化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室換氣次數(shù)數(shù)值模擬分析

任塞峰 唐汝寧 李軍軍

1 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

2 中國電信股份有限公司云計(jì)算內(nèi)蒙古分公司

目前我國實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于換氣次數(shù)的規(guī)定很少涉及，雖有些提到換氣次數(shù)要求，但仍較為籠統(tǒng)，根據(jù)文獻(xiàn)[1]中的描述：“有輕度污染的實(shí)驗(yàn)室房間換氣次數(shù)宜為6～8 次/h。有大量污染的實(shí)驗(yàn)室房間換氣次數(shù)宜為8～12 次/h”，但規(guī)范中并未界定“輕度污染”與“大量污染”的標(biāo)準(zhǔn)和污染物種類，且化學(xué)分析室污染量隨著檢測頻次的增減而變化，很難固定。本文以某典型化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室為研究對(duì)象，運(yùn)用CFD 技術(shù)，對(duì)比不同換氣次數(shù)下的氣流分布，總結(jié)出化學(xué)分析室合理的換氣次數(shù)要求。

1 可靠性驗(yàn)證

1.1 測試平臺(tái)概況

測試實(shí)驗(yàn)室位于上海市浦東新區(qū)秀浦路2555 號(hào)A1 樓7 層B 座，倚世節(jié)能科技（上海）有限公司自主搭建的測試平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部尺寸為（長×寬×高）4.8 m×3.9 m×3.0 m，面積約18.7 m2，四周圍護(hù)結(jié)構(gòu)為彩鋼板，密封、隔熱性能良好，送風(fēng)口、排風(fēng)口位于室內(nèi)吊頂處。室內(nèi)放置一臺(tái)通風(fēng)柜，尺寸為（長×寬×高）1.50 m×0.92 m×2.37 m，最大開啟高度0.875 m，排風(fēng)管直徑0.25 m。

1.2 檢測儀器、工具

測試使用的儀器及工具見表1。

表1 檢測儀器、工具

1.3 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

開始測試前，準(zhǔn)備好測試儀器，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室門，室內(nèi)無人員走動(dòng)，啟動(dòng)房間送排風(fēng)系統(tǒng)，將通風(fēng)柜拉門開至最大開度，距排風(fēng)柜1.5 m 范圍內(nèi)無超過0.1 m/s的橫向氣流干擾[2]。使用風(fēng)速儀測量操作口斷面風(fēng)速，調(diào)節(jié)風(fēng)閥使斷面風(fēng)速保持在0.4～0.5 m/s，讓實(shí)驗(yàn)室至少運(yùn)行5 min，以排空殘余氣體，同時(shí)也可穩(wěn)定氣流。

1.4 測試步驟

1）將通風(fēng)柜操作視窗開啟至最大（0.875 m），設(shè)定其面風(fēng)速為0.5 m/s。

2）利用細(xì)線將通風(fēng)柜操作面劃分為16 個(gè)大小均勻的網(wǎng)格，單個(gè)網(wǎng)格面積0.07 m2，符合規(guī)范小于0.09 m2的要求，如圖1、圖2 所示。

圖1 通風(fēng)柜測點(diǎn)分布

圖2 通風(fēng)柜面風(fēng)速實(shí)測照片

1.5 測試與模擬結(jié)果對(duì)比分析

圖3 為模擬面風(fēng)速與實(shí)測值分布曲線，從圖中可看出二者分布特性較為吻合。實(shí)測值波動(dòng)較大，可能是受現(xiàn)場測試條件和人員走動(dòng)的影響。模擬與實(shí)測值最大偏差和最小偏差見表2，均滿足規(guī)范小于15%的要求，另計(jì)算得出模擬值與實(shí)測值最大偏差為26%，最小偏差為4%，均在允許誤差范圍內(nèi)。由此可見數(shù)值模擬的可靠性。

圖3 通風(fēng)柜測點(diǎn)風(fēng)速值

表2 實(shí)測面風(fēng)速與模擬面風(fēng)速偏差

2 數(shù)值模擬

2.1 仿真模型

在模擬可靠性基礎(chǔ)上，以某典型化學(xué)分析分析測試中心實(shí)驗(yàn)室為例使用Gambit 軟件進(jìn)行建模，房間尺寸：8.5 m×6.0 m×3.0 m（長×寬×高），室內(nèi)布置有通風(fēng)柜、試劑柜、中央操作臺(tái)等實(shí)驗(yàn)家具，開門朝向北。如圖4 所示：

圖4 實(shí)驗(yàn)室平面布置圖

為突出研究重點(diǎn)，本次模擬首先對(duì)房間進(jìn)行簡化，只保留一臺(tái)通風(fēng)柜，用來保護(hù)研究人員免受研究工作中產(chǎn)生的有害或有毒氣體的傷害[3]，柜體距南側(cè)墻2.0 m，其外部尺寸為：1.50 m×0.92 m×2.37 m（長×寬×高），實(shí)驗(yàn)時(shí)視窗開口尺寸為：1.3 m×0.5 m，柜內(nèi)設(shè)置一污染源。通風(fēng)柜頂部排風(fēng)管直徑0.25m。室內(nèi)頂部設(shè)置一處送風(fēng)口和一處輔助排風(fēng)口（尺寸：0.5×0.5m），風(fēng)口距通風(fēng)柜水平距離2.5m，模型如圖5 所示：

圖5 房間模型

2.2 模型假設(shè)

1）由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣流速較低，將其視為不可壓縮氣體，滿足牛頓內(nèi)摩擦定律。

2）流動(dòng)為湍流，穩(wěn)態(tài)。

3）室內(nèi)空氣低速流動(dòng)，滿足Boussinesq 假設(shè)[4]。

4）假設(shè)房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)為絕熱材料，不考慮熱傳導(dǎo)和熱輻射。

5）假設(shè)房間密封性良好，不考慮門窗滲透，送風(fēng)量等于排風(fēng)量。

2.3 模型簡化

1）將通風(fēng)柜上柜簡化為一矩形腔體，壁厚2 mm，忽略導(dǎo)流板、燈具、氣體考克等內(nèi)部構(gòu)造。

2）將排風(fēng)口和送風(fēng)口簡化為矩形風(fēng)口，設(shè)定湍流強(qiáng)度和水力直徑。

3）將通風(fēng)柜內(nèi)污染物簡化為0.15 m×0.15 m×0.15 m 的立方體[5]，污染氣體為SF6，由其頂部均勻發(fā)散，發(fā)散率設(shè)定為4 L/min。

2.4 模型邊界條件設(shè)定

1）送風(fēng)口邊界條件設(shè)置為速度進(jìn)口（velocity-inlet）。

2）通風(fēng)柜排風(fēng)口和輔助排風(fēng)口邊界條件設(shè)置為流動(dòng)出流（outflow）。

3）污染物上表面設(shè)置為質(zhì)量流量入口（mass-flow-inlet）。

4）其余邊界條件設(shè)置為壁面（wall）。

2.5 參數(shù)設(shè)置

室內(nèi)通風(fēng)量可由下式計(jì)算[6]：

式中：Q 為通風(fēng)量，m3/h；n 為換氣次數(shù)，次/h；V 為房間容積，m3。

模擬時(shí)，將通風(fēng)柜操作視窗開啟高度設(shè)定為0.5m，面風(fēng)速設(shè)為0.5 m/s，通風(fēng)柜排風(fēng)量則可由下式計(jì)算：

式中：v 為通風(fēng)柜面風(fēng)速，m/s；A 為通風(fēng)柜操作口面積，m3。因此通風(fēng)柜排風(fēng)量QT=1170 m3/h。

由于房間送風(fēng)口至通風(fēng)柜罩面所在平面距離不應(yīng)少于1.5 m[7]，因此本文將水平距離設(shè)置為2.5 m，盡量減少送風(fēng)對(duì)通風(fēng)柜面風(fēng)速的擾動(dòng)，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)盡可能減小送風(fēng)口風(fēng)速。但過小的風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致房間產(chǎn)生氣流死角區(qū)域，空氣中的污染物難以得到充分混合，根據(jù)文獻(xiàn)[8]中結(jié)論，送風(fēng)口風(fēng)速為3 m/s 時(shí)，通風(fēng)柜面風(fēng)速波動(dòng)及不均勻度均較大，風(fēng)速減小至2 m/s時(shí)，對(duì)通風(fēng)柜面風(fēng)速影響減小，人員工作區(qū)域風(fēng)速小于0.3 m/s，人員舒適性好，且房間內(nèi)氣流死角較少。因此本文將送風(fēng)速度設(shè)定為2 m/s。

確定以上參數(shù)之后，需要計(jì)算湍流強(qiáng)度I 和水力直徑de。湍流強(qiáng)度I 定義為相對(duì)于平均速度uavg的脈動(dòng)速度u′的均方根[9]，其經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：Re 為雷諾數(shù)。

水力直徑定義為：

式中：A 為過流斷面面積，m2；χ 為過流斷面上流體與固體接觸的周長，稱為濕周，m。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 控制點(diǎn)濃度

人員操作區(qū)污染物濃度是通風(fēng)柜性能及室內(nèi)氣流組織評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，根據(jù)文獻(xiàn)[2]中人體模型尺寸，呼吸區(qū)高度為1.5 m，鼻尖距柜門外側(cè)平面0.025 m，結(jié)合本文中模型，此控制點(diǎn)為（5.055,2.750,1.500），圖6 中給出了5～16 次/h 換氣次數(shù)下，控制點(diǎn)的污染物濃度值。

圖6 不同換氣次數(shù)對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn)濃度

由圖6 可以看出，換氣次數(shù)n=5 次/h 時(shí)（對(duì)應(yīng)通風(fēng)柜面風(fēng)速0.3 m/s），控制點(diǎn)污染物濃度明顯高于其他工況，且超出規(guī)范要求的0.5 ppm；其余各換氣次數(shù)下（n=6 次/h 時(shí)對(duì)應(yīng)通風(fēng)柜面風(fēng)速0.4 m/s，其余工況對(duì)應(yīng)0.5 m/s）污染物濃度均未超過規(guī)范要求值，但污染物濃度并未隨著換氣次數(shù)的增加而單調(diào)遞減，而是呈現(xiàn)上下波動(dòng)的趨勢。在換氣次數(shù)10、11 次/h 時(shí)濃度最低，其余情況均略有升高。但此時(shí)還不能完全確定合理的換氣次數(shù)值，因?yàn)閱渭兎治瞿骋稽c(diǎn)的值不能代表污染物整體情況，且污染物濃度單位為ppm，在如此小的數(shù)量級(jí)下改變收斂精度或控制方程等任何一項(xiàng)參數(shù)均會(huì)對(duì)結(jié)果有較大影響。

3.2 不同換氣次數(shù)下污染物濃度場

圖7 給出了6、8、10、12、14 次/h 換氣次數(shù)下，在通風(fēng)柜中心截面Y=2.75 m 的污染物濃度云圖。從圖中可以看出，當(dāng)n=6 次/h 時(shí)（通風(fēng)柜面風(fēng)速為0.4 m/s），由于通風(fēng)量較小，操作口附近污染物濃度較高，且柜內(nèi)污染物多聚集在后下部，沒有形成沿排風(fēng)管穩(wěn)定的排放流動(dòng)，如此增加了污染物逃逸出操作口風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)換氣次數(shù)由6 次/h 增大至10 次/h 時(shí)，柜內(nèi)污染物逐漸在后壁面聚集，沿排風(fēng)管方向排出，同時(shí)，操作口前0.025～0.5 m 附近污染物濃度平均值逐漸下降。當(dāng)換氣次數(shù)繼續(xù)增大至14 次/h 時(shí)，操作口附近污染物濃度值再次呈現(xiàn)增大趨勢，且房間內(nèi)污染物逐漸向上移動(dòng)，這可能是由于隨著房間通風(fēng)量增大，在通風(fēng)柜排風(fēng)量一定的情況下，輔助排風(fēng)量增加，加劇了對(duì)氣流的卷吸作用，使得排風(fēng)柜內(nèi)的一部分污染物被帶出，造成了操作口附近的SF6濃度上升。由以上分析初步得出換氣次數(shù)n=10 次/h 左右為宜。

圖7 不同換氣次數(shù)下Y=2.75 m截面的污染物濃度云圖

將通風(fēng)柜操作口附近污染物濃度放大，云圖范圍定義在1e-9～1e-7，結(jié)論與上述相符。

3.3 不同換氣次數(shù)下速度場

圖8 給出了6、8、10、12、14 次/h 換氣次數(shù)下Z=1.5 m 截面（即人員呼吸區(qū)高度）的速度分布云圖。從圖中可以看出新風(fēng)從送風(fēng)口送入房間，速度在垂直方向逐漸衰減并向周圍擴(kuò)散，在人員工作區(qū)氣流速度均小于0.3 m/s，人員舒適性較好。但n=6 次/h 和n=8 次/h 工況下，由于換氣次數(shù)較低，導(dǎo)致房間工作區(qū)氣流死角區(qū)域較大，當(dāng)n 增大至10-12 次/h 時(shí)，氣流死角明顯減少，繼續(xù)增大換氣次數(shù)，死角區(qū)域的變化并不顯著。

圖8 不同換氣次數(shù)下Z=1.5 m 截面的速度云圖

4 結(jié)論

通過以上對(duì)不同換氣次數(shù)下的濃度場和速度場分析，得出如下結(jié)論：

1）化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通風(fēng)柜面風(fēng)速不應(yīng)小于0.4 m/s。

2）在保證通風(fēng)柜面風(fēng)速穩(wěn)定的前提下，通風(fēng)柜前控制區(qū)的污染物濃度值并不隨換氣次數(shù)的增加而單調(diào)遞減，即并非傳統(tǒng)概念中的換氣次數(shù)越大，污染物濃度越低。

3）有輔助排風(fēng)的房間換氣次數(shù)以10～12 次/h 為宜，若換氣次數(shù)過大，不僅能耗升高且增加柜內(nèi)污染物逸出的風(fēng)險(xiǎn)。