垂直單向流潔凈室的氣流流型模擬與優(yōu)化

周俊杰，房全國，吳 冰，王定標(biāo)

(1．鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州450001;2．三門峽市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗測試中心，河南 三門峽472000 )

0 引言

潔凈室是應(yīng)用空氣潔凈技術(shù)進(jìn)行污染控制的房間，它是實現(xiàn)GMP 的一個重要因素． 灌封車間是醫(yī)藥生產(chǎn)區(qū)域中的重要潔凈區(qū)域，潔凈等級一般為100 級． 根據(jù)《醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》［1］，空氣潔凈度為100 級的醫(yī)藥潔凈室應(yīng)采用單向流潔凈室． 潔凈室能否達(dá)到一定的空氣潔凈度，能否有效控制并排除微粒的污染，所涉及的因素較多，其中室內(nèi)的氣流組織影響較大．

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者在氣流組織的模擬方面做了大量工作［2-4］． 和麗虎等［5］、鐘武等［6］、向立平等［7］利用fluent 分別對會議室、辦公室、客車內(nèi)的氣流組織進(jìn)行了模擬研究． 于楠［8］、韓何［9］利用Phoenics 分別對體育館、潔凈室進(jìn)行了模擬研究．黃聞華等［10］運(yùn)用CFD 技術(shù)對潔凈室內(nèi)的氣流組織進(jìn)行了設(shè)計，其主要從氣流平行度方面對潔凈室進(jìn)行了研究，并未考慮亂流度的要求．仲遇程［11］對單側(cè)回風(fēng)形式的潔凈室的氣流進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過實驗測定了潔凈室截面的流速，計算了亂流度參數(shù)，但實驗成本較大，周期長．筆者利用fluent 軟件對垂直單向流潔凈室進(jìn)行數(shù)值模擬，綜合考慮不同過濾面積下的流線平行度和亂流度及斷面平均風(fēng)速，得出垂直單向流潔凈室的最佳滿布比，使?jié)崈羰夷芨玫臐M足實際生產(chǎn)的需要．

1 垂直單向流潔凈室

垂直單向流潔凈室如圖1 所示，頂棚滿布高效過濾器送風(fēng)，全地板格柵回風(fēng)．其特點(diǎn):可獲得均勻的向下單向平行氣流，因而自凈能力強(qiáng)，能夠達(dá)到最高的潔凈度級別，單向流潔凈室必須滿足四項特性指標(biāo):流線平行度、亂流度、下限風(fēng)速及斷面平均風(fēng)速［11］．

圖1 垂直單向流潔凈室Fig．1 Vertical unidirectional flowing clean room

(1)流線平行度．在單向流潔凈室中，實際的流線并不是完全平行，有一個允許的流線平行度，如果流線是漸變流的曲線，則其和工作區(qū)下限平面的交點(diǎn)與和操作人員工作區(qū)的交點(diǎn)之間的連線，與水平方向的傾角應(yīng)大于65°．

(2)亂流度． 單向流潔凈室要求室內(nèi)為均勻流，速度場的均勻?qū)τ趩蜗蛄鳚崈羰沂呛苤匾模痪鶆虻乃俣葓鰰黾铀俣鹊拿}動，促進(jìn)流線間質(zhì)點(diǎn)的摻混．速度場的均勻性可用亂流度βn來衡量．對于單向流潔凈室，設(shè)計上一般取βn不大于0．25 ～0．30．

當(dāng)斷面有n 個網(wǎng)格時，其速度的平均值Vp和亂流度βn分別為

式中:Vp為平均風(fēng)速，m/s;Vi為第i 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的風(fēng)速，m/s;n 為網(wǎng)格數(shù);βn為亂流度．

(3)下限風(fēng)速:垂直單向流潔凈室內(nèi)沒有明顯熱源時，下限風(fēng)速取0．12 m/s．

(4)斷面平均風(fēng)速:斷面平均風(fēng)速的取值關(guān)系到凈化系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用，以及空氣潔凈度等級．《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》規(guī)定100 級單向流潔凈室的斷面平均風(fēng)速為0．2 ～0．5 m/s．

2 垂直單向流潔凈室數(shù)值模擬

2．1 控制方程

筆者所研究的潔凈室內(nèi)氣流速度很小，斷面風(fēng)速小于0．5 m/s，故室內(nèi)氣體可視為不可壓縮均質(zhì)流體．由于100 級的潔凈室的換氣次數(shù)多，其送風(fēng)溫差不超過2°，大部分區(qū)域的溫度場是均勻的，此處不考慮能量方程．流動過程中的控制方程主要是連續(xù)性方程和動量方程:

(1)連續(xù)性方程

式中:u、v、w 表示速度在x、y、z 方向上的分量．

(2)動量方程

式中:xi(i = 1，2，3)、xj(j = 1，2，3)為坐標(biāo)系坐標(biāo);ui(i = 1，2，3)為沿i 方向的速度分量;fi為沿i 方向的質(zhì)量力;p 是靜壓;ρ 為空氣密度．

2．2 模型建立

潔凈區(qū)的尺寸為:長×寬×高=9 m ×6 m ×3 m．在模擬研究的過程中，人員活動情況及工作設(shè)備臺都尚未進(jìn)入，即空態(tài)潔凈室內(nèi)的狀況模擬．

在潔凈室的氣流設(shè)計中，采用頂棚布置高效過濾器、格柵地板回風(fēng)方式．下面就該種方式對上述的潔凈室進(jìn)行模擬，滿布比(末級過濾器凈面積與布置末級過濾器截面的總面積的比值)分別取100%、90%、80%、70%和60%，分析比較各自的氣流組織的優(yōu)劣，不同的滿布比對應(yīng)的送風(fēng)風(fēng)速大小(其中不同滿布比下的空氣流量相同)和過濾器的尺寸見表1．圖2 為滿布比為70%的潔凈室模型，坐標(biāo)原點(diǎn)為底面矩形的中心．

網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為200 250．邊界條件設(shè)置:進(jìn)口為Velocity-inlet，出口為Outflow，其他邊界默認(rèn)為Wall，計算區(qū)域設(shè)為fluid．計算區(qū)域及邊界條件如圖2 所示．

表1 不同滿布比下的風(fēng)速大小和過濾器尺寸Tab.1 Air velocity and filter size of different ratio of blowing area

圖2 潔凈室模型Fig．2 Clean room model

2．3 求解參數(shù)設(shè)置

①流體為空氣，密度和黏度恒定，密度ρ 為1．225 kg/m3，黏度μ 為1．789 ×10-5kg/(m·s)．②求解器選擇COUPLED IMPLICIT SOLVER，選擇穩(wěn)態(tài)計算．③為了提高計算精度，差分格式采用二階迎風(fēng)格式． ④速度場和壓力場的求解基于SIMPLE 算法，壓力松弛因子取0．3，動量松弛因子取0．7．⑤湍流模型選擇k-ε 標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)．

3 模擬結(jié)果及分析

(1)流線分布． 模擬得出滿布比分別為100%、90%、80%、70%和60%時潔凈室的流場分布．將計算的數(shù)據(jù)導(dǎo)入tecplot 中后處理分別得到X=0 斷面、Y =0 斷面(坐標(biāo)位置見圖2)的流線分布情況及速度分布情況，結(jié)果表明兩個斷面的分布情況相似．X=0 斷面的流線分布情況及速度分布情況如圖3 所示．

圖3 X=0 斷面不同滿布比下的流線及速度分布Fig．3 Streamline and velocity distribution of different ratio of blowing area for the section x equal to zero

由圖3 可以看出，過濾器的滿布比越大，出口處的流線平行度越好，進(jìn)口處的旋渦越小．當(dāng)滿布比為60% ～80%時，潔凈室的主體流動仍是單向平行流，在出口靠近墻面處，流線是漸變流的曲線，流線與水平方向的傾角都大于65°．從流線平行度的角度出發(fā)，滿布比大于60%的潔凈室滿足單向流潔凈室要求．

但當(dāng)滿布比為60%和70%時，進(jìn)口處旋渦均較明顯，當(dāng)滿布比為90%或更大時，雖然進(jìn)口處沒有旋渦，但滿布比越大，建造所需頂棚高效過濾器及風(fēng)機(jī)的數(shù)量越多，頂層用于布置照明及過濾器邊框的空間越小，這樣會增加建造成本及建設(shè)難度;當(dāng)滿布比為80%時，進(jìn)口處雖有旋渦，但旋渦較小，且流線平行度也滿足單向流要求．綜合考慮，選擇滿布比為80%的潔凈室較合適．

(2)亂流度及斷面平均風(fēng)速．在fluent 中將X=0 斷面、Y=0 斷面的速度值導(dǎo)出為ASCII 文件，再將該文件導(dǎo)入matlab 中處理，得到斷面上所有節(jié)點(diǎn)的速度值，利用式(1)和式(2)計算得出X =0 斷面、Y =0 斷面的亂流度，斷面的平均風(fēng)速如圖4 和圖5 所示．

由圖4 和圖5 可以看出，隨著滿布比的減小，亂流度逐漸增加，斷面平均風(fēng)速增加;當(dāng)滿布比為60%時，X=0 斷面的亂流度為0．322 0，Y =0 斷面的亂流度為0．342 4，均大于0．3，已不符合要求． 當(dāng)滿布比為80%時，X=0 斷面的亂流度為0．180 3，Y=0 斷面的亂流度為0．194 0，都小于0．3;X=0 斷面的平均風(fēng)速為0．335 4 m/s，Y =0斷面的平均風(fēng)速為0．335 5 m/s，均在0．2 ～0．5 m/s 范圍內(nèi)． 由此可以看出，選擇滿布比為80%的設(shè)計方案符合潔凈室的設(shè)計要求．

4 結(jié)論

在典型的送風(fēng)方式下對垂直單向流潔凈室模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，在不同滿布比下分析比較了它們各自的氣流組織的優(yōu)劣．通過模擬得出:

(1)滿布比越大，出口處的流線平行度越好，進(jìn)口處的旋渦越?。?當(dāng)滿布比為60% ～80%時，潔凈室的主體流動仍是單向平行流，在出口靠近墻面處，流線是漸變流的曲線，流線與水平方向的傾角都大于65°．從流線平行度的角度出發(fā)，滿布比大于60%的潔凈室滿足單向流潔凈室要求．

(2)隨著滿布比的減小，亂流度逐漸增加，當(dāng)滿布比為60%時，X=0 斷面的亂流度為0．322 0，Y=0 斷面的亂流度為0．342 4，均大于0．3，不符合要求．

(3)當(dāng)滿布比為60%和70%時，進(jìn)口處旋渦較明顯，當(dāng)滿布比為80%時，進(jìn)口處旋渦較小，X=0 和Y =0 斷面的亂流度分別為0． 180 3 和0．194 0，均小于0．3;X=0 和Y=0 斷面的平均風(fēng)速分別為0．335 4 m/s 和0．335 5 m/s，均在0．2 ～0．5 m/s范圍內(nèi)，滿足單向流潔凈室的要求．

［1］ 中國醫(yī)藥工程設(shè)計協(xié)會． GB 50457—2008 醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設(shè)計規(guī)范［S］． 北京:中國計劃出版社，2009．

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［5］ 和麗虎，羅卓英，曠金玉，等．會議室空調(diào)氣流組織形式的數(shù)值模擬研究［J］．節(jié)能技術(shù)，2012，30(2):111 -115．

［6］ 鐘武．夏季辦公室空調(diào)房間氣流組織的數(shù)值模擬［J］．制冷與空調(diào)，2011，25(3):304 -308．

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［8］ 于楠．某體育館室內(nèi)氣流組織CFD 模擬研究［D］．天津:天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，2012．

［9］ 韓何．垂直單向流潔凈室氣流的數(shù)值模擬與分析［D］．上海:同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2007．

［10］ 黃聞華，魏琪，盧啟明．CFD 技術(shù)在潔凈室氣流組織設(shè)計中的應(yīng)用［J］． 潔凈與空調(diào)技術(shù)，2006，(2):7 -11．

［11］ 仲遇程．單側(cè)下回風(fēng)式潔凈室氣流的數(shù)值模擬與測試［D］．上海:同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2007．