某制冰潔凈車間氣流組織的數(shù)值模擬及優(yōu)化設計

戴志海, 謝東*, 王漢青, 楊紅波

(1. 南華大學土木工程學院, 衡陽 421000; 2. 南華大學建筑環(huán)境控制技術湖南省工程實驗室, 衡陽 421000; 3.中南林業(yè)科技大學土木工程學院, 長沙 410004; 4.廣州冰泉制冷設備有限責任公司, 廣州 511400)

制冰潔凈車間中,病毒細菌會附著于空氣中的懸浮顆粒物上,再通過依附于冰塊進行傳播,食品生產(chǎn)過程中暴露在含有超標顆粒污染物的生產(chǎn)環(huán)境,這將對人們的衛(wèi)生安全造成威脅。因此,當局部觸發(fā)性污染物出現(xiàn)時,快速的去除污染物,減少食品暴露在污染環(huán)境中的時間,保證生產(chǎn)環(huán)境的潔凈度,這有利于保證人民的食品健康安全,也是當前的重要課題。

近年來針對潔凈室和室內(nèi)污染物的研究逐年增多。宋業(yè)浩[1]、趙金亮等[2]、韓何[3]分別以國際標準化組織(International Organization for Standardization,ISO)5級和ISO6級潔凈室為研究對象,在上送下回、上送單側下回風和雙側下回風3種回風方式下進行數(shù)值模擬,以流線平行度和風速為指標,指出上送下回的氣流優(yōu)于上送測回;在ISO6級潔凈室內(nèi),上送單側回形式,會出現(xiàn)明顯渦流,而上送雙側回形式,渦流不明顯,氣流效果更佳;在ISO5級潔凈室內(nèi),單側回形式無法完全達到單向流的要求,而雙側回形式的氣流均勻性好,完全能達到單向流的要求。周俊杰等[4]以垂直單向流潔凈室為研究對象,以流線平行度為指標,通過模擬分析得出FFU布置率為80%時滿足垂直單向流潔凈室的設計要求。郭雨潔等[5]和李曉敏等[6]分別對地下超市和地鐵站內(nèi)的氣流組織進行數(shù)值模擬,分析了速度場和溫度場,得出地下超市和地鐵站的速度場和溫度場的分布規(guī)律。綜上可知,上述研究僅關注速度場,未考慮顆粒物分布。劉莉等[7]通過CFD對室內(nèi)顆粒污染物的分布情況進行模擬分析,指出地面污染物濃度過高時會對整個潔凈室產(chǎn)生影響。李云廣等[8]針對孔板送風的非單向流流潔凈室,對15～70次不同換氣次數(shù)條件下污染物擴散進行數(shù)值模擬分析,得出換氣次數(shù)為55次時,潔凈室排污效果最佳,繼續(xù)增大換氣次數(shù)對室內(nèi)污染物分布狀況沒有明顯改善。劉瓅等[9]以非單向流潔凈室研究末端形式、回風口位置、換氣次數(shù)3個因素對室內(nèi)顆粒污染物的影響,結果表明,回風口應該優(yōu)先布置于房間角落,有利于提高房間平均潔凈度;末端形式時影響局部顆粒物濃度的顯著性因素,換氣次數(shù)是影響室內(nèi)平均濃度的顯著性因素。

大量研究表明,CFD(computational fluid dynamics)方法是對潔凈室探究的有效工具,對于單向流和以散流器為送風口的傳統(tǒng)的上送下回的形式已有豐富的研究,但對于特殊空調(diào)系統(tǒng)的研究尚鮮見報道。鑒于此,以某低溫制冰潔凈車間為研究對象,為了探究潔凈風柜不同的布置方式、送風角度、換氣次數(shù)對污染物排除速率和溫度均勻性的影響,建立三維物理模型進行數(shù)值模擬,選生產(chǎn)區(qū)域為需要優(yōu)化的微環(huán)境[10],通過對比模擬,選取最佳布置方案,再通過單因素模式實驗解析不同影響因素對污染物去除速率和溫度均勻性的影響,尋求污染物排除速率和溫度均勻性的平衡,最終確定最優(yōu)的排布方案和運行工況,實現(xiàn)對潔凈車間生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)微環(huán)境的優(yōu)化,提高微環(huán)境內(nèi)污染物的去除速率和溫度均勻性,為后續(xù)潔凈車間的運行設計和研究提供了模型參考和理論支持。

1 模型建立

1.1 幾何模型的建立

對潔凈車間內(nèi)部進行氣流組織模擬分析,該潔凈車間為低溫十萬級潔凈車間,設計溫度為-10 ℃,車間內(nèi)制冷系統(tǒng)與潔凈系統(tǒng)相互獨立,冷源為車內(nèi)頂部吊頂冷風機,潔凈風柜(FFU)對室內(nèi)空氣進行循環(huán)過濾,以此實現(xiàn)對車間內(nèi)溫度場和污染物濃度的控制。

以 1∶1 的車間尺寸建立數(shù)字模型,車間幾何模型如圖1所示,車間內(nèi)各物品尺寸如表1所示。

表1 車間幾何模型參數(shù)Table 1 Geometric model parameters of workshop

圖1 車間模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the workshop model

1.2 控制方程

采用連續(xù)相氣流流場和顆粒相耦合的方法進行數(shù)值模擬,氣流場采用室內(nèi)氣流流場效果較好的Realizablek-ε湍流模型計算,計算公式為

(1)

式(1)中:ρ為氣體密度;Φ通用變量,可表示速率分量u、v、w和熱力學溫度T等求解變量;t為時間;為梯度;K為廣義源項。

對顆粒相的計算采用離散相顆粒模型DPM(discrete phase model),該方法是在拉格朗日法的基礎上建立的,因此可以追蹤顆粒的運動軌跡,可以計算兩相耦合和單相耦合問題。

1.3 邊界條件與噴口模型簡化

1.3.1 噴口模型簡化

本次模擬研究為了使模擬結果更加精確,將車間模型和潔凈風柜的球形噴口模型拆分成兩個獨立的模型,由于風柜內(nèi)部風管到各個噴口的距離一直,故將風管段進行了簡化縮短。

球形噴口由執(zhí)行機構、球形裝飾圈、噴口及殼體組成,結構示意圖如圖2所示。本次模擬研究為了便于生成高質量的網(wǎng)格,將球形噴口的球星裝飾圈和殼體忽略,僅保留了流體區(qū)域,得到的球形噴口簡化模型的喉部曲率與實際球形噴口一致,球形噴口簡化結構如圖3所示。

圖2 噴口結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of nozzle structure

圖3 簡化噴口模型Fig.3 Simplified nozzle model

受球形噴口結構和風管阻力的影響,噴口出流斷面的流速并不均勻,故將球形噴口邊界參數(shù)導入后,明顯提高了本次模擬的準確性。

1.3.2 邊界條件設置參數(shù)匯總

本次模擬研究中,吊頂冷風機的送風口、潔凈風柜的送風口均采用流速入口,而由于壓力入口和自由出流無法同時使用,又要保證風口流量的準確性,故將吊頂冷風機的回風口和潔凈風柜的吸風口設為速度出口。

潔凈風柜的凈化率為99.99%,故近似認為潔凈風柜送風認為是無塵新風;車間內(nèi)墻面全為保溫鋼板,故將其是為絕熱表面。

氣溶膠散發(fā)源將其布置于生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)(x=9 m,y=8 m,z=1.2 m),其物性參數(shù)為:直徑為0.5～10 μm,平均粒徑為1.0 μm,強度為1×10-4kg/s,釋放時長為1 s。邊界條件具體參數(shù)設置如表2所示。

表2 邊界條件設置參數(shù)Table 2 Setting parameters of boundary conditions

1.4 網(wǎng)格無關性驗證

在有限的計算資源前提下保證計算速率和準確性,建立了網(wǎng)格數(shù)分別為9×105、17×105、25×105、35×105和55×105的網(wǎng)格進行網(wǎng)格無關性驗證。在流場中心取一條垂直直線(x=8 m,y=15 m),得到其穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的速率分布,如圖4所示。

圖4 5種不同網(wǎng)格數(shù)量下空間的中心線高變化速率分布Fig.4 Distribution of high change rate of center line in five different grid number Spaces

從圖4可以看出,在5種網(wǎng)格空間中,網(wǎng)格數(shù)為9×105、17×105和25×105的速率分布與35×105的相比有較大的差距,但網(wǎng)格數(shù)為35×105的速率分布與55×105的速率分布結果相比差距很小,最大偏差為2.1%。因此網(wǎng)格數(shù)為35×105的網(wǎng)格敏感性已經(jīng)達標,最終選擇35×105網(wǎng)格數(shù)作為全局網(wǎng)格劃分方案的參數(shù)。

2 評價指標

(1)殘留率[11-12]。潔凈車間對局部觸發(fā)的氣溶膠污染物的短時間內(nèi)的去除速率,設定1 s內(nèi)由局部觸發(fā)的氣溶膠污染物,在1 min內(nèi)氣溶膠污染物在車間內(nèi)的殘留率的變化情況。

(2)溫度均勻性[13]。將潔凈車間分為兩個矩形區(qū)域,將布置了切冰機和潔凈風柜的矩形區(qū)域定為生產(chǎn)區(qū),而另一個矩形區(qū)域為非生產(chǎn)區(qū);生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的溫度穩(wěn)定性對于產(chǎn)品質量的影響非常大,通過主要工作區(qū)域內(nèi)的1 m水平面上均勻選取60個樣本點的溫度值的標準差來評價生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的溫度均勻性。

(2)

3 潔凈車間通風布置方案研究

3.1 布置方案擬定

所研究的對象為實際運行的制冰車間,冷風機管道位置固定,只考慮對車間內(nèi)的4個潔凈風柜的布置,選取3種布置方式作為仿真對象,將其擬定為3個布置方案,3種布置方案的幾何物理模型如圖5所示。

3.2 模擬結果與分析

3.2.1 車間的顆粒物彌散分析

潔凈車間內(nèi)顆粒從污染源散發(fā)出來后60 s內(nèi)的顆粒彌散過程如圖6所示。當顆粒噴出5 s時,顆粒僅隨氣流運動到污染源下方,擴散性不強,顆粒團處于聚集狀態(tài)。當顆粒噴出10 s時,小部分粒子滯留于散發(fā)源附近,但絕大多數(shù)顆粒分成三股粒子流,分別從切冰機的空隙間穿過并流入側方的兩個潔凈風柜的回風口。當顆粒噴出15 s時,大多數(shù)的顆粒隨空氣流入潔凈風柜的回風口被捕捉過濾,剩余顆粒隨著氣流向潔凈室上方運動。當顆粒噴出20 s之后,顆粒物隨著室內(nèi)流場擴散到整個潔凈室,顆粒物濃度隨時間勻速下降。

不同顏色散點代表顆粒物滯留時間圖6 不同時刻顆粒物彌散圖Fig.6 Dispersion diagram of particles at different times

圖7為顆粒物殘留率隨時間的變化關系。3種排布方案中,方案A在60 s時的殘留率最低,方案A在60 s時的殘留率為5.7%,其后依次是方案B、方案C,殘留率依次為19.5%、65.4%。隨著顆粒物的釋放,在t=1 s時顆粒物殘留率濃度達到峰值,并且會在峰值維持一段時間。

圖7 不同排布方案60 s內(nèi)顆粒殘留率Fig.7 Particle residual rate within 60 s in different arrangement schemes

60 s的時間內(nèi),3種排布方案的顆粒物的殘留率均存在一段陡降區(qū)間,這是由于顆粒物從釋放源釋放出來后處于一種聚團狀態(tài),初始時段大量顆粒物隨著氣流移動進行小規(guī)模的擴散,又由于潔凈風柜的回風口位于潔凈室的下方區(qū)域,潔凈室下方空間的氣流主要是流向潔凈風柜的回風口,故一大部分顆粒在釋放后就在較短時間內(nèi)被潔凈風柜捕集過濾,這一現(xiàn)象在文中定義為“一次去除”。方案A的顆粒物“一次去除”發(fā)生的時間最短,“一次去除”時間點為8 s,方案B、方案C的“一次去除”時間點分別為17、24 s。方案A、方案B、方案C顆粒物殘留率發(fā)生“一次去除”后的殘留率分別為12.1%、30.8%、84.1%。潔凈風柜的回風口位置對于“一次去除”起到至關重要的影響,顆粒物發(fā)生“一次去除”的時間點越早,顆粒物擴散的范圍就越小,“一次去除”的效率越高。

3.2.2 溫度場分析

圖8為不同排布方案生產(chǎn)區(qū)域z=1.2 m水平面上的平局溫度和溫度標準差?？梢钥闯?3種排布方案在相同能耗條件下,方案A、方案B、方案C的平均溫度分別為263.53、263.92、263.63 K,其中方案A的平均溫度最低;方案A、方案B、方案C的溫度標準差分別為0.244、0.252、0.343,方案A的溫度標準差是最小。

圖8 不同排布方案生產(chǎn)區(qū)域z=1.2 m的平均溫度和溫度標準差Fig.8 Average temperature and standard deviation of z=1.2 m in production area with different arrangement schemes

3.2.3 布置方案選定

綜合上述結果分析,選擇方案A為最終布置方案。從顆粒物殘留率角度,方案A對生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)隨機觸發(fā)顆粒物的“一次去除”效率和60 s內(nèi)的去除效率均是最高,“一次去除”效率高出其余方案18.7%,60 s內(nèi)的去除效率高出其余方案13.8%;從溫度場的角度,方案A的平均溫度和溫度標準差最低,平均溫度和溫度標準差相較于其余方案降低了0.1 K和0.01,工作區(qū)域的溫度最低,溫度均勻性最好。在相同能耗的條件下,方案A對生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)隨機觸發(fā)的污染物去除速率最快,降低了冰塊生產(chǎn)過程中暴露在顆粒污染物下的概率;方案A生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的平均溫度更低,可降低供冷能耗,節(jié)約運行成本;方案A的溫度均勻性更優(yōu)越,對食品生產(chǎn)質量有顯著提升。

4 不同送風工況工作特性研究

4.1 單因素模擬

通過改變潔凈風柜送風角度和換氣次數(shù)在潔凈室模型內(nèi)進行單因素模擬分析,模擬工況如表3所示。

表3 模擬方案Table 3 Simulation scheme

4.2 各因素對顆粒物殘留率的影響

進行單因素模擬,得到各因素中顆粒物殘留率隨時間變化的關系如圖9所示。可以看出,出口送風角度對顆粒物殘留率的影響非常大,隨著出口送風角度的增加,顆粒物的殘留率呈現(xiàn)一種先減后增趨勢,當出口角度達到45°時顆粒物殘留率最低,“一次去除”效率為81.9%,顆粒物殘留率為5.7%;隨著換氣次數(shù)的增加顆粒物殘留率呈現(xiàn)不斷降低的趨勢,當換氣次數(shù)為30次/h時,顆粒物殘留率最低,“一次去除”效率為99.36%,顆粒物殘留率為0.43%。因此在單因素實驗中,選擇送風角度45°,換氣次數(shù)30次/h作為顆粒物去除速率的最優(yōu)組合。

圖9 各因素下顆粒物殘留率60 s內(nèi)的變化Fig.9 Variation of particulate matter residual rate within 60 s under various factors

4.3 各因素對溫度均勻性的影響

通過單因素模擬,對各因素下生產(chǎn)區(qū)域z=1 m水平面上均勻選取60個溫度值,結果如圖10所示。由圖10模擬結果可知:隨著出口送風角度的增大,生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的平均溫度越小,且編號1～20的測點的溫度值絕大部分是高于平局溫度,各測點的溫度波動性變化不大;隨著換氣次數(shù)的在增大,生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的平均溫度越小,當換氣次數(shù)為20次/h和30次/h是,各測點的溫度波動性顯然小于換氣次數(shù)為25次/h時的情況。

圖10 各因素工況下各個測點的溫度分布Fig.10 Temperature distribution of each measuring point under various factor working condition

編號21～60的溫度值絕大部分是低于平均溫度,這是由于編號1～20測點位于生產(chǎn)區(qū)域靠左側的位置,生產(chǎn)區(qū)域左側上方為固體墻面,而編號21～60測點位于生產(chǎn)區(qū)域的中間和右側,該區(qū)域上方和非生產(chǎn)區(qū)域相通,左側區(qū)域的設備產(chǎn)熱擴散速度相對于中間和右側的區(qū)域更慢,所以造成了左側區(qū)域溫度較高,右側區(qū)域溫度較低的現(xiàn)象。

單因素模擬得到各因素下相對濕度標準差如圖11所示?？梢钥闯?隨著出口送風角度的增大,溫度標準差先增大后減小,當出口送風角度為60°時,溫度標準差為0.209,生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)溫度最均勻;隨著換氣次數(shù)的增加溫度標準差先增加后減小,當換氣次數(shù)為20次/h時,溫度標準差為0.142,生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)溫度最均勻。因此選擇送風角度60°,換氣次數(shù)20次/h作為單因素實驗溫度均勻性最優(yōu)組合。

圖11 各因素下的溫度標準差Fig.11 Standard deviation of temperature under each factor

4.4 因素交互性分析與方案選定

通過單因素分析分別得出了各因素對顆粒物去除速率和溫度均勻性的影響趨勢,但是從單因素分析得出的對于去除速率的最優(yōu)組合和溫度均勻性的最優(yōu)組合各不相同,這是因為單因素分析需要假定各因素間沒有交互作用,既單因素結果并不是很精準的優(yōu)化組合。因此,為尋求去除速率和溫度均勻性兩者的平衡,將剩余所有組合進行模擬對比(因為因素數(shù)為2,無需進行正交實驗),表4為所有組合模擬結果,其中,原運行工況組合為送風角度45°,換氣次數(shù)20次/h,表4中變化率和差值是與原工況組合參數(shù)進行對比。

表4 模擬結果Table 4 Simulation results

綜上分析可知:各因素對于顆粒物去除速率的影響程度:送風角度>換氣次數(shù);各因素對于溫度均勻性的影響程度:換氣次數(shù)>送風角度。綜合考慮去除速率和溫度均勻性,選取送風角度45°,換氣次數(shù)30次/h為優(yōu)化組合;相較于原方案,顆粒物在60 s內(nèi)的去除率提高了5.3%,溫度標準差降低了0.05,溫度均勻性提高了22.3%,該方案在去除速率和溫度均勻性上均得到了優(yōu)化。

5 結論

(1)選定方案A為最佳布置方案,方案A對生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)隨機觸發(fā)顆粒物“一次去除”效率為87.9%,高出其余方案18.7%,60 s內(nèi)的去除效率為5.7%,高出其余方案13.8%,快速排除污染物的能力最強;平均溫度和溫度標準差相較于其余方案分別降低了0.1 K和0.01,工作區(qū)域的溫度最低,溫度均勻性最好。

(2)“一次去除”效率對于潔凈室內(nèi)顆粒物的快速排除有著非常重要的作用,“一次去除”發(fā)生的時間越早,“一次去除”效率越高,將吸風口布置于重要潔凈區(qū)域有利于局部觸發(fā)性污染物的快速排除。

(3)利用單因素實驗和對比實驗尋求污染物去除速率和溫度均勻性的平衡。兩個實驗因素對于污染物去除速率的影響程度為:送風角度>換氣次數(shù);兩個實驗因素對于溫度均勻性的影響程度為:換氣次數(shù)>送風角度。

(4)當送風角度為45°,換氣次數(shù)為30次/h時污染物去除速率和溫度均勻性均得到優(yōu)化,較于原方案,顆粒物的去除率提高了5.3%,溫度標準差降低了0.05,溫度均勻性提高了22.3%。