架空地板對(duì)潔凈室氣流組織影響的模擬研究

陳浩南 樊洪明 邵伯瑄

北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院

1 工程簡(jiǎn)介

本工程為某潔凈室。該潔凈室的結(jié)構(gòu)為：長(zhǎng)93 m，寬70 m，高19.9 m。潔凈室上夾層凈高為6.5 m，下夾層凈高為5.2 m，地板厚度為1.2 m，潔凈室工作高度為7 m。潔凈室的豎向空間構(gòu)成示意圖如圖1 所示。

圖1 潔凈室豎向空間構(gòu)成示意

圖2 設(shè)備區(qū)域展示

南方向回風(fēng)夾道寬為6.8 m，西方向回風(fēng)夾道寬為2.7 m?；仫L(fēng)夾道上設(shè)置了DCC（干冷盤管）。FFU 的尺寸為1.2 m×1.2 m，風(fēng)機(jī)厚度為0.1 m，F(xiàn)FU 機(jī)外靜壓要求小于80 Pa。帶有FFU 的設(shè)備根據(jù)其風(fēng)量在每個(gè)設(shè)備頂部布置軸流風(fēng)機(jī)。圖2 為設(shè)備區(qū)域布置圖。

合理的氣流組織形式對(duì)保證室內(nèi)潔凈度起著至關(guān)重要的作用：一方面保證潔凈室內(nèi)的污染物能得到有效控制，另一方面保證新風(fēng)能夠合理高效的送到潔凈室內(nèi)。而架空地板的布置率與開孔率對(duì)潔凈室氣流組織有著很大的影響，改變架空地板的開孔率與布置率可以得到符合要求的合理氣流組織。

2 CFD 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

2.1.1 物理模型簡(jiǎn)化

在不影響模擬結(jié)果的情況下，建模之前對(duì)潔凈室的物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。本研究在建模前做出以下假設(shè)[1]：

1） 室內(nèi)空氣為低速不可壓縮氣體，且符合Boussinesq 假設(shè)。

2）室內(nèi)空氣流動(dòng)為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)。

3）忽略能量方程中由于黏性作用引起能量耗散。

2.1.2 物理模型的邊界條件

1）基本參數(shù)：按照標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣物性參數(shù)，即理想氣體的密度為1.225 kg/m3（20 ℃），壓力為101325.0 N/m2。

2）模型參數(shù)：潔凈室的大小93 m×70 m×19.9 m，左側(cè)回風(fēng)夾道的大小為93 m×2.7 m×19.9 m，下側(cè)回風(fēng)夾道的大小為67.3 m×8 m×19.9 m。潔凈室計(jì)算溫度為20 ℃。

3）風(fēng)口邊界條件：FFU 風(fēng)口形狀為矩形截面，其是垂直于風(fēng)口面水平送風(fēng)，大小為1.2 m×1.2 m×0.1 m，面風(fēng)速0.35 m/s 的風(fēng)機(jī)設(shè)置恒定流量為0.504 m3/s，面風(fēng)速為0.4 m/s 的風(fēng)機(jī)設(shè)置恒定流量為0.576 m3/s。圖3 為FFU 布置情況示意圖，中間和右側(cè)白色區(qū)域?yàn)椴贾寐蕿?00%的FFU，面風(fēng)速為0.40 m/s，其他區(qū)域布置率為50%的FFU，其面風(fēng)速為0.35 m/s。

圖3 FFU 布置情況示意圖

在上述條件下，用CFD 軟件scSTREAM 對(duì)潔凈室氣流組織進(jìn)行數(shù)值仿真模擬?？紤]FFU 和回風(fēng)夾道的布置以及設(shè)備布置，初次設(shè)置架空地板開孔率與布置率的方案見圖4，架空地板開孔率與布置率詳細(xì)情況見表1。

圖4 地板初步布置方案

表1 初設(shè)架空地板開孔率與布置率

2.2 計(jì)算網(wǎng)格劃分

本次模擬采用非均勻網(wǎng)格劃分方法，針對(duì)本模型，各方向上需要保證各邊界處與網(wǎng)格線重合，例如設(shè)備邊界、風(fēng)機(jī)邊界等。在靠近邊壁和風(fēng)口處加密，每個(gè)風(fēng)口劃分相同網(wǎng)格數(shù)。網(wǎng)格單元最大x，y，z 尺寸最大分別為0.3 m，0.1 m，0.3 m，總網(wǎng)格數(shù)為1251 萬。開始計(jì)算后經(jīng)過255 步達(dá)到收斂。

2.3 初選架空地板開孔率與布置率模擬結(jié)果與分析

從圖5 可以看出，在潔凈室工作區(qū)內(nèi)，氣流方向基本保持垂直向下，在貼近設(shè)備的局部區(qū)域出現(xiàn)渦流，整個(gè)截面除部分設(shè)備處無上返氣流出現(xiàn)。

圖5 X=40 m 處截面速度場(chǎng)圖

從圖6 可以看出，在一處帶有FFU 設(shè)備處，由于此設(shè)備處的FFU 風(fēng)量較小，設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)上返氣流。

圖6 X=56 m 處縱切面速度場(chǎng)

由以上結(jié)果可知，按照初步設(shè)計(jì)的架空地板開孔率與布置率進(jìn)行布置，在潔凈室的一些區(qū)域還存在上返氣流以及渦流，不符合要求。因此需要對(duì)初步設(shè)計(jì)d的方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到更加合理并且符合要求的結(jié)果。

3 優(yōu)化模型模擬結(jié)果與分析

根據(jù)潔凈廠房氣流組織設(shè)計(jì)原則[2]和初設(shè)方案的模擬結(jié)果，對(duì)架空地板的布置率和開孔率進(jìn)行多次調(diào)整，將地板根據(jù)開孔率和布置率細(xì)分為5 種地板進(jìn)行模擬：50%（100%），25%（100%），17%（100%），17%（75%）以及17%（25%）。并選取工作區(qū)域關(guān)鍵位置進(jìn)行分析，調(diào)整完的地板分布結(jié)果如圖7 所示，架空地板開孔率與布置率詳細(xì)情況見表2。

圖7 地板建議布置方案

表2 優(yōu)化后架空地板開孔率與布置率分布情況

其它條件保持不變，根據(jù)上述的架空地板開孔率和布置率進(jìn)行模擬計(jì)算，得到優(yōu)化方案后的模擬計(jì)算結(jié)果。

調(diào)整后氣流組織情況如圖8：

圖8 改變地板開孔率和布置率后X=40 m 處截面速度場(chǎng)

圖9 改變地板開孔率和布置率后X=56 m 處截面速度場(chǎng)

該截面處氣流組織符合設(shè)計(jì)要求，與圖5（b）圖相比，在貼近設(shè)備的局部區(qū)域的渦流大小減小，氣流組織情雖有好轉(zhuǎn)，但仍然存在渦流。

圖9（a）為調(diào)整地板開孔率和布置率后，X=56 m處截面速度場(chǎng)總圖，圖9（b）為速度場(chǎng)局部放大圖。由圖9（b）可知，該截面處氣流組織符合設(shè)計(jì)要求，與圖6（b）圖相比，在帶有FFU 的設(shè)備處，已消除上返氣流與渦流，氣流方向基本垂直向下，符合潔凈室氣流組織設(shè)計(jì)要求。

圖10 和圖11 為壓力場(chǎng)截面云圖，表3 和表4 為FFU 上下壓差和DCC 兩側(cè)壓差。

圖10 X=37 m 處縱切面壓力場(chǎng)云圖

圖11 Y=47 m 處縱切面全壓場(chǎng)云圖

表3 X=37 m 截面壓差分布情況

表4 Y=47 m 截面壓差分布情況

由以上壓力云圖可知，壓力最大約為59 Pa，最小約為-15 P a。負(fù)壓分布在FFU 吸入口和回風(fēng)夾道處，F(xiàn)FU 上下表面處壓差為63.3 Pa，DCC 兩側(cè)壓差為57 Pa。

4 實(shí)際測(cè)試

為了驗(yàn)證邊界條件的正確性與可靠性，同時(shí)驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性，本文對(duì)潔凈室廠房實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下FFU 上下壓差，F(xiàn)FU 出口風(fēng)量及DCC 兩側(cè)壓差進(jìn)行測(cè)試。

4.1 測(cè)試工具

測(cè)試采用TSI 8710 型微壓風(fēng)速計(jì)，使用其來測(cè)量FFU 的上下壓差，F(xiàn)FU 出口風(fēng)量及DCC 兩側(cè)壓差。

4.2 測(cè)點(diǎn)布置

1）DCC 阻力測(cè)試區(qū)域：在X=37 m 截面和Y=47 m截面的回風(fēng)夾道上選擇高度在0～2 m 的四個(gè)均勻布置的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行阻力測(cè)試。測(cè)點(diǎn)的高度選擇分別是：0.5 m、0.9 m、1.3 m、1.7 m。

2）FFU 測(cè)試區(qū)域：由于布置率為100%區(qū)域已封閉，無法進(jìn)行測(cè)量，因此在布置率為50%的FFU 區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，選擇6 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

4.3 測(cè)試結(jié)果及分析

表5 是在X=37 m 處DCC 阻力測(cè)試結(jié)果，表6 是在Y=47 m 處DCC 阻力測(cè)試結(jié)果。在FFU 全部運(yùn)行的情況下，DDC 兩側(cè)的壓差約為51.8Pa，約占總阻力（FFU 進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口兩側(cè)壓差）的90%。

表5 X=37 m 處阻力測(cè)試結(jié)果

表6 Y=37 m 處阻力測(cè)試結(jié)果

在50 Hz 運(yùn)行條件下，針對(duì)布置率為50%的FFU進(jìn)行測(cè)試，選擇了易于測(cè)試操作的兩個(gè)FFU。表7 是FFU 風(fēng)量測(cè)試結(jié)果，表8 是FFU 壓差測(cè)試結(jié)果。根據(jù)實(shí)測(cè)得到FFU 斷面平均風(fēng)速大約為0.35 m/s，與模擬設(shè)定速度吻合。FFU 上下表面壓差約為58 Pa。

表7 FFU 風(fēng)量測(cè)試結(jié)果

表8 FFU 壓差測(cè)試結(jié)果

FFU 內(nèi)外壓差為65 Pa 左右，小于要求的FFU 的最大機(jī)外靜壓80 Pa，滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)備兩側(cè)壓差模擬值與實(shí)測(cè)壓差值見表9。

表9 設(shè)備兩側(cè)壓差模擬值與實(shí)測(cè)壓差值

FFU 進(jìn)風(fēng)側(cè)與出風(fēng)側(cè)壓差實(shí)測(cè)值與模擬值相差5.3 Pa，相對(duì)誤差為9%。DCC 進(jìn)風(fēng)側(cè)與出風(fēng)側(cè)壓差實(shí)測(cè)值與模擬值相差5.7 Pa，相對(duì)誤差為9%。造成誤差的主要原因是人員流動(dòng)和測(cè)試儀器自身誤差。

從以上分析可知：

1）模擬設(shè)定的速度邊界與實(shí)際情況運(yùn)行情況吻合，邊界條件的設(shè)定具有正確性與可靠性。

2）按照改進(jìn)的地板開孔率與布置率布置，可基本保證工作區(qū)1.2 m 范圍內(nèi)氣流流向垂直向下，在地板上方5 mm 處幾乎沒有上返氣流，符合潔凈廠房設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

1）通過對(duì)潔凈室的壓力和風(fēng)量的實(shí)際測(cè)試，可知采用數(shù)值模擬的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果基本一致，誤差在可接受范圍內(nèi)，模擬具有可靠性與正確性。

2）通過改變架空地板的開孔率與布置率，可以將渦流消除，使氣流方向垂直向下，地板上方2 m 處和5 mm 處不出現(xiàn)上返氣流，符合設(shè)計(jì)要求。

3）架空地板上下表面壓差較小，F(xiàn)FU 機(jī)外靜壓克服的大部分阻力來自于DCC，約占90%。

4）潔凈室FFU 設(shè)計(jì)選型時(shí)可以選擇機(jī)外靜壓更合適的FFU 設(shè)備，減少投資。