醫(yī)藥潔凈室的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬及實(shí)測(cè)對(duì)比

彭皓，雷飛

（1.中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)聯(lián)合工程有限公司，湖北 武漢430077；2.華中科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430077）

要確保藥品的質(zhì)量，除了應(yīng)遵照藥典規(guī)定的特定要求和配方外，還應(yīng)具有符合要求的生產(chǎn)環(huán)境，以防止生產(chǎn)過(guò)程中微粒和微生物的污染、交叉污染.因此，醫(yī)藥潔凈室的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要.在醫(yī)藥潔凈室中，除了保證工作區(qū)的氣流組織符合要求外，室內(nèi)顆粒物濃度即潔凈度也必須達(dá)到要求的級(jí)別［1］.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）模擬在潔凈室的氣流組織設(shè)計(jì)優(yōu)化方面已經(jīng)有不少研究和工程應(yīng)用［2－4］.然而，其中大部分研究仍停留在氣流分析和評(píng)價(jià)上，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)污染的控制，而直接模擬污染物的去除、污染分布和污染控制的研究較少，且多是在實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，僅采用CFD模擬調(diào)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比［5－7］.本文以CFD模擬結(jié)果作為輔助設(shè)計(jì)的計(jì)算工具，實(shí)現(xiàn)潔凈室的污染控制.

1 潔凈室的物理模型

1.1 潔凈室房間模型

為了實(shí)現(xiàn)潔凈室內(nèi)部三維湍流數(shù)值計(jì)算，考慮到計(jì)算因素，建立目標(biāo)潔凈室簡(jiǎn)化物理模型.模擬潔凈室有潔凈室A，B，C，其房間參數(shù)如表1所示.表1中：l，d，h分別為潔凈室的長(zhǎng)、寬、高.根據(jù)3個(gè)潔凈室內(nèi)設(shè)施，分別制作潔凈室A，B，C室內(nèi)設(shè)施簡(jiǎn)化模型，如圖1所示.

表1 CFD模擬潔凈室的參數(shù)Tab.1 Parameters of the CFD simulation of the clean room

1.2 邊界條件

1.2.1 入口邊界條件 入口采用速度入口邊界條件，參數(shù)主要包括送風(fēng)速度、送風(fēng)溫度、湍動(dòng)能和湍流耗散率.在進(jìn)口，湍動(dòng)能和湍流耗散率通常是未知的，按標(biāo)準(zhǔn)雙方程模型分別取1.0，1.3.送風(fēng)速度方向垂直于風(fēng)口面.

1.2.2 出口邊界條件 回風(fēng)口處的速度可由質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律求得.房間底部的回風(fēng)口按充分發(fā)展流動(dòng)的單向化處理，設(shè)為充分發(fā)展流動(dòng)（outflow）或壓力出口（outflow）邊界條件.又由于需要對(duì)回風(fēng)口的具體風(fēng)量進(jìn)行比例的限制，因此，選取充分發(fā)展流動(dòng)邊界條件.

圖1 潔凈室室內(nèi)設(shè)施簡(jiǎn)化模型Fig.1 Simplified model of clean room indoor facilities

1.2.3 固體壁面邊界條件 由于各房間室內(nèi)溫度相同，壁面間無(wú)熱量傳遞，天花板、室內(nèi)墻壁、地面等作為絕熱邊界條件處理，取壁面絕熱邊界條件.

1.3 潔凈室的網(wǎng)格劃分

由于流入流出口對(duì)室內(nèi)空氣流場(chǎng)的重要作用，在網(wǎng)格生成時(shí)要盡可能準(zhǔn)確地反映流入流出的形狀和位置.因課題所研究的潔凈室內(nèi)存在不規(guī)則幾何形狀，故采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式.圖2為潔凈室的網(wǎng)格劃分示意圖.

圖2 潔凈室的網(wǎng)格示意圖Fig.2 Schematic diagram of grid of clean room

2 潔凈室的空氣流動(dòng)模型

潔凈室內(nèi)氣體的流動(dòng)在穩(wěn)定狀態(tài)下可視為恒定流.同時(shí)因室內(nèi)空氣的流速較低，可視為不可壓縮流體，滿足理想氣體狀態(tài)方程.此外，潔凈室內(nèi)部空氣的流動(dòng)屬于湍流流動(dòng)，必須遵守流動(dòng)的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒三大規(guī)律.模擬的3個(gè)潔凈室都為混合流潔凈室，房間背景流動(dòng)都為亂流，上送下側(cè)回式，局部為單向?qū)恿?

根據(jù)室內(nèi)空氣流動(dòng)特點(diǎn)，在數(shù)學(xué)模型上做如下4點(diǎn)假設(shè)與簡(jiǎn)化：

1）室內(nèi)流體為不可壓縮牛頓流體；

2）室內(nèi)流體為粘性流體，流體作定常流動(dòng)，忽略由流體粘性力做功所引起的耗散熱；

3）考慮到潔凈室密閉性良好，且在測(cè)試期間門(mén)窗關(guān)閉，故不考慮漏風(fēng)對(duì)房間流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響；

4）為了簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮氣流的能量損失.

由于潔凈室內(nèi)流體的三維流動(dòng)在恒定不可壓縮的條件下滿足紊流雷諾（Reynolds）時(shí)均方程，其方程表達(dá)式為

綜合考慮模型處理的精度和問(wèn)題解決的耗損，在選擇潔凈室內(nèi)流體紊流模型時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε雙方程模型.

3 CFD的模擬試驗(yàn)

為了更好地確立目標(biāo)潔凈室的模擬環(huán)境，明確潔凈室顆粒物濃度的影響因素，通過(guò)設(shè)置變量的方式，利用不同邊界條件的算例進(jìn)行試算.經(jīng)過(guò)反復(fù)模擬探索計(jì)算和分析，確定了最佳的模擬方式.

3.1 邊界條件試驗(yàn)

系統(tǒng)邊界條件分為風(fēng)口邊界條件和離散相邊界條件兩部分.最終結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，各條件下對(duì)結(jié)果影響不大，趨勢(shì)較為一致，但為了嚴(yán)格控制風(fēng)速大小，模擬計(jì)算選用速度邊界條件，如節(jié)1.2所定邊界條件.考慮到離散型模型在反應(yīng)顆粒物濃度受氣流組織影響時(shí)可行性良好，故采用離散型（DPM）模型對(duì)顆粒物濃度進(jìn)行模擬.

3.2 顆粒物濃度試驗(yàn)

發(fā)塵方式的設(shè)置是顆粒物模擬中很重要的一部分，對(duì)潔凈度和塵粒分布有很大影響.在此選取3種發(fā)塵面，進(jìn)行顆粒物濃度模擬試驗(yàn)：1）房間四周側(cè)壁面發(fā)塵；2）房間四周2m以上側(cè)壁面發(fā)塵；3）除去層流罩的吊頂區(qū)域作為發(fā)塵面.通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，以上3種發(fā)塵量確定方法并不能達(dá)到理想的可行效果.最終通過(guò)查閱《不同送風(fēng)面積下潔凈室濃度場(chǎng)的數(shù)值模擬分析》引入不同發(fā)塵比例的方式，反復(fù)進(jìn)行模擬，較好地實(shí)現(xiàn)了與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的吻合.

4 CFD模擬工況及結(jié)果分析

4.1 污染物散發(fā)位置及比例對(duì)潔凈度的影響

為了探究放散比例對(duì)潔凈度的影響，選定潔凈室C作為模擬對(duì)象，在3種不同的發(fā)塵比例情況下進(jìn)行模擬.3種發(fā)塵比例（γ）分別為1∶3∶10，1∶5∶100和1∶5∶200，選取工作面高度1.2m作為評(píng)價(jià)高度.3種發(fā)塵比例情況下，潔凈室C房間發(fā)塵參數(shù)設(shè)置，如表2所示.表2中：Q為粉塵質(zhì)量流量；M為散發(fā)量；潔凈室單位容積發(fā)塵量（G）為5 000pc·（m3·min）－1（pc為顆粒，下同）［8］.

表2 不同發(fā)塵比例下潔凈室C的參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameter settings of clean room C under different dust proportions

通過(guò)模擬計(jì)算，得出3種發(fā)塵比例時(shí)，1.2m工作高度的顆粒物濃度（C）和房間總濃度（Ctot）的走勢(shì)情況，結(jié)果如圖3所示.具體數(shù)值結(jié)果，如表3所示.表3中：Cave，Cmax分別為室內(nèi)顆粒物的平均濃度和最大濃度；Cn為室內(nèi)顆粒物的濃度標(biāo)準(zhǔn)值.

表3 潔凈室C的全室潔凈度Tab.3 Whole room cleanliness of clean room C pc·m－3

圖3 不同發(fā)塵比例下模擬輸出結(jié)果走勢(shì)圖Fig.3 Simulation charts output results of different dust proportions

綜合文獻(xiàn)和模擬的結(jié)果，建議對(duì)潔凈室C采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)面源發(fā)塵模式，發(fā)塵比例γ＝1∶5∶100.然而在對(duì)潔凈室A，B采用發(fā)塵比例γ＝1∶5∶100時(shí)，模擬所得1.2m處顆粒物平均濃度趨勢(shì)與實(shí)測(cè)結(jié)果不符.經(jīng)過(guò)反復(fù)探索及驗(yàn)算，對(duì)房間內(nèi)無(wú)設(shè)備的情況（潔凈室C），計(jì)算中房間內(nèi)部空間沒(méi)有發(fā)塵面.綜合分析，采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)塵模式，發(fā)塵比例γ＝1∶5∶100.對(duì)于房間內(nèi)有設(shè)備（潔凈室A，B），房間內(nèi)部空間有發(fā)塵面的，將發(fā)塵位置設(shè)置在設(shè)備上.

4.2 污染物散發(fā)量對(duì)潔凈度的影響

選取γ＝1∶5∶100，參照實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（顆粒物平均濃度為5 000pc·m－3），對(duì)相應(yīng)的邊界條件、污染散發(fā)量進(jìn)行估計(jì)，模擬結(jié)果如表4所示.計(jì)算結(jié)果表明：污染散發(fā)量與房間的潔凈度有線性關(guān)系.

表4 兩種發(fā)塵量的潔凈室C模擬全室潔凈度Tab.4 Simulated whole room cleanliness of clean room C under two kinds of dust contents

為了進(jìn)一步確定污染物散發(fā)量對(duì)潔凈度的影響，研究中采用兩個(gè)方法確定污染散發(fā)量，即取潔凈室單位容積發(fā)塵量（G），并計(jì)算對(duì)應(yīng)的潔凈度（C）.方法a：參考《藥廠潔凈室設(shè)計(jì)、運(yùn)行與GMP認(rèn)證》提供的數(shù)值［8］，取潔凈室單位容積發(fā)塵量（G）為5 000pc·（m3·min）－1，在此簡(jiǎn)稱參考發(fā)塵量.方法b：根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果確定污染散發(fā)量，以CFD模擬結(jié)果接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果為準(zhǔn)，在此簡(jiǎn)稱反算發(fā)塵量（Gn）.在測(cè)試平面1.2m下，潔凈室A，B，C的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別為616，212，333pc·m－3.

4.3 模擬工況設(shè)置

模擬潔凈室有3個(gè)，研究中將潔凈室C的模擬工況作為分析對(duì)象，其他兩個(gè)潔凈室模擬過(guò)程相近，不再重復(fù)贅述.潔凈室C總風(fēng)量按設(shè)計(jì)值12 034m3·h－1（包括散流風(fēng)口的風(fēng)量3 740m3·h－1和層流罩風(fēng)量8 294m3·h－1），散流風(fēng)口面積為0.6m2.潔凈室?guī)缀螀?shù)及送回風(fēng)口尺寸位置均為給定值，如表5所示.表5中：l，d，h分別為潔凈室的長(zhǎng)、寬、高.選取γ＝1∶5∶100，污染物參數(shù)設(shè)置如表6所示.表6中：l，d，h分別為潔凈室的長(zhǎng)、寬、高；V為房間體積；G為單位容積空間顆粒濃度；C為空間顆粒物濃度；Q為粉塵質(zhì)量流量；M為散發(fā)量.

表5 潔凈室C的CFD幾何模型參數(shù)Tab.5 CFD geometric model parameters of clean room C

表6 γ＝1∶5∶100下污染物的參數(shù)設(shè)置Tab.6 Parameter settings of pollutants byγ＝1∶5∶100

4.4 參考發(fā)塵量模擬結(jié)果與分析

對(duì)于潔凈室C，工作平面（1.2m）的顆粒物濃度為1 610pc·m－3.圖4（a）～（g）分別為各截面上顆粒物濃度分布圖.表7為3個(gè)房間的全室潔凈度及測(cè)試平面1.2m的潔凈度匯總表.

表7 3個(gè)房間的潔凈度匯總表Tab.7 Cleanliness summary table of three rooms

圖4 各截面上顆粒物的濃度分布Fig.4 Concentration distribution of particles on each cross section

從圖4的各y軸截面圖可看出：沒(méi)有排風(fēng)口的側(cè)墻面，顆粒物無(wú)法通過(guò)近壁面排除，在沒(méi)有排風(fēng)口的墻面中上部，容易形成較明顯的渦流區(qū)，以致顆粒物在此積累明顯，濃度較高.此外，層流罩回風(fēng)口對(duì)顆粒物有較為明顯的卷吸作用，在回風(fēng)口附近存在局部顆粒物濃度偏高的現(xiàn)象.

從圖4的各z軸截面圖可看出：在無(wú)層流罩覆蓋的墻壁角落，有塵粒積累現(xiàn)象；遠(yuǎn)離層流罩覆蓋區(qū)域，向排風(fēng)口移動(dòng)的趨勢(shì)，整體排污效果良好.

綜合圖4可知：層流罩覆蓋區(qū)域，塵粒濃度控制良好，潔凈度級(jí)別在要求范圍內(nèi).

4.5 反算發(fā)塵量下的模擬結(jié)果與分析

由參考發(fā)塵量模擬結(jié)果可以看到，3個(gè)房間的潔凈度級(jí)別均在要求的范圍之內(nèi)，但和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比還有一定差距.在此，提出模擬向?qū)崪y(cè)靠攏的方法，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果確定污染散發(fā)量，通過(guò)試驗(yàn)不同的單位容積發(fā)塵量G，計(jì)算對(duì)應(yīng)的潔凈度，其他計(jì)算邊界條件同參考發(fā)塵量工況.由靠攏算例所得模擬結(jié)果，如表8所示.

不同的單位容積發(fā)塵量下的，氣流分布完全相同，污染分布特點(diǎn)也相同.污染散發(fā)量與潔凈度近似成線性關(guān)系.在單位容積發(fā)塵量5 000pc·（m3·min）－1的參考發(fā)塵量計(jì)算條件下，各個(gè)房間模擬結(jié)果符合潔凈度的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)測(cè)工況結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并不能合理地適應(yīng).在單位容積發(fā)塵量1 000pc·（m3·min）－1反算發(fā)塵量的計(jì)算條件下，各個(gè)房間模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)吻合較好；模擬結(jié)果顯示，除單位容積發(fā)塵量外，研究確定的其他各個(gè)邊界條件比較合理.

表8 不同單位容積發(fā)塵量下測(cè)試平面的潔凈度Tab.8 Test plane cleanliness under different unit volume of dust content pc·m－3

5 結(jié)論

采用CFD方法對(duì)潔凈室的潔凈度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，得出以下3點(diǎn)主要結(jié)論.

1）不同的污染物散發(fā)位置及比例將直接影響到CFD模擬結(jié)果.對(duì)無(wú)設(shè)備、內(nèi)部空間沒(méi)有發(fā)塵面的房間內(nèi)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)塵為主，采用的發(fā)塵比例為γ＝1∶5∶100；對(duì)于房間內(nèi)有設(shè)備，房間內(nèi)部空間有發(fā)塵面的情況，將發(fā)塵位置設(shè)置在設(shè)備上.采用以上方式，CFD模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一致.

2）污染散發(fā)量與房間的潔凈度有線性關(guān)系.采用參考文獻(xiàn)給出的發(fā)塵量，即單位容積發(fā)塵量5 000 pc·（m3·min）－1，計(jì)算房間的潔凈度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).但實(shí)測(cè)潔凈度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，與采用單位容積發(fā)塵量1 000pc·（m3·min）－1的CFD計(jì)算結(jié)果吻合.說(shuō)明在現(xiàn)有的工藝水平下，按參考文獻(xiàn)給出的發(fā)塵量計(jì)算過(guò)于保守.數(shù)據(jù)對(duì)比分析，在單位容積發(fā)塵量5 000pc·（m3·min）－1計(jì)算條件下，參考發(fā)塵量的計(jì)算結(jié)果能滿足潔凈室的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)測(cè)工況結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).參考發(fā)塵量的方法與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并不能合理地適應(yīng).

3）在單位容積發(fā)塵量1 000pc·（m3·min）－1計(jì)算條件下，各房間的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)值比較吻合，且CFD預(yù)測(cè)的3個(gè)房間的潔凈度變化趨勢(shì)一致與實(shí)測(cè)一致.說(shuō)明計(jì)算中采用的邊界條件應(yīng)用于這個(gè)工程能夠很好的預(yù)測(cè)潔凈度，可作為潔凈室氣流優(yōu)化提供參考.

［1］許鐘麟.空氣潔凈技術(shù)原理［M］.3版.北京：科學(xué)出版社，2003：1－553.

［2］LIU Jun－jie，WANG Hai－dong，WEN Wen－yong.Numerical simulation on a horizontal airflow for airborne particles control in hospital operating room［J］.Building and Environment，2009，44（11）：2284－2289.

［3］ROUAUD O，HAVET M.Numerical investigation on the efficiency of transient contaminant removal from a food processing clean room using ventilation effectiveness concepts［J］.Journal of Food Engineering，2005，68（2）：163－174.

［4］NOH K C，KIM H S，OH M D.Study on contamination control in a minienvironment inside clean room for yield enhancement based on particle concentration measurement and airflow CFD simulation［J］.Building and Environment，2010，45（4）：825－831.

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

［6］王科.潔凈室氣流組織模擬及優(yōu)化［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2005：54－65.

［7］張義軍.淺談2010版GMP與潔凈廠房［J］.黑龍江科技信息，2012（5）：26.

［8］許鐘麟.藥廠潔凈室設(shè)計(jì)、運(yùn)行與GMP認(rèn)證［M］.2版.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2011：1－310.