工藝布置對輻流潔凈室氣流場和污染物濃度的影響研究

范衛(wèi)軍，郭春梅，張麗璐

（天津城建大學(xué) 天津300384）

輻流潔凈室作為一種高效節(jié)能的潔凈室，由于氣流組織的實(shí)施效果問題，影響了其應(yīng)用。Morrison[1]研究了潔凈室污染物粒子分布的影響因素，總結(jié)了潔凈室內(nèi)氣流組織形式、室內(nèi)塵源分布、室外污染氣流滲入等對室內(nèi)粒子濃度分布的影響。魏學(xué)孟等[2-3]對輻流潔凈室氣流組織和污染物濃度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)了靜態(tài)條件下輻流潔凈室內(nèi)氣流的流動特性和污染物濃度的分布規(guī)律。周祖東[4]針對輻流潔凈室二維流場進(jìn)行數(shù)值模擬，首次采用了大渦模擬技術(shù)進(jìn)行模擬研究，該種方法的模擬結(jié)果可以指導(dǎo)設(shè)計空態(tài)條件下輻流潔凈室的送風(fēng)口半徑、回風(fēng)口高度、送風(fēng)速度等參數(shù)，使其達(dá)到合理范圍。常茹等[5]研究了將輻流潔凈室用于醫(yī)院潔凈病房內(nèi)的潔凈度及其相關(guān)影響因素。

本文采用 Airpak模擬軟件對工藝和人員布置不同情況下的輻流潔凈室內(nèi)氣流組織的速度場和污染物濃度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究其在工藝布置相對固定的工業(yè)潔凈室中的應(yīng)用效果。

1 物理模型

根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，本次模擬的實(shí)驗(yàn)室模型為潔凈度要求達(dá)到 ISO6級的電子工業(yè)廠房，室內(nèi)設(shè)施及人員的布置采用了2種方案：方案1工作臺沿送風(fēng)氣流方向呈長條型布置，人員分別設(shè)置在工作臺兩側(cè)；方案2工作人員均勻分布于工作臺四邊，如圖1所示。

圖1 輻流潔凈室物理模型Fig.1 Physical model of spot-flow cleaning chamber

潔凈室、工作臺及人員等的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置如表 1所示，將工藝設(shè)備和人員均簡化為塊狀處理。

表1 潔凈室各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置Tab.1 Structure parameters of the cleaning room

2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)潔凈室設(shè)計規(guī)范，在潔凈室內(nèi)的湍流脈動頻率[6]在千赫茲數(shù)量級內(nèi)，各類潔凈室氣流速度通常均在 0.1m/s以上，微粒幾乎以完全相同的速度跟隨氣流運(yùn)動。ISO6級設(shè)計換氣次數(shù)為 50～60次/h，模擬中取 60次/h。取潔凈室內(nèi)溫度為 25℃，相對濕度為55%，污染物初始濃度為0。

本文采用 Airpak數(shù)值模擬軟件，采用標(biāo)準(zhǔn) K-ε兩方程模型。連續(xù)相的計算采用求解流場控制方程的方式完成，控制方程包括質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程[7]，分別如公式（1）和（2）所示。

式中：ρ為流體的密度；Sm為源項(xiàng)，即從分散的二級相中加入到連續(xù)相的質(zhì)量。

式中：gi和iF分別為i方向上的重力體積力和外部體積力；p為靜壓；τij為應(yīng)力張量：

這里予以如下簡化和假設(shè)：①室內(nèi)氣流為不可壓縮常物性牛頓流體，穩(wěn)態(tài)流動，且滿足 Bussinesp近似（密度變化不是很大的變密度流動）；②送風(fēng)氣流溫濕度與室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)相同；③忽略建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷熱負(fù)荷作用；④模擬工作人員身著潔凈服裝配零件的操作過程，手腕自由運(yùn)動狀態(tài)，每人產(chǎn)塵量取2.98×105粒/min，折算成計重濃度為 10×10-7g/s[8]，為了模擬人員均勻產(chǎn)塵的過程，將塵源設(shè)置為扁平的長方體因素并置于人員正面。

3 數(shù)值模擬與分析

在工作平面（z＝0.8m）和人員呼吸平面（z＝1.3m）2個平面上，分別選取 6個監(jiān)測點(diǎn)，其中 1～6為工作平面監(jiān)測點(diǎn)，7～12為呼吸平面監(jiān)測點(diǎn)，進(jìn)行2種方案速度場和污染物濃度場的對比分析。

圖 2為 2種方案下速度值對比分析結(jié)果。在相同的換氣次數(shù)下，方案1和方案2在工作平面、呼吸平面和兩個平面平均速度值分別為 0.035、0.103、0.069m/s和 0.023、0.095、0.059m/s，方案 1 較方案 2的速度增量分別為52%、8%和17%。

圖2 不同方案速度值對比Fig.2 Comparison of speed values for different scenarios

圖3表明：在工作平面上，方案1和方案2的平均濃度分別為0.0004、0.0006mL/m3，方案2污染物濃度增加了50%；在呼吸平面上，方案1和方案2的平均濃度分別為0.0004、0.0005mL/m3，方案2污染物濃度增加了 25%。方案 2在兩個平面總平均濃度增量為25%。

圖3 不同方案污染物濃度值對比Fig.3 Comparison of pollutant concentrations by option

污染物濃度分布與氣流的速度分布是極為相似的，方案1比方案2的速度值高，對污染物的排除效果好，污染物濃度值低。兩者的換氣次數(shù)相同，而方案2由于室內(nèi)設(shè)施和人員對于氣流的遮擋作用，影響了氣流組織效果，進(jìn)而影響了室內(nèi)的潔凈度。輻流潔凈室的送、回風(fēng)口安裝位置一定要根據(jù)工藝設(shè)施和人員布局合理設(shè)計，對于工藝設(shè)施和人員經(jīng)常變換的場合不適合采用輻流的氣流組織形式。

4 結(jié)論與探討

本文采用計算流體力學(xué)軟件，對2種方案的工藝和人員布置下的工業(yè)類輻流潔凈室內(nèi)速度場和污染物濃度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，在工作平面和呼吸平面選取監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行了速度值和污染物濃度值分析。

①污染物濃度分布與氣流的速度分布是極為相似的，顆粒物在潔凈室內(nèi)主要受到氣流力的作用，所以氣流組織對潔凈室污染物分布起到?jīng)Q定性作用。

②在其他條件均相同的情況下，對2種工藝和人員布置方案下的氣流場和污染物濃度場的模擬分析表明，方案 2由于工藝和人員對氣流的遮擋，造成工作面的速度值比方案 1低 17%，污染物濃度值比方案1增高25%。

③輻流潔凈室理想的氣流流型是在送回風(fēng)口之間的工作區(qū)域形成單向流，將污染物排出，其他區(qū)域?yàn)榉菃蜗蛄鳌Ｈ绻麊蜗蛄鞯臍饬鹘M織不能實(shí)施，則潔凈度就受到了影響。因此，輻流潔凈室的送、回風(fēng)口安裝位置一定要根據(jù)工藝設(shè)施和人員進(jìn)行合理設(shè)計，對于工藝設(shè)施和人員經(jīng)常變換的場合不適合采用輻流的氣流組織形式。