呼吸防护面具罩体的流体力学分析及参数化建模研究

论文摘要

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UG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(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)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ICEM CFD对其进行网格划分；采用计算流体力学分析软件CFX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UG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、UG风格对话框和建模调用程序,并将其在UG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CFX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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究背景及意义
• 1.1.1 论文研究背景
• 1.1.2 论文研究意义
• 1.2 本文主要研究内容
• 1.3 本章小结
• 第2章 呼吸防护面具流场特征分析
• 2.1 确定流场流动的基本特征
• 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
• 2.1.3 可压缩流体和不可压缩流体
• 2.1.4 层流与湍流
• 2.1.5 定常与非定常流动
• 2.2 数值模拟主控方程
• 2.2.1 连续性方程
• 2.2.2 Navier-Stokes方程
• 2.3 边界条件
• 2.4 三维湍流模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 呼吸气流CFD分析
• 3.1 CFD简介
• 3.1.1 CFD在呼吸动力学方面的应用
• 3.1.2 CFD软件CFX
• 3.2 三维建模
• 3.2.1 适配设计
• 3.2.2 几何建模
• 3.3 划分网格
• 3.3.1 修复儿何
• 3.3.2 面分组
• 3.3.3 创建Body
• 3.3.4 网格设置
• 3.4 流场数值模拟
• 3.4.1 前处理
• 3.4.2 计算求解
• 3.4.3 后处理
• 3.5 本章小结
• 第4章 面具罩体参数化建模
• 4.1 UG/Open简介
• 4.2 参数化设计
• 4.3 简单面罩的参数化建模
• 4.3.1 UG/Open MenuScript定制菜单
• 4.3.2 UIStyler设计对话框
• 4.3.3 使用MFC创建工程框架
• 4.3.4 编译"导入"程序
• 4.3.5 编译"建模"程序
• 4.3.6 面罩参数儿何模型
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录:硕十期间发表的论文