自然神学的魔法原理（共2篇）
1.自然神学的魔法原理 篇一
室内空气质量一直是人们所关心的问题。室内空气质量不好的原因主要由于人体产生的废弃物以及各种室内污染源等造成。室内污染源主要包括建筑装饰材料、多种空气清新剂等化学制剂散发出来的化学污染物、香烟烟雾等[1]。这些物质对人体的危害很大。为了解决空气质量不好的问题,可以采用自然通风及利用换气装置排出浊气。自然通风指的是通过有目的的开口如门、窗和烟囱等,产生空气的流动[2]。在现代建筑中,由于室外气候、建筑方位、建筑间距以及建筑形式与构造等,都直接或间接地影响自然通风的效果。换气装置是指能使工作空间的气体与箱(室)外的空气进行交换的装置,例如换气扇、空调等,这类装置的特点换气效率比较高,但同时需要消耗大量的能量。
针对这些问题,我们提出了一种利用自然风和射流泵来解决室内空气质量不好的方法,设计一种新型的射流泵。与传统的换气方式,采用该射流泵换气具有如下的优点:
(1)结构简单,制作和安装简便,通过将其安装在屋顶,可以解决某些密集型居住地空气对流不好的问题。
(2)没有运动部件,不会产生磨损,极大减少了检修和维护工作及费用。
(3)完全不需要消耗能源,只要室外有自然风即能实现无人值守式的建筑值班。
(4)冬天天气较冷时,打开门窗自然通风,室外的大量冷空气进入室内,造成室内温度急剧降低,使人无法适应,采用射流泵换气能够使室内的空气流速较为缓和,室内气体流速不会太大,从而使人感觉比较舒适。
(5)适合于雨、雪、风沙天气不方便开窗换气时。
射流泵原用于工业上的流体输送及混合,在石油、化工、轻工、水电、交通运输、核工业、污水处理、制冷、航空航天等许多工业部门得到应用。在此,我们利用射流泵的引射作用,将室内的污浊空气抽出,而室内一部分污浊空气排出后,室内的气压小于外界大气压,这样外界的新鲜空气通过门窗的缝隙进入到室内,如此的进行,最终会将室内污浊空气全部换尽,实现自动连续换气,达到无人值守式的建筑值班。与以往的射流泵不同,该射流泵的特点在于,其喷嘴为一个截面积逐渐减小的圆锥型管,构成一个喇叭口形状,喷嘴出口位于渐缩管的末端(见图1),而喷嘴的喇叭口大端能够有效的增加自然风的进气量。
由于喷射泵是依靠射流使流体质点间产生相互撞击来传递能量,在混合过程中产生大量旋涡,在喉管内壁产生摩擦损失以及在扩散管中产生扩散损失都会引起大量的水力损失,从而使大部分能量在传递过程中损失掉,因此需要解决的问题是射流泵的工作性能,即抽吸换气的能力。
为了研究射流泵在室内空间自然换气的可行性,采用目前广泛使用的计算流体动力学软件FLUENT,对射流泵的内部流动特性进行数值模拟,分析了湍流模型下的速度场及压力场分布特性,最后将得到的模拟结果与实验结果进行对比。
1 基本原理
射流泵喷又称喷射器或喷射泵,是一种常见的输送流体的装置。射流泵主要由工作喷嘴、接受室、混合室、扩散器等几部分组成[3](如图2所示)。工作流体以一定速度通过截面积不断减小的喷嘴,速度不断增加,而压力减小,因此,在喷嘴出口处形成一个低压区,引射流体的压力高于喷嘴处的压力,使得引射流体被吸入到接受室,两股流体在喉管内进行混合经扩散器后排出。这种泵的工作原理是基于高速流动的流体产生负压( 低于大气压力) , 将周围的流体吸入并从出口排出。
2 数学模型建立
2.1 方程
射流泵主要利用流体射流紊动扩散作用来传递能量和质量,因此,射流泵流体的流动需要满足质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。
2.1.1 质量守恒方程
式(1)中,ρ是密度;t是时间;V是速度矢量;Sm是加入到连续相的质量。
2.1.2 动量守恒方程
式(2)中,P是流体微元体上的静压;g是作用在微元体上的重力体积力;F是作用在微元体上的其他外部体积力;τ是因分子黏性作用而产生的作用在微元体表面上的黏性应力张量。
2.1.3 能量守恒方程
式(3)中,p是压强;E是流体微团的总能E=h-p/ρ+V2/2;h是不可压缩气体的焓,hj是组分j的焓;keff是有效导热系数。
2.1.4 标准k-ε模型
流体在射流泵内流动时,认为流体在整个泵内是湍流流动的[4]。可实现的k-ε模型直接的好处是对于平板和圆柱射流的发散比率的更精确的预测,而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的表现。所以,应用可实现的k-ε模型来模拟其流场[5]。
湍动能运输方程
湍动能耗散率运输方程
式(5)中,Gk、Gb分别是由层流速度梯度、浮力而产生的湍流动能,μt是湍流黏度;YM是可压缩湍流中脉动扩张的贡献;ε是湍动能耗散率;C1ε=1.44, C2ε=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3。
2.2 基本假设
射流泵的工作状态非常复杂,为了便于我们对射流泵在大气中工作的模拟,做如下的假设:
①工作流体及引射流体均为大气。
②大气的密度很小,重力对其的影响可以忽略不计。
③射流泵内气体的速度较低,可以考虑将气体看成不可压缩气体。
④工作流体和引射流体在射流泵内的膨胀与压缩为绝热过程。
2.3 模型建立
采用Gambit前置处理器建立三维模型,考虑到射流泵是放置在大气中,自然风通过射流泵时,除了一部分自然风通过射流泵,其余部分都在射流泵外面绕流,对模型进行简化,射流泵外部的壁面为大气空间,模拟射流泵在大气场中工作,得到射流泵的计算区域(如图3)。计算区域形状不规则,网格采用Tet/Hybrid体网格划分方法,将体主要划分为四面体网格单元,网格数为379 657个(如图4)。
2.4 边界条件设定
在边界条件的设定中,工作流体的进口采用速度进口,引射流体的进口为压力进口,混合流体的出口为压力出口,射流泵的喇叭口大端及扩散器出口设为内部界面,其余边界均设为壁面。
2.5 求解方式
FLUENT采用有限体积法对控制方程进行空间离散,离散格式为二级迎风。基于压力基的隐式耦合求解器,能够对连续性方程、动量方程、能量方程和标准k-ε湍流方程同时求解,从而解出控制方程中的附加参数。对流场迭代求解的方法为SIMPLE算法,同时对近壁面区域采用标准壁面函数法处理。
3 模拟结果及分析
实际情况中,自然风的流速变化的范围是比较大的,以自然风的流速为2.2 m/s为例,来研究射流泵在室内空间自然换气的可行性。设定的操作压力为101 325 Pa,因此,引射流体的压力及外界大气压力在FLUENT设定时压力均为0 Pa,最终,得到射流泵内的流场速度和压力分布。
3.1 压力分布
从图5中可以看出,自然风通过喇叭口大端面时,附近压力发生变化,越靠近喇叭口,其压力越大,喇叭口大端面的进口壁面处压力达到最大值,根据能量守恒原理,当动能减少,其压力能会增加,模拟结果与理论符合。计算区域的出口处,压力变化不大,这说明离射流泵一定距离处后,大气恢复压力,不再受到射流泵的影响。
3.2 速度分布
图6是速度分布云图。当自然风通过射流泵喇叭口大端面时,越靠近喇叭口处,速度越小。这是因为由于受到喇叭口大端壁面处的阻力的作用,使得自然风的动能不断减小。射流泵的喷嘴处的速度达到最大值。根据伯努利方程知,当一定速度气体通过某一变化截面时,截面越小,此截面处速度越大。喷嘴处的截面面积最小,因此,气体的速度在此处达到最大值。气体从抽吸管不断向接受室内流动,说明此喷射流泵在一定的风速下,具有抽吸能力。工作气体和引射气体在混合管内混合后,通过截面不断缩小的扩散器时,气体的速度变小,同样也满足伯努利方程。
图7是速度矢量图,当一定速度的工作气体通过射流泵的喇叭口大端时,一部分气体在喇叭口大端面处形成绕流,在该处产生了很大的漩涡后,从射流泵的外部流过,而另一部分气体直接通过射流泵的内部,可以看出,工作气体通过喷嘴后产生的速度较高的气体,对接受室周围的气体进行卷切,带走一部分气体,使得接受室内的压力降低,在压差的作用下,使抽吸口不断将引射气体补充到接受室内,然后两种气体在混合室内进行质量和能量的传递,通过扩散器排出。
图8是抽吸管的局部放大速度矢量图,从图8中,清晰的看到抽吸管外,由于射流泵外部的气体通过抽吸管时受到阻碍作用,在抽吸管的右侧形成漩涡,而抽吸管内气体不断从抽吸管往接受室内流动,且流动方向为竖直向上,说明在一定的风速下,此射流泵具有抽吸能力,能将室内的气体抽吸排出,达到换气的目的。
3.3 实验与模拟比对
实验中,将射流泵的抽吸管和射流泵的其余部分置于两个彼此隔离的空间,分别采用热球式电风速仪测量在每组风速下抽吸管口处的空气流速,共采集了8组数据,分别与不同风速下模拟得到的结果进行比对,得到两组的曲线,从图9的曲线可以得出模拟结果与实验结果吻合的很好,说明数值模拟结果可靠。从图9中,还可以看到,自然风的流速在1 m/s—3.5 m/s的范围内,抽吸换气的能力与自然风的流速大小成正比,即风速越大,抽吸换气的能力越大。因此,除了适合于普通建筑物室内空间换气,更适合于相对速度较大的汽车、列车以及船等室内空间的气体交换。限于篇幅的限制,在此我们暂不做深入的讨论。
4 结论
通过数值模拟以及实验,得到的结果如下:
(1)通过物理简化的三维射流泵流场模型,对射流泵全流场进行模拟结果,能够较好地反映实际射流泵内部的特性。
(2)通过实验与模拟的结果比对,证明利用FULENT在室内空间自然换气的研究具有可行性。
参考文献
[1]刘红敏,连之伟.室内环境污染与健康.建筑热能通风空调,2006;(6):47—49
[2]谢浩.民居自然通风技术在现代建筑中的有机运用.广西城镇,2008;(3):82—85
[3]索科洛夫EЯ,津格尔H M.喷射器.黄秋云,译.北京:科学出版社,1977
[4]陶文铨.数值传热学[第二版].西安:西安交通大学出版社,2002:375
2.巴赫平均律中的神学精神 篇二
(一) 巴赫音乐特点简介
巴赫是德国最伟大的作曲家之一。生在巴洛克时代的这位作曲家在风格上积极响应时代号召, 创作出许多具有宗教色彩的声乐器乐作品。其音乐创作理性深沉, 充满了18世纪上半叶德国现实生活的气息。巴赫作为一名虔诚的新教教徒, 通过宗教音乐形式抒发了对人类灾难痛苦的怜悯 . 同情以及对和平与幸福未来的渴望。复调音乐是巴赫最喜欢的叙事方式, 因此复调也是巴赫常用的创作手法。
巴赫的音乐具有德国人特有的严谨的创作特点, 同时有具有自我释放的独创性特点。作为一名新教教徒, 他把音乐从宗教附属品的位置上解放了出来。音乐不再总是歌颂上帝, 也开始歌唱平凡的生命。此外, 他把复调音乐与主调音乐结合, 大大丰富了音乐的表现力。除了声乐作品外, 巴赫的体裁创作涉猎广泛, 奠定了现代西洋音乐几乎所有作品样式的体例基础。因此巴赫被后世尊称为“西方音乐之父”。同时, 巴赫确立十二平均律的原则使他的创作造诣达到了顶峰。
(二) 巴赫平均律简介
平均律钢琴曲集是使用一切全音和半音的调式及大小调作成的前奏曲和赋格, 巴赫把八度音程等分为十二个半音的律制, 此时的律制已是近乎现代的“纯律”。巴赫把平均律运用于24个大小调, 从此一本具有理性精神的钢琴著作便产生了。在巴赫的平均律中, 前奏曲作为一个即兴的部分显的比较随意, 而赋格的写作则运用了严格的复调写作手法, 它们大多有一个主题形态, 而后在全曲中进行发展变化, 这样乐曲的整体性便显的格外统一。音乐处处透露着一种形散而神不散的精神, 而这种精神便是巴赫所崇昌的神学精神。因此, 巴赫的《十二平均律》也被称作”旧约全书”。
二、神学和艺术
(一) 神学和艺术创作的关系
在古希腊, 神学和艺术本就是相关的。它们都是抽象的, 不可琢磨的, 通过直觉的凝聚, 把直觉意象融合为一点而形成的。在艺术创作中, 作曲家通过随时闪现的灵感, 把抽象的直觉转换成音乐语言。若两者结合, 我们便可听到一种神圣, 庄严的宗教音乐, 巴赫便是个可以把两者完美结合的好手, 而他的《十二平均律》便是巴赫和上帝对话的媒介。
神话和艺术自生成开始就有着密切的联系。首先, 神话和艺术都是虚构的, 抽象的, 不可触碰的。其次, 神话和艺术都是感性的, 具有信仰且感化人心的力量。因此, 神学感念已经作为巴赫艺术创作中的音乐符号, 并在创作中把这种无形的音乐符号注入的艺术创作中, 形成巴赫式的独有的创作特点, 因此, 在巴赫的创作中, 神学精神作为一种特定的表现精神无时无刻不被表现出来。
(二) 影响神学艺术形成的因素
如果把艺术当作客体, 艺术的发展无时无刻不受着外部环境的影响。艺术的发展具有历史性和前进性的特点, 因此, 艺术的形成不是一蹴而就, 而是循序渐进的。在艺术的发展过程中也不可避免的会遇到内部或外部环境的影响, 对其自身发展形成一定的影响作用。而巴赫的创作作为艺术本身也不可避免的会受到影响。
首先是文化对艺术发展的影响。在西方世界发展的进程中, 宗教文化起着举足轻重的作用。十六世纪, 马丁路德在西方进行宗教改革, 创立路德新教, 使圣经真正走进平民, 而不再是仅仅依靠神职人员来解读。欧洲发生的这一事件对同路得一样身为德国人的巴赫影响很大, 他不但加入了路德新教, 而且作为一名虔诚的教徒, 在其音乐创作中无时无刻不体现出他对上帝的敬畏之情。路得曾说过:“上帝的话语与音乐是最密切的结合”。巴赫恰是把这两者结合的最好的艺术家。上帝在巴赫心中是神圣的, 在他的音乐中我们常会听到上帝的福音, 作为一名有信仰的人, 巴赫的音乐是为上帝的荣耀而写的。虽然, 上帝无法看到, 但是却可以听到这份纯净的心灵之音。
其次, 经济和政治也对艺术的发展具有一定的影响。艺术的商品价值是商业社会附加给作品的属性。商业社会是一个严重功利化的世界, 实用性是艺术家们真正该在意的事情, 而功利主义正是艺术的敌人。作曲家的创作若是为了温饱生计而作, 那便会具有功利性的倾向, 巴赫早期的创作不乏有这样的作品, 特别是其创作的声乐作品大多是为了迎合巴洛克时期贵族们的生活品味。但在巴赫中后期作品创作中, 作为一个伟大作曲家该有的创作精神和对艺术美的追求才真正显示出来。《十二平均律》便是一部真正的伟大作品, 是不带一切功利性质的, 实用性较强的艺术作品。此外, 艺术作品的创作不可避免的会受到政治因素的影响。巴赫生于十七世纪的德国, 此时的欧洲处于文艺复兴和启蒙运动时期, 在创作上自然是不受禁锢, 并且, 当时的德国正当盛年, 处于积蓄力量的时期, 并没有受到侵略。因此巴赫的平均律不会像肖邦的马祖卡一样处处体现着爱国热情, 因为没有如同当时波兰一样受侵略的政治背景, 因此, 巴赫的音乐是一种纯粹的心灵之音。且巴赫的音乐偏于理性, 这也是因为德国本身严谨理性的特点。因此, 巴赫写不出肖邦的浪漫, 在他的音乐中也没有李斯特的激情。巴赫仅是用最纯粹的音乐来表现心中的信仰。
再次, 艺术受内部发展的横向影响。艺术的发展一直都是有据可循的, 所有东西不是一下形成的, 都不可避免的要受其他艺术家或艺术形式的影响。巴赫的平均律是第一个运用二十四个大小调来写作的作曲家, 但在他之前, 费舍尔曾谱写过二十个调的前奏曲与赋格, 恰巧费舍尔也是一名虔诚的教徒, 其理性的音乐创作对后世留下了深远的影响。因此, 费舍尔的创作对于巴赫来说本就一个很好的范本, 这无疑影响了巴赫对十二平均律的创作。其实创新本就是在借鉴的基础上形成的, 巴赫的创作亦是如此。
三、巴赫音乐对社会的影响
(一) 作为宗教音乐抚慰人民
《十二平均律》的创作与其说是一部纯艺术品, 不如说是巴赫个人信仰的宣露, 在音乐中他用一颗虔诚的心与上帝对话, 拉近了人民与上帝的距离。它的创作不可避免的受到当时社会环境的影响, 在宗教统治政权的这个政治背景下, 巴赫的音乐常被宗教用来宣传教义, 成为宗教控制人民精神的一种手段。通常情况下, 巴赫与宗教音乐是并存的。现实中的人们总是把希望寄托于上帝的恩赐, 巴赫的音乐恰巧是人民与上帝对话的媒介, 理性而庄严。他用音乐向人们阐释着教义与生命, 人们也通过巴赫的音乐走近上帝。依路德的神学角度来看, 音乐与人的肉体、心灵的距离, 比起音乐和信仰话语内容的距离, 应是更为接近。因此, 巴赫的音乐作为一种更直接的语言, 直抵人们的心灵, 他作为上帝的使者, 在音乐创作总流露出更多象征性意味的语言, 他的平均律更像是上帝的福音, 在情感释放中抚慰着人们的心灵。
(二) 艺术中体现着大爱
巴赫是最懂上帝的音乐家, 对上帝的崇敬之情始终影响着他的创作。他认为宗教音乐本身就代表着一种信仰, 上帝也从未离开我们。因此, 巴赫把音乐作为向上帝传达意志的形式, 把创作音乐看成是荣耀上帝的唯一方式。他对上帝的爱已经融入到血液里, 融入到音乐中了。但巴赫并不是一个循规蹈矩的音乐家, 独创性的音乐特点常在他的创作中显现。巴赫在创作中从不拘泥于陈腐的宗教音乐套式, 常注重创新。他曾多次在宗教作品中运用世俗音乐成分、增加音乐的享受性和戏剧性, 他的努力使巴洛克音乐向前迈进了一大步。作为一名新教教徒, 他在用音乐向上帝致敬, 我们常常能从巴赫的音乐中感受到他对上帝的爱, 他在用音乐唱歌生命, 赞颂上帝, 透露出无私的大爱。