基于有限元模擬的超凈工作臺最優(yōu)通風(fēng)截面研究

杜晶晶，于思源，楊昀碩

（1.神州細(xì)胞工程有限公司，北京 100176；2.北京民利儲能技術(shù)有限公司，北京 100176；3.華北理工大學(xué)輕工學(xué)院，河北唐山 063000）

0 引言

超凈工作臺又稱為潔凈工作臺，其利用風(fēng)機(jī)對空氣進(jìn)行流速控制，從而形成一個正壓流通的有限作業(yè)空間。流通空氣經(jīng)過濾通道后形成的潔凈空氣作為工作空間內(nèi)的過濾氣體，對工作空間進(jìn)行不間斷過濾吹掃，在工作狀態(tài)下保持工作空間內(nèi)的風(fēng)速、空氣潔凈度、噪聲、振動和照明等性能參數(shù)滿足實(shí)驗(yàn)人員的要求[1]，為實(shí)驗(yàn)人員提供一個局部無塵、無菌的工作平臺。

超凈工作臺廣泛應(yīng)用于生物研發(fā)、醫(yī)療衛(wèi)生、電子工業(yè)、食品加工等相關(guān)行業(yè)[2]，根據(jù)其出風(fēng)位置不同大體分為垂直流超凈工作臺和水平流超凈工作臺。垂直流超凈工作臺風(fēng)力場為垂直分布，經(jīng)過預(yù)過濾和高效過濾后的潔凈空氣自上而下吹向工作空間臺面，然后向設(shè)備兩側(cè)與環(huán)境大氣交界處流動；水平流超凈工作臺風(fēng)力場為水平分布，潔凈空氣自后向前或自前向后水平吹出。超凈工作臺截面風(fēng)速的大小及均勻性影響著超凈工作臺的氣流流場形態(tài)和對微粒的控制能力，對控制操作區(qū)潔凈度、保護(hù)操作對象免受污染具有重要作用[3]，且截面風(fēng)速對實(shí)驗(yàn)人員操作也存在影響。垂直流超凈工作臺操作面?zhèn)扔锌缮挡Ａ醢寤蛴袡C(jī)玻璃擋板，在實(shí)驗(yàn)人員受最小冷風(fēng)影響下，可降低實(shí)驗(yàn)氣溶膠與實(shí)驗(yàn)人員接觸的概率，所以在生物實(shí)驗(yàn)室中使用較為廣泛。

有研究對超凈工作臺進(jìn)行過通風(fēng)實(shí)驗(yàn)，通過落菌實(shí)驗(yàn)來測定潔凈空間內(nèi)的最優(yōu)風(fēng)速，但只考慮了通入風(fēng)速，并未考慮出風(fēng)口對其實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響[3]。為進(jìn)一步研究超凈工作臺的不同通風(fēng)截面面積下的氣流狀態(tài)，獲得擋板的最佳升降高度，本文利用有限元模擬仿真軟件探究超凈工作臺滿足實(shí)驗(yàn)人員正常使用條件下的最優(yōu)通風(fēng)截面數(shù)據(jù)，采用SolidWorks軟件進(jìn)行建模，通過Flow Simulation 仿真軟件對垂直流超凈工作臺不同開口高度進(jìn)行流體力學(xué)模擬，分析其工作過程中氣流動力的變化，并通過數(shù)值計算和圖像顯示的方法，在空間和平面上定量描述，模擬出在提供足夠手臂操作空間的基礎(chǔ)上保證潔凈作業(yè)空間內(nèi)的最佳通風(fēng)截面面積[4-5]。

1 超凈工作臺有限元模型構(gòu)建

本研究以實(shí)驗(yàn)室中通用的雙人單面式垂直流超凈工作臺為參考設(shè)備，使用SolidWorks 軟件進(jìn)行有限元模型構(gòu)建。為便于后續(xù)模擬中不同零部件的不同邊界收斂條件的控制，將垂直流超凈工作臺劃分為工作臺支撐外殼、升降玻璃擋板、送風(fēng)機(jī)組及高效過濾器四大部件。因垂直流超凈工作臺中的紫外線燈、照明燈及初級過濾器對工作空間內(nèi)的潔凈氣體流動影響較小，故不單獨(dú)對其進(jìn)行有限元模型構(gòu)建。確定好需要建模的四大部件之后，利用SolidWorks 軟件對其分別進(jìn)行模型構(gòu)建。

1.1 工作臺支撐外殼的設(shè)計建模

垂直流超凈工作臺支撐外殼作為整個工作臺的骨架部分，其所有部件均以工作臺支撐外殼為撬裝基礎(chǔ)。本研究中的工作臺為雙人單面垂直流超凈工作臺，其工作臺支撐外殼尺寸為1 300 mm×580 mm×1 600 mm（長×寬×高），潔凈工作區(qū)域空間尺寸為1 140 mm×400 mm×600 mm（長×寬×高），送風(fēng)機(jī)組進(jìn)風(fēng)口尺寸為400 mm×400 mm（長×寬）。將材料設(shè)定為不銹鋼材質(zhì)，并在工作臺后背板外殼開33 個單個面積為929.23 mm2的通風(fēng)口。工作臺支撐外殼頂部為空心結(jié)構(gòu)，需將后續(xù)建模的送風(fēng)機(jī)組和高效過濾器配合放置于其內(nèi)部。工作臺支撐外殼模型如圖1 所示。

圖1 垂直流超凈工作臺支撐外殼模型

工作臺支撐外殼作為垂直流超凈工作臺的主要支撐部件，在其建模設(shè)計過程中需按照設(shè)備實(shí)際尺寸進(jìn)行空間尺寸還原，以免在后續(xù)氣流動力分析中受影響。將外殼尺寸、潔凈工作區(qū)域空間尺寸和送風(fēng)機(jī)組進(jìn)風(fēng)口尺寸進(jìn)行約束控制，對于不作為本次約束邊界條件的模型，僅凸顯其空間位置和裝配形態(tài)即可。

1.2 升降玻璃擋板的設(shè)計建模

升降玻璃擋板的設(shè)計建模是本研究的重點(diǎn)，其主要作用是控制潔凈工作空間內(nèi)潔凈氣體與外部大氣的通風(fēng)截面，保證實(shí)驗(yàn)人員在潔凈工作空間內(nèi)進(jìn)行操作，進(jìn)而控制內(nèi)部通風(fēng)量和氣流運(yùn)動狀態(tài)。升降玻璃擋板的結(jié)構(gòu)雖然簡單，但其對于實(shí)驗(yàn)人員和潔凈工作空間內(nèi)的潔凈氣流動力有著至關(guān)重要的作用。升降玻璃擋板設(shè)計尺寸為1 160 mm×420 mm×3 mm（長×寬×厚），設(shè)定其為透明鋼化玻璃材質(zhì)。外形尺寸設(shè)計完成后，著重對玻璃擋板的開度尺寸進(jìn)行設(shè)計，在軟件中使用固定間距尺寸功能對其進(jìn)行開度約束。不同開度的升降玻璃擋板如圖2 所示。

圖2 垂直流超凈工作臺升降玻璃擋板模型

1.3 送風(fēng)機(jī)組的設(shè)計建模

送風(fēng)機(jī)組的作用就是進(jìn)行空氣的強(qiáng)制循環(huán)，以確保氣流通過下方的高效過濾器進(jìn)入潔凈工作空間。在后續(xù)模擬中，送風(fēng)機(jī)組較為關(guān)鍵的約束條件為頂部送風(fēng)開口大小，作為工作臺整體唯一持續(xù)進(jìn)風(fēng)部件，需要對頂部送風(fēng)開口的尺寸進(jìn)行約束，約束尺寸為400 mm×400 mm（長×寬）。垂直流超凈工作臺送風(fēng)機(jī)組模型如圖3 所示。

圖3 垂直流超凈工作臺送風(fēng)機(jī)組模型

1.4 高效過濾器的設(shè)計建模

高效過濾器為工作臺的最后一道也是最重要的空氣過濾裝置，其可將送風(fēng)機(jī)組送入的空氣進(jìn)行過濾，濾去空氣中的塵埃粒子，并消除病菌、病毒的活動載體和滋生環(huán)境[6]，所以高效過濾器具有一定的通透性。在高效過濾器的設(shè)計建模過程中，設(shè)計尺寸為1 135 mm×460 mm×50 mm（長×寬×高）。垂直流超凈工作臺高效過濾器模型如圖4 所示。依據(jù)ISO 16890標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的顆粒物質(zhì)量過濾效率[7-8]，選用Flow Simulation 仿真軟件中的多孔介質(zhì)項(xiàng)，賦予其等同于100級過濾精度、潔凈度99.99%的高效過濾器特性。

圖4 垂直流超凈工作臺高效過濾器模型

1.5 垂直流超凈工作臺整體建模裝配

將完成設(shè)計建模后的4 塊相互獨(dú)立的零件插入至SolidWorks 軟件的裝配圖中，以垂直流超凈工作臺支撐外殼模型為基礎(chǔ)零件，并予以空間固定，將其余3 個零件進(jìn)行空間裝配，組合成完整的模型。整體模型中最為關(guān)鍵的是升降玻璃擋板與工作臺面的距離配合參數(shù)。垂直流超凈工作臺裝配體及渲染模型如圖5 所示。

圖5 垂直流超凈工作臺裝配體模型及渲染模型

2 氣流動力模擬分析

在垂直流超凈工作臺模型構(gòu)建過程中，通過可升降玻璃擋板控制潔凈工作空間與大氣接觸的面積。截面開口大小對空腔通風(fēng)量的影響是綜合的[9]，因模擬過程中需要給予模型一個求解目標(biāo)，故使用密封端口功能在升降擋板與桌面的開口位置建立1 個密封端面，密封端面的長度、厚度為固定尺寸，高度尺寸為變化值。以此擋板內(nèi)表面為模擬分析求解面，控制擋板高度尺寸（等同于玻璃擋板與桌面的配合開口尺寸）進(jìn)行不同變量的數(shù)值模擬，以150 mm為初始分析高度，依次遞增25 mm 至開口高度為275 mm 位置終止。

2.1 垂直流超凈工作臺有限元通用基礎(chǔ)條件設(shè)置

2.1.1 有限元模型基礎(chǔ)常規(guī)條件預(yù)設(shè)

在使用仿真模擬軟件對模型進(jìn)行動態(tài)模擬前，需要預(yù)先設(shè)置基礎(chǔ)常規(guī)條件：（1）本研究主要探究超凈工作臺內(nèi)部潔凈工作區(qū)域的氣流流動特性，故預(yù)設(shè)分析類型為有限元空間內(nèi)部。（2）在超凈工作臺初始模型中，需要排除可能存在無氣流流動的空腔，故預(yù)設(shè)排除裝配體內(nèi)不具備流動條件的腔室。（3）為讓仿真數(shù)據(jù)更貼近現(xiàn)實(shí)，需要賦予氣體重力加速度，故預(yù)設(shè)氣體重力加速度為y 軸方向分量（-9.81 m/s2）。（4）需要對仿真的工質(zhì)進(jìn)行物性設(shè)定，故預(yù)設(shè)模擬流體工質(zhì)為空氣，比熱比為1.399，分子質(zhì)量為0.028 96 kg/mol，空氣溫度設(shè)定為室溫21 ℃，動力黏度、比熱容及熱導(dǎo)率如圖6 所示。（5）考慮氣體在空間內(nèi)的流動規(guī)則要貼近現(xiàn)實(shí)，氣流流動應(yīng)該為不規(guī)則運(yùn)動，故預(yù)設(shè)流體特征為湍流。

圖6 模擬空氣工質(zhì)的動力黏度、比熱容及熱導(dǎo)率線性曲線

2.1.2 有限元模型基礎(chǔ)邊界條件預(yù)設(shè)

設(shè)置有限元模型基礎(chǔ)邊界條件可以控制仿真模擬的有效收斂，確保模擬數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。

（1）預(yù)設(shè)送風(fēng)機(jī)組進(jìn)風(fēng)口風(fēng)向垂直于風(fēng)機(jī)平面，進(jìn)風(fēng)口空氣速度為設(shè)備通用的最大風(fēng)速0.6 m/s，空氣湍流強(qiáng)度為10%、湍流長度為0.006 25 m。

（2）湍流強(qiáng)度（I）確定：

式中，Re 為進(jìn)風(fēng)口空氣雷諾系數(shù)，Re=d×v×ρ/μ。其中，d 為當(dāng)量直徑，d=4S/L，S 為空氣進(jìn)風(fēng)口截面面積，L 為空氣進(jìn)風(fēng)口截面周長；v 為空氣流速；ρ 為室溫21 ℃時的空氣密度；μ 為室溫21 ℃時的空氣運(yùn)動黏度系數(shù)。

將各參數(shù)代入公式，計算得出I：

根據(jù)計算所得數(shù)據(jù)，取模型湍流強(qiáng)度為10%。

（3）預(yù)設(shè)密封端面為壓力開口，壓力為環(huán)境壓力101 325 Pa（密封端面的尺寸變量只改變其潔凈工作區(qū)域與大氣環(huán)境的接觸面積，不影響其預(yù)設(shè)的邊界條件）。

（4）預(yù)設(shè)模型工作臺后背板外殼開33 個單個面積為929.23 mm2的通風(fēng)口為統(tǒng)一邊界條件，設(shè)定為壓力開口，壓力為環(huán)境壓力101 325 Pa。

2.1.3 有限元模型網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

從有限元分析的原理上看，網(wǎng)格劃分得越細(xì)密，求解結(jié)果的精度越高。但在實(shí)際工程的設(shè)計和應(yīng)用中，網(wǎng)格數(shù)量的急劇增加會導(dǎo)致計算的時間成本大幅增加，而且當(dāng)網(wǎng)格達(dá)到一定數(shù)量后計算精度的提高并不明顯[10]。為確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對不同網(wǎng)格間隙尺寸（20.8、17.8、14.8、11.8、8.8、5.8 mm）下的流速、通風(fēng)干擾度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比（如圖7 所示），觀察6 組模擬數(shù)值的變化趨勢，可以看出，網(wǎng)格間隙尺寸20.8～5.8 mm 范圍內(nèi)的曲線基本保持穩(wěn)定?？紤]仿真模擬的迭代次數(shù)及模擬仿真的可靠性，選用初始網(wǎng)格級別為4 級，空間內(nèi)三軸向網(wǎng)格間隙尺寸為14.8 mm。

圖7 不同網(wǎng)格間隙尺寸下流速及通風(fēng)干擾度數(shù)值對比

2.1.4 有限元模型全局求解目標(biāo)設(shè)定

有限元模型全局求解目標(biāo)為表面目標(biāo)，以模擬出的表面數(shù)據(jù)來探討超凈工作臺不同高度的升降擋板對實(shí)驗(yàn)人員的影響。本研究設(shè)定以下求解目標(biāo)：（1）潔凈操作空間與大氣的通風(fēng)截面設(shè)置密封端面為第一求解約束目標(biāo)，需通過有限元模擬出其通風(fēng)截面的通風(fēng)干擾度、風(fēng)速、通風(fēng)量；（2）風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口端面為第二約束求解目標(biāo)，需要通過有限元模擬出其通風(fēng)截面的通風(fēng)干擾度、風(fēng)速、通風(fēng)量。

2.2 擋板開度氣動模擬

控制玻璃擋板與潔凈桌面的約束配合尺寸為150～275 mm（如圖8 所示），每25 mm 階梯遞增，累計共模擬6 組，按照6 組配合尺寸分別在潔凈操作空間與大氣的通風(fēng)截面設(shè)置密封端面。依照上述基礎(chǔ)邊界條件進(jìn)行模擬分析，分別對150～275 mm 的擋板開度的流速、通風(fēng)量及通風(fēng)干擾度進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬。

圖8 擋板開度尺寸為150 及275 mm 時的垂直流超凈工作臺裝配體（單位：cm）

2.2.1 氣體通風(fēng)干擾度模擬數(shù)據(jù)

相較于三維空間內(nèi)的模擬量數(shù)據(jù)，切面等高線圖可將某一平面的數(shù)據(jù)體現(xiàn)得更為詳細(xì)，但對于空間內(nèi)的通風(fēng)干擾度模擬數(shù)值較為局限。現(xiàn)基于高級細(xì)化通道的網(wǎng)格點(diǎn)對迭代后的模擬數(shù)據(jù)量進(jìn)行空間內(nèi)流動軌跡處理，生成更具有氣體流動性的條帶狀靜態(tài)軌跡線。

在模擬限定邊界條件下進(jìn)行通風(fēng)干擾度分析模擬后，可從切面等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖（如圖9～14 所示）中進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)取值分析。將6 組不同高度的密封端面作為求解目標(biāo)，對6 組不同的通風(fēng)截面進(jìn)行通風(fēng)干擾度的數(shù)據(jù)采集，結(jié)果見表1。

表1 不同擋板開度下通過有限元分析求解通風(fēng)干擾度結(jié)果

圖9 擋板開度為150 mm 模型右切面通風(fēng)干擾度等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

圖10 擋板開度為175 mm 模型右切面通風(fēng)干擾度等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

圖11 擋板開度為200 mm 模型右切面通風(fēng)干擾度等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

圖12 擋板開度為225 mm 模型右切面通風(fēng)干擾度等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

圖13 擋板開度為250 mm 模型右切面通風(fēng)干擾度等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

圖14 擋板開度為275 mm 模型右切面通風(fēng)干擾度等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

在通風(fēng)干擾度的等高線圖、靜態(tài)流動軌跡圖和模擬數(shù)值中，通風(fēng)干擾度均值隨超凈工作臺通風(fēng)截面的增大而減小，從30.391%降至20.667%。對照實(shí)際使用情況，實(shí)驗(yàn)人員將擋板抬得越高內(nèi)腔氣流對實(shí)驗(yàn)人員的干擾越小，但隨著通風(fēng)截面逐級遞增，通風(fēng)干擾度的變化速率趨于平緩。

2.2.2 氣體流速模擬數(shù)據(jù)

通風(fēng)干擾度仿真模擬步驟：將求解目標(biāo)設(shè)定為有限元空間的流速，依次生成氣體流速等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖。

在模擬限定邊界條件下進(jìn)行氣體流速分析模擬后，可從切面等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖（如圖15～20 所示）中進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)取值分析。將6 組不同高度的密封端面作為求解目標(biāo)，對6 組不同的通風(fēng)截面進(jìn)行氣體流速的數(shù)據(jù)采集，結(jié)果見表2。

表2 不同擋板開度下通過有限元分析求解流速結(jié)果

圖15 擋板開度為150 mm 模型右切面氣體流速等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

圖16 擋板開度為175 mm 模型右切面氣體流速等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

圖17 擋板開度為200 mm 模型右切面氣體流速等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

圖18 擋板開度為225 mm 模型右切面氣體流速等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

圖19 擋板開度為250 mm 模型右切面氣體流速等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

圖20 擋板開度為275 mm 模型右切面氣體流速等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

在流速模擬數(shù)值中，流速均值隨超凈工作臺通風(fēng)截面的增大而減小，從0.610 m/s 降至0.343 m/s。對照實(shí)際使用情況，實(shí)驗(yàn)人員將擋板抬得越高通風(fēng)截面的氣體流速越小，但隨著通風(fēng)截面逐級遞增，流速的變化速率趨于平緩。

2.2.3 氣體通風(fēng)量計算數(shù)據(jù)

不同擋板開度下的通風(fēng)截面通風(fēng)量數(shù)據(jù)可依照通風(fēng)量理論計算公式求出，公式中的截面流速為使用有限元模擬求解出的流速數(shù)據(jù)，結(jié)果見表3。

表3 不同擋板開度下求解通風(fēng)量結(jié)果

在氣體通風(fēng)量計算數(shù)值中，通風(fēng)量均值隨超凈工作臺通風(fēng)截面的增大先增大再減小，從362.340 m3/h增至376.002 m3/h 再回落至373.527 m3/h。對照實(shí)際使用情況，實(shí)驗(yàn)人員將擋板抬至225 mm 高度時通風(fēng)截面的通風(fēng)量均值最大可達(dá)376.002 m3/h。

2.3 垂直流超凈工作臺有限元模擬分析

通過將潔凈操作空間與大氣的通風(fēng)截面作為變量進(jìn)行的通風(fēng)干擾度、氣體流速及通風(fēng)量的有限元分析，在讀取不同高度擋板內(nèi)側(cè)表面求解數(shù)值參數(shù)的情況下，從模型模擬數(shù)據(jù)求解出的等高線及靜態(tài)軌跡圖中可以得出，通風(fēng)截面面積與氣體流速及通風(fēng)干擾度均成反比，潔凈操作空間與大氣的通風(fēng)截面越大，流速越慢，通風(fēng)干擾度越小，且隨通風(fēng)截面面積持續(xù)增加，變化速率均趨于平緩。在氣體通風(fēng)量的計算數(shù)據(jù)中，通風(fēng)量不同于流速及通風(fēng)干擾度的變化趨勢，通風(fēng)量在擋板開度尺寸為150～225 mm時為遞增趨勢，在擋板開度尺寸為225～275 mm 時為遞減趨勢，且增長變化速率明顯高于減小變化速率。

從模擬通風(fēng)量、流速、通風(fēng)干擾度數(shù)據(jù)三Y 軸柱狀-點(diǎn)線圖（如圖21 所示）中看出，在設(shè)定邊界條件風(fēng)機(jī)入口處為最大風(fēng)速0.6 m/s 時，隨著擋板開度增大至225 mm 時擋板內(nèi)側(cè)表面的通風(fēng)量達(dá)最大值，可以理解為在現(xiàn)有6 組邊界條件情況下，潔凈操作空間與大氣的通風(fēng)截面為0.248 m2時可達(dá)376.002 m3/h。

圖21 模擬通風(fēng)量、流速、通風(fēng)干擾度數(shù)據(jù)三Y 軸柱狀-點(diǎn)線圖

通過對潔凈空間與大氣的通風(fēng)截面的通風(fēng)干擾度、風(fēng)速、通風(fēng)量的模擬研究結(jié)果可以看出，在保證實(shí)驗(yàn)人員受到通風(fēng)干擾相對較小且滿足要求的界面風(fēng)速的情況下，優(yōu)先選用通風(fēng)量最佳的通風(fēng)截面高度，即225 mm 的擋板開度尺寸。

3 結(jié)語

本文利用建模軟件SolidWorks 對垂直流超凈工作臺進(jìn)行建模，并采用流體力學(xué)模擬軟件Flow Simulation 對其進(jìn)行有限元模擬分析，在近乎貼合實(shí)際運(yùn)行工況下以控制變量的方法進(jìn)行模擬求解。通過一系列迭代求解，得出其模擬數(shù)據(jù)及模擬圖像，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)人員將擋板開度的約束配合尺寸控制在225 mm時，即通風(fēng)截面面積為0.248 m2時通風(fēng)干擾相對較小，氣體流速適中，通風(fēng)量最佳，并且還能給予實(shí)驗(yàn)人員一定的實(shí)驗(yàn)活動空間。本次模擬論證作為相對基礎(chǔ)的探究，尚存在不足之處：利用模擬軟件進(jìn)行探討分析的變量跨度較大；所模擬的超凈工作臺裝備的型號尺寸單一受限。因此后續(xù)可以在本次論證的基礎(chǔ)上，將約束配合尺寸進(jìn)一步細(xì)化，有針對性地在尺寸225 mm 上下范圍內(nèi)進(jìn)行模擬分析，并對多種型號尺寸的超凈工作臺分類探究和優(yōu)化，進(jìn)一步為后續(xù)垂直流超凈工作臺所涉及的生產(chǎn)、研發(fā)領(lǐng)域提供有依據(jù)的幫助和參數(shù)。