4. 几何建模与计算域处理

工业通风CFD仿真的几何建模，本质上是把真实的三维空间“翻译”成求解器能读懂的计算域。这一步决定了后续网格质量、计算量乃至结果可信度。很多仿真失败并非湍流模型选错，而是几何阶段就埋下了隐患：要么把不该简化的细节删掉，导致流动阻力失真；要么把厂房里每一颗螺栓都建出来，网格量爆炸却对结果毫无影响。本节围绕“建什么、建多大、怎么修”三个问题展开。

一、几何简化的核心原则：保流动、舍装饰

简化的判断标准只有一条：该几何特征是否显著影响目标流场。工业通风关注的是速度场、压力损失、污染物浓度分布和罩口捕集效率，因此凡是能改变流动方向、产生局部阻力或影响射流衰减的结构都必须保留，而纯装饰性、工艺性但不参与流动的细节可以删除。

具体来说，厂房围护结构中的墙、屋顶、地面、大门、窗洞应保留，因为它们限定了内流场的边界；但墙面上的电缆桥架、照明灯具、消防管道，若不在主要气流路径上，可简化为忽略或合并为等效粗糙度。管道系统应保留弯头、三通、变径、阀门和风阀的流通截面，因为这些是局部阻力损失的主要来源；而法兰螺栓、焊缝余高、保温层外皮可以删除。罩口是通风系统的“入口”，其形状、尺寸、安装高度和围挡形式直接决定捕集效率，必须按实际几何建模，不能简化为一个矩形面。障碍物如设备、平台、梁柱，若位于射流路径或回流区，应保留其外形轮廓；若远离主流区，可简化为等效块体甚至忽略。

二、内流场与外流场：计算域边界怎么定

工业通风仿真通常涉及两类计算域。内流场指空气在厂房、管道、罩口内部的流动，边界由固体壁面限定，入口为送风口或罩口，出口为排风口或管道出口。外流场指厂房外部或罩口外部的自由空间，空气从无限远处被吸入罩口，边界需要人为设定。

内流场计算域的确定相对直接：按厂房实际尺寸建立封闭空间，送风口设为速度入口或质量流量入口，排风口设为压力出口或速度出口。需要注意的是，若管道系统较长，可将管道入口作为计算域起点，但应保证入口段有足够长度使流动充分发展，一般取管道直径的5～10倍。

外流场计算域的确定更考验经验。以局部排风罩为例，罩口外部的吸入流场理论上延伸到无穷远，但实际只需取到速度衰减至可忽略的位置。工程上常取罩口特征尺寸的3～5倍作为外流场边界距离。例如一个直径为0.3 m的圆形罩口，外流场计算域可设为边长1.5～2.0 m的立方体，罩口位于其中一个面上。边界条件设为压力入口（总压为零），模拟空气从静止环境被吸入。若厂房内有多个罩口或存在横向气流，外流场范围应适当扩大，并考虑厂房墙壁对吸入流场的干扰。

三、几何清理与修复：让模型“干净”起来

从CAD导出的几何模型往往带有各种缺陷，直接划分网格会导致失败或质量极差。常见的几何问题包括：面与面之间存在微小缝隙或重叠、曲面法向不一致、存在自由边或非流形边、细小面片和短边、以及不必要的内部面。

清理与修复的基本流程如下。第一步是导入后检查几何拓扑，识别自由边、非流形边和重复面。大多数前处理软件（如ANSYS SpaceClaim、ICEM CFD、Fluent Meshing）都提供“几何诊断”工具，可自动标记问题区域。第二步是缝合缝隙，将容差范围内的自由边合并，通常容差取模型最小特征尺寸的1%～5%。第三步是修复法向，确保所有面的法向指向计算域外部或内部一致，否则求解器无法正确识别流体区域。第四步是删除或简化细小特征，如直径小于管道直径1/10的孔洞、长度小于5 mm的短边，这些特征对流动影响极小却会急剧增加网格量。第五步是创建计算域，对于内流场，通常用“封闭”操作将厂房和管道内部抽取为流体域；对于外流场，则需在罩口外部创建一个包围盒，并用布尔运算减去固体部分。

四、一个可复用的检查清单

为便于实际操作，以下清单可作为几何建模完成后的自检依据。清单中的参数为示例建议值，具体应根据项目尺度和精度要求调整。

几何建模与计算域处理没有“一刀切”的公式，但有一条贯穿始终的逻辑：所有简化都必须以不改变目标流动特征为前提。内流场关注壁面约束和局部阻力，外流场关注边界距离和吸入流场范围。清理修复的目标是让几何“干净、封闭、法向一致”，从而为后续网格划分和求解提供可靠基础。完成这一步后，才真正进入网格策略与边界条件设置阶段。