垂直單向流潔凈室的氣流流型模擬與優化

周俊杰，房全國，吳 冰，王定標

(1．鄭州大學 化工與能源學院，河南 鄭州450001;2．三門峽市質量技術監督檢驗測試中心，河南 三門峽472000 )

0 引言

潔凈室是應用空氣潔凈技術進行污染控制的房間，它是實現GMP 的一個重要因素． 灌封車間是醫藥生產區域中的重要潔凈區域，潔凈等級一般為100 級． 根據《醫藥工業潔凈廠房設計規范》［1］，空氣潔凈度為100 級的醫藥潔凈室應采用單向流潔凈室． 潔凈室能否達到一定的空氣潔凈度，能否有效控制并排除微粒的污染，所涉及的因素較多，其中室內的氣流組織影響較大．

目前，國內外許多學者在氣流組織的模擬方面做了大量工作［2-4］． 和麗虎等［5］、鐘武等［6］、向立平等［7］利用fluent 分別對會議室、辦公室、客車內的氣流組織進行了模擬研究． 于楠［8］、韓何［9］利用Phoenics 分別對體育館、潔凈室進行了模擬研究．黃聞華等［10］運用CFD 技術對潔凈室內的氣流組織進行了設計，其主要從氣流平行度方面對潔凈室進行了研究，并未考慮亂流度的要求．仲遇程［11］對單側回風形式的潔凈室的氣流進行了數值模擬，并通過實驗測定了潔凈室截面的流速，計算了亂流度參數，但實驗成本較大，周期長．筆者利用fluent 軟件對垂直單向流潔凈室進行數值模擬，綜合考慮不同過濾面積下的流線平行度和亂流度及斷面平均風速，得出垂直單向流潔凈室的最佳滿布比，使潔凈室能更好的滿足實際生產的需要．

1 垂直單向流潔凈室

垂直單向流潔凈室如圖1 所示，頂棚滿布高效過濾器送風，全地板格柵回風．其特點:可獲得均勻的向下單向平行氣流，因而自凈能力強，能夠達到最高的潔凈度級別，單向流潔凈室必須滿足四項特性指標:流線平行度、亂流度、下限風速及斷面平均風速［11］．

圖1 垂直單向流潔凈室Fig．1 Vertical unidirectional flowing clean room

(1)流線平行度．在單向流潔凈室中，實際的流線并不是完全平行，有一個允許的流線平行度，如果流線是漸變流的曲線，則其和工作區下限平面的交點與和操作人員工作區的交點之間的連線，與水平方向的傾角應大于65°．

(2)亂流度． 單向流潔凈室要求室內為均勻流，速度場的均勻對于單向流潔凈室是很重要的．不均勻的速度場會增加速度的脈動，促進流線間質點的摻混．速度場的均勻性可用亂流度βn來衡量．對于單向流潔凈室，設計上一般取βn不大于0．25 ～0．30．

當斷面有n 個網格時，其速度的平均值Vp和亂流度βn分別為

式中:Vp為平均風速，m/s;Vi為第i 網格節點的風速，m/s;n 為網格數;βn為亂流度．

(3)下限風速:垂直單向流潔凈室內沒有明顯熱源時，下限風速取0．12 m/s．

(4)斷面平均風速:斷面平均風速的取值關系到凈化系統的投資和運行費用，以及空氣潔凈度等級．《潔凈廠房設計規范》規定100 級單向流潔凈室的斷面平均風速為0．2 ～0．5 m/s．

2 垂直單向流潔凈室數值模擬

2．1 控制方程

筆者所研究的潔凈室內氣流速度很小，斷面風速小于0．5 m/s，故室內氣體可視為不可壓縮均質流體．由于100 級的潔凈室的換氣次數多，其送風溫差不超過2°，大部分區域的溫度場是均勻的，此處不考慮能量方程．流動過程中的控制方程主要是連續性方程和動量方程:

(1)連續性方程

式中:u、v、w 表示速度在x、y、z 方向上的分量．

(2)動量方程

式中:xi(i = 1，2，3)、xj(j = 1，2，3)為坐標系坐標;ui(i = 1，2，3)為沿i 方向的速度分量;fi為沿i 方向的質量力;p 是靜壓;ρ 為空氣密度．

2．2 模型建立

潔凈區的尺寸為:長×寬×高=9 m ×6 m ×3 m．在模擬研究的過程中，人員活動情況及工作設備臺都尚未進入，即空態潔凈室內的狀況模擬．

在潔凈室的氣流設計中，采用頂棚布置高效過濾器、格柵地板回風方式．下面就該種方式對上述的潔凈室進行模擬，滿布比(末級過濾器凈面積與布置末級過濾器截面的總面積的比值)分別取100%、90%、80%、70%和60%，分析比較各自的氣流組織的優劣，不同的滿布比對應的送風風速大小(其中不同滿布比下的空氣流量相同)和過濾器的尺寸見表1．圖2 為滿布比為70%的潔凈室模型，坐標原點為底面矩形的中心．

網格劃分采用六面體網格，網格數為200 250．邊界條件設置:進口為Velocity-inlet，出口為Outflow，其他邊界默認為Wall，計算區域設為fluid．計算區域及邊界條件如圖2 所示．

表1 不同滿布比下的風速大小和過濾器尺寸Tab.1 Air velocity and filter size of different ratio of blowing area

圖2 潔凈室模型Fig．2 Clean room model

2．3 求解參數設置

①流體為空氣，密度和黏度恒定，密度ρ 為1．225 kg/m3，黏度μ 為1．789 ×10-5kg/(m·s)．②求解器選擇COUPLED IMPLICIT SOLVER，選擇穩態計算．③為了提高計算精度，差分格式采用二階迎風格式． ④速度場和壓力場的求解基于SIMPLE 算法，壓力松弛因子取0．3，動量松弛因子取0．7．⑤湍流模型選擇k-ε 標準湍流模型，壁面區域采用標準壁面函數．

3 模擬結果及分析

(1)流線分布． 模擬得出滿布比分別為100%、90%、80%、70%和60%時潔凈室的流場分布．將計算的數據導入tecplot 中后處理分別得到X=0 斷面、Y =0 斷面(坐標位置見圖2)的流線分布情況及速度分布情況，結果表明兩個斷面的分布情況相似．X=0 斷面的流線分布情況及速度分布情況如圖3 所示．

圖3 X=0 斷面不同滿布比下的流線及速度分布Fig．3 Streamline and velocity distribution of different ratio of blowing area for the section x equal to zero

由圖3 可以看出，過濾器的滿布比越大，出口處的流線平行度越好，進口處的旋渦越小．當滿布比為60% ～80%時，潔凈室的主體流動仍是單向平行流，在出口靠近墻面處，流線是漸變流的曲線，流線與水平方向的傾角都大于65°．從流線平行度的角度出發，滿布比大于60%的潔凈室滿足單向流潔凈室要求．

但當滿布比為60%和70%時，進口處旋渦均較明顯，當滿布比為90%或更大時，雖然進口處沒有旋渦，但滿布比越大，建造所需頂棚高效過濾器及風機的數量越多，頂層用于布置照明及過濾器邊框的空間越小，這樣會增加建造成本及建設難度;當滿布比為80%時，進口處雖有旋渦，但旋渦較小，且流線平行度也滿足單向流要求．綜合考慮，選擇滿布比為80%的潔凈室較合適．

(2)亂流度及斷面平均風速．在fluent 中將X=0 斷面、Y=0 斷面的速度值導出為ASCII 文件，再將該文件導入matlab 中處理，得到斷面上所有節點的速度值，利用式(1)和式(2)計算得出X =0 斷面、Y =0 斷面的亂流度，斷面的平均風速如圖4 和圖5 所示．

由圖4 和圖5 可以看出，隨著滿布比的減小，亂流度逐漸增加，斷面平均風速增加;當滿布比為60%時，X=0 斷面的亂流度為0．322 0，Y =0 斷面的亂流度為0．342 4，均大于0．3，已不符合要求． 當滿布比為80%時，X=0 斷面的亂流度為0．180 3，Y=0 斷面的亂流度為0．194 0，都小于0．3;X=0 斷面的平均風速為0．335 4 m/s，Y =0斷面的平均風速為0．335 5 m/s，均在0．2 ～0．5 m/s 范圍內． 由此可以看出，選擇滿布比為80%的設計方案符合潔凈室的設計要求．

4 結論

在典型的送風方式下對垂直單向流潔凈室模型進行了數值模擬，在不同滿布比下分析比較了它們各自的氣流組織的優劣．通過模擬得出:

(1)滿布比越大，出口處的流線平行度越好，進口處的旋渦越小． 當滿布比為60% ～80%時，潔凈室的主體流動仍是單向平行流，在出口靠近墻面處，流線是漸變流的曲線，流線與水平方向的傾角都大于65°．從流線平行度的角度出發，滿布比大于60%的潔凈室滿足單向流潔凈室要求．

(2)隨著滿布比的減小，亂流度逐漸增加，當滿布比為60%時，X=0 斷面的亂流度為0．322 0，Y=0 斷面的亂流度為0．342 4，均大于0．3，不符合要求．

(3)當滿布比為60%和70%時，進口處旋渦較明顯，當滿布比為80%時，進口處旋渦較小，X=0 和Y =0 斷面的亂流度分別為0． 180 3 和0．194 0，均小于0．3;X=0 和Y=0 斷面的平均風速分別為0．335 4 m/s 和0．335 5 m/s，均在0．2 ～0．5 m/s范圍內，滿足單向流潔凈室的要求．

［1］ 中國醫藥工程設計協會． GB 50457—2008 醫藥工業潔凈廠房設計規范［S］． 北京:中國計劃出版社，2009．

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［5］ 和麗虎，羅卓英，曠金玉，等．會議室空調氣流組織形式的數值模擬研究［J］．節能技術，2012，30(2):111 -115．

［6］ 鐘武．夏季辦公室空調房間氣流組織的數值模擬［J］．制冷與空調，2011，25(3):304 -308．

［7］ 向立平，王漢青． 空調客車內氣流組織與污染物濃度場數值模擬［J］． 中南大學學報:自然科學版，2010，41(5):2017 -2021．

［8］ 于楠．某體育館室內氣流組織CFD 模擬研究［D］．天津:天津大學環境科學與工程學院，2012．

［9］ 韓何．垂直單向流潔凈室氣流的數值模擬與分析［D］．上海:同濟大學機械工程學院，2007．

［10］ 黃聞華，魏琪，盧啟明．CFD 技術在潔凈室氣流組織設計中的應用［J］． 潔凈與空調技術，2006，(2):7 -11．

［11］ 仲遇程．單側下回風式潔凈室氣流的數值模擬與測試［D］．上海:同濟大學機械工程學院，2007．