基于CFD模擬不同流道結(jié)構(gòu)對(duì)通風(fēng)柜安全性能的影響

任冰冰 鄭大為

摘?要：通風(fēng)柜是實(shí)驗(yàn)室中最容易被誤解和被濫用的裝置，增大排風(fēng)量和面風(fēng)速保持0.5m/s與通風(fēng)安全性能呈弱相關(guān)性，將CFD模擬的方法融入并研究現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)柜流道對(duì)以后通風(fēng)柜的設(shè)計(jì)合理化具有重要的意義。利用該方法，我們獲得了一種可靠的通風(fēng)柜流道結(jié)構(gòu)。本研究將三種標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)柜流道結(jié)構(gòu)和一種自設(shè)新型的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行CFD分析，數(shù)值分析內(nèi)容從流速跡線、截面流速云圖、截面壓力云圖和截面空氣齡云圖四個(gè)指標(biāo)綜合對(duì)通風(fēng)柜的保護(hù)性能進(jìn)行評(píng)估，并得出以下結(jié)論：流道1號(hào)，3號(hào)渦流存在于前視窗面且空氣齡為22.5s和20s，渦流圈數(shù)為3圈和2圈，有害氣體逃逸率較高；流道2號(hào)渦流存在于腔內(nèi)上中部，圈數(shù)3圈，空氣齡為13s，流道4號(hào)渦流存在于上中兩側(cè)，遠(yuǎn)離視窗面，渦流圈數(shù)為1圈，最大空氣齡為8.2s。安全保護(hù)性能排序?yàn)?號(hào)＞2號(hào)＞3號(hào)≥1號(hào)，最終，設(shè)計(jì)的新型流道結(jié)構(gòu)4號(hào)呈現(xiàn)優(yōu)越的通風(fēng)性能和保護(hù)性能，得到了一種可靠的新型通風(fēng)柜流道結(jié)構(gòu)，旨在對(duì)通風(fēng)柜流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理化的提供參考。

關(guān)鍵詞：通風(fēng)柜；流道結(jié)構(gòu)；CFD數(shù)值模擬；湍流；空氣齡（SVES）

通風(fēng)柜作為重要的安全捕集有害氣體的裝置，對(duì)于維持可接受的實(shí)驗(yàn)室空氣質(zhì)量和防止科研人員接觸潛在的有害物質(zhì)至關(guān)重要，然而，通風(fēng)柜卻是實(shí)驗(yàn)室中最容易被誤解和濫用的裝置。

隨著面風(fēng)速概念的提出，就與通風(fēng)柜安全性能畫上了極強(qiáng)的相關(guān)性，長(zhǎng)期以來(lái)，在生產(chǎn)者和使用者的慣性思維中，測(cè)試到安全范圍內(nèi)的平均面風(fēng)速即可定義該通風(fēng)柜是安全的［12］，隨著該領(lǐng)域研究的不斷深入，面風(fēng)速和通風(fēng)柜之間極強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性被質(zhì)疑，研究結(jié)果表明：通風(fēng)柜的面風(fēng)速與實(shí)驗(yàn)人員缺乏關(guān)聯(lián)性，繼而，通風(fēng)柜安全性能的好壞不能只由面風(fēng)速來(lái)評(píng)判［3］。通風(fēng)柜工作腔內(nèi)和視窗之間存在大量的湍流，并且產(chǎn)生邊界層，大尺度的柜內(nèi)渦流會(huì)增加氣體的彌散，柜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)渦流的產(chǎn)生，因此有害氣體的泄漏率也會(huì)相應(yīng)增大［4］。在通風(fēng)柜工作腔內(nèi)，邊界層分離是局部區(qū)域氣流的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。氣流經(jīng)過(guò)具有非流線型表面或邊緣的結(jié)構(gòu)時(shí)，產(chǎn)生的逆壓可能導(dǎo)致靠近壁面的氣流向上游移動(dòng)，由此導(dǎo)致了最初附著在結(jié)構(gòu)表面的附面層與表面分離［5］。導(dǎo)流板是常規(guī)用到的工作腔內(nèi)部流道的設(shè)計(jì)元素，可以減少泄漏和邊界層分離的影響［6］。以空氣動(dòng)力學(xué)原理，結(jié)合CFD數(shù)值模擬的方法，設(shè)計(jì)出新型門框結(jié)構(gòu)可以有效地減少空氣邊界層的分離，避免視窗后渦旋產(chǎn)生，通風(fēng)柜通風(fēng)效率和安全性也得到了提升［7］?？諝饽挲g（SVE3）、凈逸出速度（NEV）和局部吹掃流量（LPFR），通過(guò)這三個(gè)指標(biāo)，可以定量評(píng)價(jià)通風(fēng)柜內(nèi)形成的污染物濃度的分布，并且在通風(fēng)柜前僅有一名研究人員時(shí)，研究人員的存在并不會(huì)顯著影響通風(fēng)柜開口面的有害氣體的捕獲效率，而循環(huán)氣流流量和方式，對(duì)于空氣齡的和有害氣體的分布形成起主導(dǎo)作用［8］。此外，在Chip?Allbright所著Laboratory?Fume?Hoods?Explained一書中也提及，評(píng)價(jià)一個(gè)優(yōu)質(zhì)通風(fēng)柜的重要指標(biāo)之一就是湍流圈數(shù)，導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對(duì)于排風(fēng)性能起到關(guān)鍵的作用。

本文將基于CFD數(shù)值模擬的方式，對(duì)通風(fēng)柜工作腔內(nèi)湍流特性、邊界層和空氣齡等參數(shù)進(jìn)行比對(duì)分析，比對(duì)對(duì)象為不同通風(fēng)柜3款標(biāo)準(zhǔn)和1款新型的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，旨在對(duì)通風(fēng)柜流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理化提供參考。

1?通風(fēng)柜數(shù)值模型

流道模型建立。本次選取的研究對(duì)象為市面上3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)柜流道結(jié)構(gòu)和1個(gè)設(shè)計(jì)新型流道結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸（L×W×H）為1.8m×1.0m×2.4m，因生產(chǎn)工藝不同或有微小偏差。利用CAD三維建模軟件，進(jìn)行模型建立，如圖1所示。

對(duì)于通風(fēng)柜，氣流從前置1.72m×0.5m的操作口進(jìn)入柜體，從柜頂排風(fēng)口排出。其柜內(nèi)氣流滿足流體動(dòng)力學(xué)定律，故可以根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)的理論知識(shí)區(qū)分析其動(dòng)態(tài)模型。流體力學(xué)基本的方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程。根據(jù)各種形式的方程對(duì)柜內(nèi)氣流狀態(tài)進(jìn)行描述，并用element?quality法對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，網(wǎng)格劃分滿足基準(zhǔn)結(jié)果和指南的標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)格劃分質(zhì)量良好，網(wǎng)格數(shù)分別為5225462、5251102、5473921、5466559個(gè)。

（a）1號(hào)柜模???????（b）2號(hào)柜模型???????（c）3號(hào)柜模型???????（d）4號(hào)柜模型

圖1

2?對(duì)比結(jié)果分析

數(shù)值分析。本次數(shù)值模擬不包含溫度場(chǎng)分析，也不存在冷熱源，故將整個(gè)模型研究條件設(shè)置為常溫常壓，設(shè)置常壓壓力101325Pa，常溫環(huán)境溫度為298K。依據(jù)正常實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)條件設(shè)置初始條件，排風(fēng)口管道壓力150Pa，排風(fēng)風(fēng)量為1620m3/h，方向垂直于排風(fēng)口，送風(fēng)口送風(fēng)風(fēng)速為0.5m/s，模型視窗最大開合高度0.5m。模擬計(jì)算結(jié)果提取工作腔內(nèi)流速跡線圖2，如下所示：

（a）1號(hào)???????（b）2號(hào)???????（c）3號(hào)???????（d）4號(hào)

圖2?腔內(nèi)流速跡線圖

觀察整體流速跡線圖中渦旋圈數(shù)，流道14的圈數(shù)分別為3、3、2、1圈；對(duì)比模型14號(hào)腔內(nèi)流速跡線圖，我們可以發(fā)現(xiàn)，工作腔內(nèi)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)雖為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，但其中產(chǎn)生的湍流大小和位置均顯示為隨機(jī)性分布，高度分布在距工作平面高0.9m的截面上，與結(jié)構(gòu)對(duì)稱性聯(lián)系呈相關(guān)分布，由此我們可以得出以下結(jié)論：

（a）流道1號(hào)工作腔右側(cè)存在積聚較重的湍流渦旋，且觀察視窗面，有較多氣流從上往下流經(jīng)視窗壁面。

（b）流道2號(hào)湍流分布雖比較均勻，但渦流呈縱向分布，橫向氣流旋轉(zhuǎn)的同時(shí)接觸視窗面。

（c）流道3號(hào)整體氣流分布均勻，中心存在縱向渦流，左側(cè)存在橫向渦流，接觸視窗面的氣流呈現(xiàn)在中部和左側(cè)。

（d）流道4號(hào)整體氣流分布均勻，左邊大渦流和右邊小渦流呈后傾趨勢(shì)，與視窗接觸較少。

結(jié)合腔內(nèi)整體速度跡線圖和分析結(jié)果粗略來(lái)看，流道1號(hào)和2號(hào)湍流影響較大，3號(hào)和4號(hào)湍流影響較小。帶著暴露的問(wèn)題，我們具體分析流速跡線截面分布圖，如圖3所示：

（a）1號(hào)???????（b）2號(hào)???????（c）3號(hào)???????（d）4號(hào)

圖3?流速截面圖

經(jīng)過(guò)4張流速截面S1、S2的數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，我們可以得出：流道1號(hào)和3號(hào)，在柜前視窗面前地區(qū)流速有幾近于0m/s的渦旋中心存在，有可能造成有害氣體在視窗部位逃逸，流道2號(hào)在視窗卡角處存在流速較小區(qū)域，對(duì)于有害氣體逃逸影響較小，流道4號(hào)的渦旋主要分布在柜體靠后的2端，渦旋遠(yuǎn)離視窗面，有害氣體逃逸影響較小。

單純地看渦旋的速度場(chǎng)不足以全面解釋柜內(nèi)有害氣體逃逸的可能，還需結(jié)合柜內(nèi)的空氣齡指標(biāo)印證通風(fēng)柜流道的安全性能，在相同的對(duì)比條件下，依然取相同參考平面，觀察柜體內(nèi)部空氣齡的分布如圖4所示：

（a）1號(hào)?（b）2號(hào)?（c）3號(hào)?（d）4號(hào)

圖4?空氣齡截面圖

觀察圖4流道4個(gè)不同空氣齡截面分布顯示，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）流道1號(hào)較長(zhǎng)的空氣齡聚集在了前端視窗壁面處，其空氣齡長(zhǎng)達(dá)22.5s。

（2）流道2號(hào)較長(zhǎng)的空氣齡聚集在了后端，其空氣齡長(zhǎng)達(dá)13s。

（3）流道3號(hào)較長(zhǎng)的空氣齡聚集在了前端視窗壁面處，其空氣齡長(zhǎng)達(dá)20s。

（4）流道4號(hào)較長(zhǎng)的空氣齡聚集在了腔內(nèi)左右兩處，并未貼合視窗壁面，其空氣齡長(zhǎng)達(dá)8.2s。

綜上所述，對(duì)比通過(guò)對(duì)流速跡線圖、速度云圖、壓力云圖和空氣齡云圖的數(shù)據(jù)結(jié)果，分析歸納后得出數(shù)據(jù)如下表所示：

3?結(jié)論與展望

本研究將三種標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)柜流道結(jié)構(gòu)和一種新型的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行CFD分析，數(shù)值分析內(nèi)容從流速跡線、截面流速云圖、截面壓力云圖和截面空氣齡四個(gè)層面指標(biāo)綜合對(duì)通風(fēng)柜的保護(hù)性能進(jìn)行評(píng)估，并得出以下結(jié)論：

（1）從氣流分布均勻程度來(lái)看，流道1號(hào)和流道3號(hào)均呈現(xiàn)“前小后大”，不利于有害氣體排出的反向流速分布，工作腔前部貼合視窗部位流速較小，有助于有害氣體逃逸；流道2號(hào)和流道4號(hào)速度云圖呈現(xiàn)前后均勻分布，性能良好。

（2）從流速和壓力云圖來(lái)看，流道1號(hào)和3號(hào)在靠近視窗區(qū)域存在著較大渦旋，渦旋的產(chǎn)生降低了通風(fēng)柜的保護(hù)性能，增大了有害氣體的泄漏率；流道2號(hào)渦旋存在于腔內(nèi)上中部，流道4號(hào)渦旋存在于腔內(nèi)上中兩側(cè)，均離視窗較遠(yuǎn)，有害氣體前視窗的泄漏率較低。

（3）從空氣齡云圖來(lái)看，流道1～4號(hào)呈現(xiàn)窗面時(shí)間分別為15.7s、11s、12.5s、7.2s，最長(zhǎng)時(shí)間為22.5s、13s、20s、8.2s；流道1號(hào)和3號(hào)長(zhǎng)齡分布位置為貼合視窗前部，流道2號(hào)存在于上中后部，流道4號(hào)存在于上中兩側(cè)。

綜上所述，分析以上參數(shù)對(duì)比后，可以得出保護(hù)性能排序：4號(hào)＞2號(hào)＞3號(hào)≥1號(hào)，設(shè)計(jì)的新型流道結(jié)構(gòu)4號(hào)呈現(xiàn)了優(yōu)越的通風(fēng)性能和保護(hù)性能；本文在同條件下對(duì)比了3種標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)柜后，得到了一種可靠的新型通風(fēng)柜流道結(jié)構(gòu)，旨在對(duì)通風(fēng)柜流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理化提供參考。

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