第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
焊接是机械加工业不可缺少的工业技术手段，据不完全统计，以焊接为主要加工技术(或焊接对其产品质量具有关键影响的)的企业数量达7000多家，这些企业在中国工业经济建设中影响深、涉及面广，在国民经济建设中具有举足轻重的地位。随着现代工业的发展，焊接新材料的不断出现与应用，焊接及相关工艺过程日新月异。然而，随之产生的有毒有害物质——焊接烟尘也很多，并且常常积聚悬浮在车间上部空间，造成车间工作、卫生条件很差[1]。焊接烟尘主要包括气体、烟雾、灰尘等，是一种十分复杂的物质，已在烟尘中发现的元素多达 20 种以上，并且烟尘化合物十分复杂。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 风口模型研究现状
1991年[23]，Skovgaard和Nielsen用指定速度法对HESCO散流器进行了数值模拟，将计算所得之工作区内最大速度与实验数据进行比较，发现吻合得较好。1990年[24],Heikkinen提出了基本模型来模拟一个“HESCO”形式的多孔散流器，他将风口简化为一个矩形开口，矩形的面积与原风口的自由出流面积相等。1991年[25],Skovgaard和Nielsen用基本模型对“HESCO”散流器进行了计算,计算时将入口湍流动能K取为湍流强度的10%，而入口湍流耗散率ε按照CK1.5/l确定。计算结果与实测值的对比表明，射流衰减趋势大致相似，但是各点的速度值相差较大。
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第二章 高大焊接厂房气流组织 CFD 模拟数学模型
2.1 湍流流动模拟方法
利用湍流模式理论来模拟湍流流动的主要方法有：直接数值模拟(DNS,Direct Numerical Simulation )、大涡模拟(LES, Large Eddy Simulation)和湍流输运模型模拟(Turbulence Transport Modeling)。直接数值模拟(DNS) 是在湍流尺度的网格尺寸内，不加入任何人为假设，直接求解瞬态三维 Navier-Stokes 方程，从而获得全部流场信息。然而，这一方法对计算机性能要求极高，是目前无法承受的。另一种要求稍低的办法是亚网格尺度模拟即大涡模拟(LES)，该法是基于湍流流动的流动特性由流场中的大涡旋决定而小涡旋只是耗散能量这一假设，对大涡进行计算，对小涡利用湍流模型进行模拟，从而实现对整个湍流流场的模拟。这一方法即可模拟湍流结构也可以满足工程技术要求。然而，大涡模拟仍需花费相当的计算代价，对于复杂的三维流动仍“束手无策”，因此在实际应用中还难以适应。
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2.2 湍流输运模型模拟
对于雷诺应力这类二阶脉动相关项，若推导出其相关的微分方程组，那么将会出现三阶的脉动相关项，再推导三阶脉动相关项的微分方程，又会出现四阶脉动相关项，如此下去，方程组永远无法封闭。为此，我国学者周培源于 1940 年建立了一般湍流的雷诺应力所满足的微分方程组，并进一步推导了四阶脉动相关项的微分方程，在此基础上引入假设，使方程组封闭。对于二阶脉动相关项的微分方程，若借助半经验理论，用低阶脉动相关项或者时均值表示其中的三阶脉动项，则可封闭方程组，这样的湍流模型即所谓的“二阶模型”。其中较具代表性的有雷诺应力模型 RSM(Reynolds Stress Model)和代数应力模型 ASM(AlgebraicStress Model)。然而，利用“二阶模型”封闭后的方程数量有 16 个之多，应用于工程实际仍有困难。因此，文章对这类模型不展开论述，转而详细阐述工程中应用广泛的涡粘性系数模型 EVM(Eddy Viscosity Model)。在介绍涡粘性系数模型之前有必要对各模型的共同基础——Boussinesq 假设做一介绍。
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第三章 高大焊接厂房 CFD 模拟中风口模型、热、污染源模型研究..........26
3.1 风口模型研究 ...........................26
3.2 热、污染源模型研究 .......................38
3.3 某铝合金焊接厂房置换通风数值模拟 ................49
3.4 本章小结 ...........................58
第四章 风口模型实验验证.....................59
4.1 模型实验理论 ...........................59
4.2 模型实验相似条件的保证 ...................61
4.3 PIV 技术简介 .................................64
4.4 模型实验结果及分析 ......................66
4.5 本章小结 .....................................68
第四章 风口模型实验验证
本章利用粒子图像速度场(Particle Image Velocimetry, PIV)技术对某型号置换送风筒周围流场进行研究，揭示风筒周围空气速度分布的规律，并对本文提出的置换送风筒简化模型进行验证。
4.1 模型实验理论
相似性原理是模型实验的理论根据，要保证两个流动问题的力学相似，必须是两个流动几何相似、运动相似，动力相似，以及两个流动的边界条件和起始条件相似。
4.1.1 几何相似几何相似
是指流动空间几何相似。即形成此空间任意相应两线段夹角相同，任意相应线段长度保持一定的比例，该比例常数称为长度比例常数.
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结论
本章对现有风口模型进行了简单回顾，分析了各风口模型的优缺点，对于工程中的孔板类风口，提出了 CFD 模拟中十分简便的简化方法，并在此基础上提出了圆柱形置换送风筒 CFD 模拟的简化策略。接着，按照热源产生的热烟羽相近的原则，提出了焊接热源的简化方法，同时对焊接污染源的处理也给出了一个全新的解决方案。最后对某铝合金厂房焊接烟尘控制和置换通风系统进行模拟，分析了该通风系统的除尘及控制温度、风速的性能，并进一步研究了焊接热源强度对厂房内烟尘分布、温度分布和气流速度分布的影响。
参考文献（略）