e s p i r a t o r yp r o t e c t i v em a s kw i n lc f d t h e m a i nc o n t e n t sa sf o l l o w e d ：m a k es u r et h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l o wf i e l di nr e s p i r a t o r y p r o t e c t i v em a s k , t h ec o n t r o le q u a t i o n sf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h eb o u n d a r y c o n d i t i o n so ft h ea i r f l o wa n dt h et h r e e - d i m e n s i o nt u r b u l e n tm o d e la c c o r d i n gt ot h e m o d e me x p e r i m e n tt e c h n o l o g ya n dr e l a t e da e r o d y n a m i cr e s e a r c h ；b u i l dt h eg e o m e t r y m o d e lo fb r e a t h i n ga i r f l o wb a s e do nt h e3 dh e a dm o d e ld a t aw h i c hc o m af r o m h u m a na d a p t a t i o ns t u d y , a n dm e s h e dw i t hp r o f e s s i o n a lg n d ss o f t w a r ei c e mc f d ； s i m u l a t ea n a l y z et h em e s h e da i r f l o wm o d e lw i t hc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s a n a l y s i ss o f t w a r ec f xt og e tt h er e l a t e db r e a t h i n ga i r f l o wp a r a m e t e r si nc e r t a i n g e o m e t r i c a ls t r u c t u r eo f t h er e s p i r a t o r yp r o t e c t i v em a s k p a r a m e t r i cd e s i g n , u s i n gas e to fp a r a m e t e r st or e s t r a i nt h es i z er e l a t i o n so f d e s i g no b j e c ta n de x p r e s s i n gt h eg e o m e t r i cd e s i g no b j e c t ，i sa ne f f e c t i v em e a l k qf o r p r e l i m i n a r yd e s i g n ，p r o d u c tm o d e l i n g , s e r i e sd e s i g na n dd y n a m i cd e s i g n t h i sp a p e r p r o p o s e st h eu s eo ft h em e t h o do fp a r a m e t r i cd e s i g nt h eg e o m e t r i c a ls t r u c t u r eo f t h e r e s p i r a t o r yp r o t e c t i v em a s ki no r d e rt om a k es u r et h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so ft h e m a s k0 1 1t h ei n f l u e n c eo fr e s p i r a t o r yr e s i s t a n c e w i t has i m p l ek i n do fr e s p i r a t o r y p r o t e c t i o nm a s kp r o d u c t s ，f o re x a m p l e ，t h i sp a p e ru s i n gu gd e v e l o p m e n tt o o l st o n c r e a t et h ep a r a m e t e r i z e dg e o m e t r i c a lm o d e lo ft h em a s k , i n c l u d i n gd e v e l o p i n gt h e m o d e lm e n u s ，t h eu g s t y l ed i a l o g sa n dt h em o d e l i n gp r o g r a m s ，a n di n t e g r a t e di nu g s y s t e m t h u sr e a l i z et h ec r e a t i n gm o d eo ft h er e s p i r a t o r yp r o t e c t i v em a s kg e o m e t r i c m o d e lb yg e o m e t r i cp a r a m e t e r s c o m b i n i n gw i t ht h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sa n a l y s i st e c h n o l o g ya n dt h e p a r a m e t r i cd e s i g n ，s i m u l a t e dt h ep a r a m e t r i cg e o m e t r i cm o d e li nc f x a n dm o d i f i e d t h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r sb yu s i n gt h eb r e a t h i n ga i r f l o wp a r a m e t e r sf r o ms i m u l a t i o n , c a nr e a l i z et h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nt e c h n o l o g yo fr e s p i r a t o r yp r o t e c t i v em a s k , w h i c h i m p r o v et h ed e v e l o p i n ge f f i c i e n c yo fr e s p i r a t o r yp r o t e c t i v em a s kp r o d u c ta n dr e d u c e t h ed e v d o p m e n tc o s t s k e y w o r d s ：r e s p i r a t o r yr 嚣i s t a n c e ；c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s ( c f d ) ；u g d e v d o p m e n t i i i 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 论文研究背景及意义。l 1 1 1 论文研究背景1 1 1 2 论文研究意义3 1 2 本文主要研究内容。5 1 3 本章小结。5 第2 章呼吸防护面具流场特征分析6 2 1 确定流场流动的基本特征6 2 1 1 理想流体与粘性流体 2 1 2 牛顿流体与非牛顿流体7 2 1 - 3 可压缩流体和不可压缩流体7 2 1 4 层流与湍流8 2 1 5 定常与非定常流动8 2 2 数值模拟主控方程8 2 2 1 连续性方程。9 2 2 2n a v i e r - s t o k e s 方程9 2 3 边界条件1 0 2 4 三维湍流模型l l 2 5 本章小结1 2 第3 章呼吸气流c f d 分析l3 3 1 c f d 简介1 3 3 i 1 c f d 在呼吸动力学方面的应用。1 4 3 1 2c f d 软件c f x 1 4 3 2 三维建模1 5 3 2 1 适配设计15 3 2 2 几何建模1 7 3 3 划分网格1 9 3 3 1修复几何2 0 3 3 2 面分组2 l 3 3 3 创建b o d y 2 2 3 3 4 网格设置2 2 3 4 流场数值模拟2 3 3 4 1 前处理。 2 4 3 4 2 计算求解2 5 3 4 3 后处理2 7 3 5 本章小结2 9 一一一一 第4 章面具罩体参数化建模3 0 4 1 u g o i x m 简介3 0 4 2 参数化设计3 l 4 3 简单面罩的参数化建模3 2 4 3 1 v 6 o p e nm e n u s c r i p t 定制菜单3 4 4 3 2u l s t y l e r 设计对话框3 6 4 3 3 使用m f c 创建工程框架。4 l 4 3 4 编译“导入”程序4 3 4 3 5 编译“建模”程序4 5 4 3 6 面罩参数几何模型4 8 4 4 本章小结，5 0 第5 章总结与展望 致谢5 3 参考文献5 4 附录：硕士期间发表的论文5 7 v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 呼吸防护用品是劳动过程中预防和控制呼吸性职业危害、保障劳动者生命 安全的重要保护装备。它的出现最早可追溯至1 6 世纪，并且于2 0 世纪的两次 世界大战中因为被用于军事防护而得到迅猛的发展。我国的呼吸防护面具诞生 于2 0 世纪5 0 年代，经过近6 0 年的发展，现已基本适应了生产的需要，在减少 人员伤亡、保障职工健康、促进国民经济发展等方面发挥了重要的作用【i 】。 近年来，随着人们安全生产与防护意识的增强，市场上对呼吸防护面具产 品的需求越来越大，对其产品质量的要求也越来越高。而在呼吸防护面具的高 新技术领域，我国还处于初级阶段，要赶上国际研究水平，在呼吸防护面具的 国际市场上占得一席之地，还有很长的路要走。 1 1 论文研究背景及意义 1 1 1 论文研究背景 在呼吸防护面具的发展史上，战争中的应用是其浓墨重彩的一笔。第一次 世界大战和第二次世界大战期间，有毒气体以其巨大的杀伤力被用于军事武器 大量应用，防护面具在此作为重要的战争防护装备首次登上了国际舞台，并随 着生化武器的不断升级得到了作战双方的大力开发。此后，在工农业的迅猛发 展浪潮中，呼吸防护面具被越来越多的应用于工农业的生产，以保障工人和农 民在生产活动中免受有毒、有害气体和粉尘等对身体的侵害。在战争和工农业 应用中迅速成长起来的呼吸防护面具完成了从大箱防毒性呼吸防护面具到“小 箱( s m a l l b o x ) 防毒性呼吸防护面具的转变，并逐步发展到具有毒剂防护种类广、 呼吸阻力小、重量轻、视野宽阔以及佩戴舒适等种种优点的现代型军工防护用 具，如美国于2 0 0 6 年投产的第一批联合兵种通用防毒面具( j s g p m ) 、瑞士新型 核生化防护面具s m 3 s m 9 0 等。自第三次工业革命以来，呼吸防护面具在结构 和功能上得到了极大地改善与提高。其中，尤其以美国、德国、瑞士等国家对 呼吸防护面具产品的创新研发更为瞩目。他们在气密性、滤毒尘效果不断提高 的基础上，对呼吸防护面具的舒适度也提出了更高的要求。 相比之下，我国呼吸防护研究领域仍面临许多问题。虽然已经过近6 0 年的 发展，但这些年来我国呼吸防护面具产业的发展现状表明，它的发展情况并不 武汉理工大学硕士学位论文 如其他产业( 如环保产业等) 那样蓬勃，正相反，它更多的表现为缺乏前进的动力 和活力【2 捌。主要表现在： ( 1 ) 缺乏独立性。我国许多相关产业( 例如石油、煤炭、纺织、服装、皮革 加工等) 将防护装备产品作为消化内部劳动就业的手段，在政策保护下自产自销， 且不允许外购，其防护产品基本依靠行业垄断而生存。在这种背景下发展起来 的呼吸防护产品缺乏独立性，不能应对环境和市场的变化，产业化程度低，难 以连续的向社会提供产品和服务。 ( 2 ) 经营规模小。独立经营性、弱小分散性、依附性、家庭手工作坊以及合 作企业等是目前我国生产呼吸防护面具产品的几种企业类型，并且以依附性、 弱小分散性、家庭手工作坊和兼营性的企业为主。这些企业共有的特点是生产 规模小、厂点分散且技术落后，竞争能力普遍不强，缺乏综合性、规模型的生 产能力和抵御风险能力。 ( 3 ) 需求不旺盛。目前，我国国民经济正面临日新月异的高速发展阶段，然 而数据表明，自2 0 世纪9 0 年代中期以来，企业用于个体防护装备的开支整体 下降了很多。这种情况的发生，很大程度上要归咎于企业自身对于生产利润的 盲目追求，无视国家法律法规和工人的人身安全，不按照规定配发劳动防护用 品。不仅如此，许多企业使用的防护面具在质量上远远达不到应有的防护标准。 ( 4 ) 技术更新迟缓。尽管已经历了半个多世纪的发展，我国研发的呼吸防护 用品仍然以低端产品为主，多年一贯制，科技含量低，安全系数远远低于国际 研究水平，且产品总类匮乏，只有防毒面具、防尘口罩、空气呼吸器、氧气呼 吸器以及消防逃生面具等基本种类。在呼吸防护面具的标准体系中，大多数的 标准趋于老化，许多标准参数仍亟待充实与完善。 自我国加入w t o 以后，随着国际优秀呼吸防护产品的不断涌入，我国呼吸 防护产业的发展正面临着巨大的挑战。振兴我国呼吸防护产业，做好安全生产 防护工作已逐渐成为我国经济发展中不容忽视的一个重要环节。要做好这项工 作，需要多方面进行协调。 首先，要提高人们的安全生产认识，将安全生产视为企业发展的头等大事。 呼吸防护用品是保障工人人身安全，进行正常工作的重要保护装备，也是安全 生产中必不可少的一道防线。2 0 0 4 年“中国就业论坛一上中华全国总工会劳动 保护部部长张成富指出：中国职业危害和职业病问题严重；每年新发尘肺病患 者l 万例以上，每年因此死亡的人数高达5 0 0 0 左右 4 1 。因此，要普及呼吸防护 2 一一 一 武汉理工大学硕士学位论文 知识，提高群众自我防护意识，只有从企业到个人都充分具备安全生产意识， 主动自觉配备合适的呼吸防护用品，才能从根本上减少呼吸类生产事故的发生。 其次，要加强对企业的监管力度，制定和实施促进呼吸防护产业发展的优 惠政策。目前，我国市面上流通的呼吸防护用品大多属于由中小型企业生产的 中低端产品。这些产品中很多都有呼吸阻力大、滤毒效率过低、罩体粗糙等缺 陷，不符合国家标准。依据安全生产法和国务院整顿市场经济秩序的要求， 一方面要对呼吸防护产业的生产和流通强化监管，严防假冒伪劣，打击低价倾 销，另一方面，要严格监管企业从业人员配备呼吸防护用品情况。与此同时， 国家还应该对呼吸防护产业进行扶持，从技术、资金上进行帮助，大力发展呼 吸防护产业，提高我国呼吸防护用品的整体水平，提高产品科技含量，向轻便 化、舒适化和多功能化发展，实现从弱势产业到具备市场优势的朝阳产业的转 变。 再次，要加大呼吸防护领域的技术投入。这里包括三个方面的内容：一是 要推动企业、专业院校和科研单位在呼吸防护研究领域的合作，加大技术服务 交流，将科研工作同实际需求相结合，自主研发符合中国人脸型特征的呼吸防 护用品；二是要完善和发展呼吸防护标准体系，全面提高呼吸防护标准，并不 断更新检测手段，研发检测设备；最后，改革低质量、低效率的生产企业，引 进先进的管理技术，实现企业之间的资源整合与信息交流，建造高效益高质量 的新型企业群。 尽管我国呼吸防护用品现状发展形势严峻，但这些情况更是我国呼吸防护 领域研究的动力和契机。伴随着我国经济的突飞猛进，我国的呼吸防护产业也 将迎来自己的辉煌。 1 1 2 论文研究意义 呼吸力学方面的研究表明，佩戴呼吸防护面具将产生较大的额外呼吸阻力， 这种外加的呼吸阻力比人体呼吸系统本身的阻力大得多。它的存在增加呼吸功， 影响正常通气，增加了呼吸疲劳的可能性，极大的降低了工人的工作效率和工 作能力。早在1 9 1 9 年，外加呼吸阻力给佩戴它的工人们带来的不良影响就已经 在呼吸防护领域引起了广泛的关注【5 】。如何减少因为佩戴呼吸防护面具而产生的 呼吸阻力一直是国际上呼吸防护面具研究的重点。 3 武汉理工大学硕士学位论文 呼吸防护面具的研发要保证在对人体的不良影响控制在最小的前提下提高 其防护的可靠性。由于面具对分布在头部表面的血管压力过大，这样将使佩戴 呼吸防护面具后的大脑功效降低近5 0 ，神经末梢受压会产生疼痛的感觉，给 工人们带来极大的不适【5 】。这样，即使实现了呼吸防护面具的安全防护要求，其 本身给工人们带来的负面效果也不容忽视。因此，呼吸防护面具的研究并不仅 仅局限于对其防护功能的研究，更是要改进其面部结构，让佩戴呼吸防护面具 的工人们在免受有毒、有害气体及粉尘等侵害的同时获得更多舒适的感觉。 为了满足呼吸防护面具的这些要求，其面部结构必须建立在人体三维尺寸 研究科学论证的基础上。现代科学研究中，工效学中的产品适配技术正是基于 这一点诞生和发展的。经过确定和规范的人体头面型是人类工效学的一项重要 课题，它是进行防护面具、头盔、护目镜、通讯降噪耳机等一系列头面部装备 产品设计的根本依据。早在上个世纪5 0 年代，莫斯科大学在人类学研究所的领 导下，对居住在前苏联中部地区、高加索以及中亚地区的各名族人体头部结构 特征和尺寸进行了人体测量研究。该项目测量对象为十多万人，测量结果包括 头宽、目距等3 2 个参数 6 1 。 在我国，产品适配设计方面的研究正处以起步阶段，针对呼吸防护面具自 主开发的人体三维尺寸研究更为鲜见。自从我国加入w t o 以来，国际上知名企 业的优秀产品不断涌入我国市场，致使我国各行各业都受到了巨大的冲击与挑 战。在呼吸防护面具领域，由于我国研究水平的局限性使得这种情况尤为明显。 以针对我国人体三维特征开展自主开发研究为着力点，尽快提高我国呼吸防护 面具产品的技术含量，减少呼吸防护面具呼吸阻力，为市场提供高质量、高性 价比的合格产品是现阶段我国呼吸防护面具研究的主要课题 7 1 。 基于这一点，本文采用计算流体力学分析( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简 称c f d ) 研究呼吸防护面具罩体呼吸气流的呼吸阻力情况，并提出参数化建模思 想，用几何参数表达面具罩体曲面，结合计算流体力学分析，可迅速建立面具 罩体几何结构对面具呼吸气流阻力的影响关系，为呼吸防护面具罩体结构的优 化再设计提供指导，实现呼吸防护产品生产工艺优化的目的。最后，以一款简 单呼吸防护面具产品为例，使用u g o p c n 二次开发模块对其几何模型进行参数 化创建。优化工艺路线见图1 1 所示。 4 武汉理工大学硕士学位论文 开隐生产 图1 1呼吸防护面具罩体优化工艺 1 2 本文主要研究内容 根据我国呼吸防护面具生产及研究的现状和存在的问题，本文对呼吸防护 面具罩体部分的设计提出构建基于计算流体力学分析的仿真模块，将面具罩体 的设计与人体呼吸动力学知识相结合，通过a n s y s 模拟仿真软件对呼吸阻力的 模拟，实现优化控制的设计流程。同时，本文结合产品适配设计( 见3 1 1 ) 的相关 研究成果，利用u g 软件平台和v c + + 编译环境，借助u g o p e n 二次开发模块， 创建参数化呼吸防护面具罩体部分的几何模型，将面具罩体的曲面用几何参数 分块表达，以便于结合计算流体力学仿真模块分析面具的罩体几何结构对面具 罩体内呼吸气流阻力的影响关系。 1 3 本章小结 本章介绍了呼吸防护面具在国际和国内的主要研究手段和发展情况，说明 了本课题的选题依据和意义，阐明了当前国内呼吸防护面具的发展现状及存在 的一些问题，明确了论文的研究内容和目标，即通过计算流体力学分析，应用 流体仿真模拟软件a n s y s c f x 对呼吸防护面具罩体内的流场进行仿真模拟， 研究面具罩体内的气流阻力情况，并借助u g 二次开发技术和v c + + 工具开发出 内嵌于u g 软件的参数化呼吸防护面具罩体几何模型。 s 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章呼吸防护面具流场特征分析 固体与流体问题在许多方面都是相似的，流体的流动过程同样受到质量守 恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律的支配。在分析流体问题时运用到的 一些控制方程可直接由固体力学控制方程推导得出。然而，流体在流动时具有 其特有特征，即无论是定常( 稳态) 还是非定常流动的流体，它们的流动都会产生 对流加速度【8 】。这个对流加速度项使得流体力学方程组非自伴随。因此，流体的 各种流动状态导致了各状态下多种多样的流体求解动力学方程。不同的流体类 型具有不同的流体计算模型，流体的性质及流动状态决定着c f d 计算模型及计 算方法的选择，也决定着流场中各个物理量的最终分布结果。因此，在对一个 流场问题进行计算流体动力学分析前，要确定流场的流体特征。 2 1 确定流场流动的基本特征 流体的特征是流体性质、几何边界以及流场的速度幅值的函数。在大多数 情况下，流体性质可近似认为是常数，不随温度变化，并且都可以得到足够精 确的解f 9 】。 2 1 1 理想流体与粘性流体 粘性( v i s c o s i t y ) 是流体内部发生相对运动而引起的内部相互作用。在静止状 态下，流体不能承受切应力，但在运动时，流体内部对相邻两层流体间的相对 滑动产生抵抗。流体所具有的这种抵抗相邻两层流体间相对滑动速度，即抵抗 变形的性质，称为粘性。 粘性的大小取决于流体的性质，并随着温度的变化而变化。当流体的粘性 较小( 如空气和水等) 运动的相对速度也不大时，流体的粘性应力比起其他类型的 力( 如惯性力等) 可忽略不计。此时的流体可被看作是无粘性的，称为无粘流体 ( i n v i s c i df l u i d ) ，也叫做理想流体( p e r f e c tf l u i d ) 。而对于有粘性的流体，则称为粘 性流体( v i s c o u sf l u i d ) 。理想流体对于切向变形没有任何抵抗能力。事实上，真正 的理想流体是不存在的，它是实际流体在特定条件下的一种近似模型。 本文研究的是呼吸防护面具罩体内部的呼吸气流，对象为空气，可确定该 流场内流体为粘性流体。 6 4 一一一一 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 牛顿流体与非牛顿流体 根据流体内摩擦剪应力与速度变化率关系的不同，粘性流体又分为牛顿流 体( n e w t o n i a nf l u i d ) 与非牛顿流体( n o n - n e w t o n i a nf l u i d ) 。 一般情况下，流场内近壁面处的流体在流动时会出现这样的情况：紧靠壁 面的流体粘附在壁面上，静止不动，又由于流体内部之间粘性所产生的内摩擦 力的作用，靠近静止流体的相邻流体受迟滞作用速度下降。流体的内摩擦剪切 力r 由牛顿内摩擦定律决定： f ：l i r a a n ：坐( 2 1 ) 如_ oa n 锄 式中，a n 为沿法线方向的距离增量，a “为相应于a 刀的流体速度的增量， au a 刀是法向距离上的速度变化率。 牛顿内摩擦定律表示为：流体内摩擦应力和单位距离上的两层流体间的相 对速度成比例。比例系数f 称为流体的动力粘度，简称为粘度。它的值取决于 流体的性质、温度和压力大小。若为常数，则该类流体称为牛顿流体；反之， 则称为非牛顿流体。常见流体如：空气、水等均为牛顿流体；聚合物溶液、含 有悬浮粒杂质和纤维的流体为非牛顿流体。 呼吸防护面具罩体内的呼吸气流为空气，是牛顿流体，常温下的粘度为 1 7 8 9 4 x1 0 氐s m 2 。 2 1 3 可压缩流体和不可压缩流体 流体在外界压力作用下，体积会变小，这种性质就是流体的压缩性，也称 为流体的弹性。根据流体在流动过程中的密度p 是否为常数，流体又可以划分为 可压流体( c o m p r e s s i b l ef i u i d ) 和不可压流体( i n c o m p r e s s i b l ef l u i d ) 两大类。在特定 的流动条件下，有些可压流体可以按照不可压流体对待。根据气流能量方程式： 尸+ 丝：常数 2 ( 2 2 ) 式中，尸为压强，p 为流体密度，y 是流体体积。当气流的速度压头尹譬增 加或减小aq 时，相应地气流内部的压力也将变化相同的数量级a p 。 7 武汉理工大学硕士学位论文 当气流速度在1 0 0 m s 以下时，其气体密度的相对变化值范围为0 0 4 6 2 9 3 ，在这个范围内的气流流动可认为是不可压流动【l o l 。 人呼吸的气流速度远低于1 0 0 m s ，所以呼吸防护面具罩体内的气流密度变 化可以忽略不计。因此，本文中流场的流体视为不可压流体。 2 1 4 层流与湍流 在自然界中，流体的流动状态大致可以分为两种形式，层流0 a m i n a r ) 与湍流 ( t u r b u l e n c e ) 。层流是指流体在流动过程中相邻两层之间平滑有序的流动。湍流， 指流体不是处于分层流动的状态，这时，即使是边界条件保持不变，流动也是 不稳定的，速度等流动特征都随机变化。般在界定流体流动状态时，以雷诺 数( r e y n o l d s 数) 为参考。当雷诺数r e 2 3 0 0 时，流体一定为层流；r e 8 0 0 0 1 2 0 0 0 时，流体一定为湍流；而当2 3 0 0 r e 8 0 0 0 时，流体处于层流与湍流间的 过渡区，即流场内的流体在流动中一部分以湍流形式流动，另一部分流体以层 流形式流动。 由于呼吸本身是一个较复杂的流动，呼吸防护面具罩体内部的空气流动比 较混乱，本文流场内气流形式为湍流流动。 2 1 5 定常与非定常流动 根据流体流动的物理量( 如速度、压力、温度等) 是否随时间变化，将流动分 为定常( s t e a d y ) 与非定常( u n s t e a d y ) 两大类。当流动的物理量不随时间变化，则流 体为定常流动；反之，则为非定常流动。许多流体机械在启动或关机时的流体 流动为非定常流动，而正常运转时的流动被认为是定常流动。 呼吸防护面具罩体内的气流压强是随呼吸过程进行改变的，故其气流流动 应该为非定常流动。由于论文的研究主要针对呼吸防护面具的呼吸阻力，而当 呼吸气流达到最大时呼吸阻力也将达到峰值，因此本文仅模拟流场内气流流速 达到最大时刻下的呼吸情况，且将呼吸防护面具罩体内的气流流动界定为的定 常流动。 综合以上分析，本文对呼吸过程中空气在呼吸防护面具罩体内的流动描述 为：定常的、不可压缩的牛顿流体，以湍流形式流动。 2 2 数值模拟主控方程 8 一一一 武汉理工大学硕士学位论文 在流体动力学分析时，可以通过质量、动量及能量守恒定律来计算求解流 场所需物理量，如速度分量、压力和温度等。控制方程是这些守恒定律的数学 描述。根据对呼吸防护面具罩体内气流特征的分析，即空气在流场内的不可压 缩、粘性流动，确定求解的主控方程分别为连续性方程和n a v i c r - s t o k e s 方程【1 1 , 1 2 】。 2 2 1 连续性方程 流场中的流体，首先要满足质量守恒定律。根据物质守恒定律，可以得到 笛卡尔坐标系下的物体的连续性方程： 塑+ 旦逊+ 塑+ a ( p w ) ：0 ( 2 3 ) 西 缸 加 昆 、 式中，p 为物体密度；t 是时间；“、 ，、w 分别为速度在工、y 、z 三个方向上的分 量。当流体呈不可压缩时，即流体密度户在流动过程中保持不变，有挲= 0 ， o t 式( 2 3 ) 变形为： 丝+ 鱼+ 塑= o 一十一十一= u 反砂 昆 ( 2 q 根据前文分析，文中流场流体被认为是不可压缩的流体，采用连续性方程， 即式( 2 - 4 ) 。 2 2 2n a v i e r s t o k e s 方程 侃功处腿灏疋明萤- 寸但疋俘。田午坝弟一疋俘，况功砌基。、r 但疋俘j 衣您 为：微元体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。 对于不可压缩牛顿流体，可以得到氘y 、z 三个方向上的动量守恒方程： 鲁m 芸+ 哆警+ 心警一吉罢+ 正+ v v 2 叱 鲁帆誓+ 吩鲁心誓= 一古考+ + 闪2 ， 警+ 吒警+ 哆警+ 蚝誓一吉警+ z + v v m 也畜+ 吒茁+ 哆葛+ 蚝i 一万言+ 丘+ 也 9 武汉理工大学硕士学位论文 式中，扒p 、p 、 ，分别表示流体的单位质量、密度、动水压强、质量力和运 动粘性系数。方程( 2 5 ) 左端为流体微团的加速度，右侧分别为流体微团所受的 正压力、体积力及粘性剪切力。 2 3 边界条件 边界条件指在求解域的边界上所求解的变量或它的一阶导数随地点和时间 变化的规律。在流体动力学分析中，所有的c f d 问题都需要设置边界条件，对 于非定常问题还需要设置流场的初始条件。不同的计算模型，对边界条件和初 始条件的处理方式也不一样。只有对流场设置与实际情况相吻合的边界条件才 能计算得到流场的准确的解。 呼吸防护面具罩体内气流流动数值模拟计算，采用大型c a e 软件a n s y s 的c f x 模块。a n s y s c f x 中共有5 种边界条件，分别是入口边界条件( i n l e t ) 、 出口边界条件( o u t l e t ) 、壁面边界条件( w a l d 、开放式边界条件( o p e n i n g ) 和对称边 界条件( s y m m e t r y ) 1 3 】。其中，入口边界条件、出口边界条件和开放式边界条件用 于界定流体边界，壁面边界条件用来确定固流交界面处的边界情况，面对称边 界条件是数值特殊边界。对于流体的流动，c f x 定义的入口边界面处的流体只 能流进不能流出，且需要对该面上的一些物理量的值进行设置，如温度、压力、 流体速度等：出口边界面处的流体只能流出不能流进，并做局部单项化处理， 即各个量的出口法向梯度为0 ；开放式边界面上的流体既能流进又能流出，流入 时采用入口边界设置，流出时采用出口边界设置，这样，开放式边界面上流入 与流出两种可能性均需要进行设置；壁面边界对流体来说其法向速度为0 ，法向 压力梯度也为0 ，对固体来说需具有典型的三类边界条件，温度值、热流和对流 换热系数。对称边界是为减小计算模型而做的特殊处理边界，在实际物理上是 不存在的，该边界上要求几何面必须是平面，流体的法向速度为0 ，且其余所有 物理量的法向梯度为0 。 平静呼吸时正常人每次吸入或呼出的气量为q - - 4 0 0 - 、一6 0 0 m l 1 4 1 ，每分钟呼 吸次数大致为1 5 2 5 次【1 5 】。佩戴呼吸防护面具的工作者一般从事中等劳动强度 的工作，即呼吸量大致为3 0 l m i n 。此时设置呼吸频率为2 0 次分、即呼吸周期 为t =