柜門對排風柜污染物控制效果影響的模擬分析

林棟炫

福建省建筑科學研究院有限責任公司

0 前言

化學實驗操作工程中產生的有害物質若不能迅速排出，會危害化學實驗操作人員身體健康[1-2]。排風柜是化學實驗室內重要的排風設備[3]。許多學者采用計算流體力學（CFD）方法對排風柜氣流組織進行研究。學者Lan 等人[4]模擬研究了柜門高度及面風速對氣流形態的影響。結果表明，增大柜門高度，操作人員前方的低速區會上移并接近呼吸區，不利于排風柜對呼吸區污染物控制。Kirkpatrick 等人[5]在柜內外有障礙物情況下，對不同柜門高度下的流型進行仿真。結果顯示，在柜門下側邊緣位置與柜內障礙物前方出現污染物滯留。Hu 等人[6]采用CFD 數值模擬方法，研究了有旁通風口時，柜門高度對柜內氣流分布的影響。結果顯示，柜門高度的改變并不會對旋渦的形態產生顯著影響，但會影響旋渦區域的位置。

本文以變風量排風柜為研究對象，采用Realizable k-ε 湍流模型對排風柜柜門附近的氣流場進行三維模擬仿真，對柜門水平開度，柜門豎直開度和面風速的影響進行研究，就柜門水平開度和豎直開度影響排風柜污染物控制效果的機理進行分析。基于CFD 模擬結果，將操作窗口最大濃度和呼吸區控制濃度作為排風柜污染物控制效果的量化評價指標，分析柜門對排風柜污染物控制的影響，可為排風柜的優化設計提供參考。

1 數值模擬方案

1.1 幾何模型及邊界條件

排風柜及測試室的仿真模型以真實排風柜及測試室為原型建立。如圖1 所示，兩個1/4 圓弧形的送風口在測試室內靠墻對稱放置，送風口高0.7 m，半徑0.5 m，底部距地面0.8 m。排風柜在測試室內緊貼送風口對面墻面放置，尺寸為1500 mm（長，X）×950 mm（寬，Y）×2600 mm（高，Z），內部空間深度0.765 m，操作臺面距地面0.95 m。人體模型身高1.68 m，肩寬0.4 m。參照ASHRAE110(2016)，將距離操作臺面550 mm，距離操作窗口75 mm 位置定義為人體的呼吸區[7]。送入測試室的空氣全部通過排風柜排出，排風口尺寸0.25 m。

模擬計算邊界條件設置如表1 所示。兩個弧形送風口視作均勻速度送風入口。出口處采用壓力邊界條件，出口相對壓力為0。研究中定義示蹤氣體SF6 作為污染物，污染源以ASHRAE110(2016)的引射器為原型。計算中添加組分源項定義污染物釋放量。測試室的壁面，排風柜壁面及假人模型均采用無滑移固體壁面邊界條件，并采用第二類邊界條件，傳熱量視作0，無質量運輸。對于的固體壁面近壁區，采用標準壁面函數處理。

表1 計算邊界條件設置

1.2 數值計算模型

數值模擬對象為化學實驗室內的流場，假設空氣為不可壓縮氣體，采用穩態模擬，本文采用Realizable k-ε 湍流模型封閉湍流方程，并基于有限體積法進行數值求解。采用SIMPLE 算法對壓力和速度進行求解，計算中的湍流方程，能量方程以及組分方程按二階上風差分的方式進行離散。當各求解變量的殘差同時小于10-3且流場內的速度、濃度隨迭代不再發生改變時認為計算已經收斂。

1.3 網格無關性分析與模型可靠性驗證

采用粗、中、細三套不同數量的網格計算，進行網格獨立性檢驗。網格獨立性檢驗的計算工況為：水平開度1200 mm，豎直開度600 mm，面風速0.4 m/s，檢驗參數為排風柜操作窗口的面風速，檢驗結果如圖2所示。中等網格與精細網格的計算結果基本重合。認為中等網格與精細網格計算結果之間的差異可以接受，并按照中等網格的網格尺寸計算其余工況。

圖2 三套網格面風速計算結果同實驗數據對比

將操作窗口水平開度1200 mm，豎直開度600 mm，面風速0.4 m/s 的運行工況的實測面風速同計算面風速對比，驗證計算模型的可靠性對比結果見圖2。從圖中可以看出，模擬計算結果的面風速與實測面風速基本吻合。

2 結果與討論

2.1 柜門水平開度對流場的影響分析

保持排風柜面風速和豎直開度不變，僅改水平開度的大小，以研究柜門水平開度對柜內氣流組織的影響。三種不同柜門水平開度中部縱截面的氣流組織如圖3 所示。矢量圖顏色反映垂直操作窗口方向速度大小（Z 方向）。在排風柜外，由于假人模型的遮擋作用，假人模型正前方的氣流以平行于操作窗口的方向（Y方向）向操作窗口匯集。氣流匯集過程中，Y 方向的速度逐漸減小，Z 方向的速度逐漸增大。在排風柜內，當水平開度為400 mm 時，氣流經過操作窗口流入排風柜后，方向與操作窗口垂直，氣流具有較大的Z 方向速度。隨著水平開度增大，排風量增大，上部排風孔的作用增強，操作窗口上側的氣流Y 方向的速度增大，Z方向的速度減弱。Z 方向速度越小，對柜內污染物向操作窗口擴散的控制能力越弱。

圖3 排風柜內外流場對比

三種水平開度下，中部縱截面上排風柜內部距離操作窗口50 mm 處的線段M50，如圖4（a）所示。該線段上的污染物濃度分布、Z 方向速度分布以及Y 方向速度分布如圖4（b）～圖4（d）所示。可以看出，在線段M50上，400 mm 水平開度的示蹤氣體濃度整體上小于800 mm 水平開度和1200 mm 水平開度下的示蹤氣體濃度，Z 方向的速度整體上隨著水平開度的增大而減小，Y 方向的速度整體上隨著水平開度的增大而增大。說明水平開度的變化引起人體前方垂直柜門速度大小發生改變，是排風柜污染物控制效果體現出差異的主要原因。

圖4 線段M50 上示蹤氣體濃度、速度Y、速度Z 隨高度的變化

2.2 柜門豎直開度對流場的影響分析

圖5 是水平開度1200 mm，面風速0.4 m/s 工況下下，房間中部縱截面上（X=0）排風柜內外的氣流矢量圖。在排風柜外，由于柜前模擬假人的存在，在假人遮擋區域，氣流上下兩個方向流入。從下方吸入的氣流，在向上流入過程中，垂直操作窗口方向（Z 方向）的速度逐漸增大，平行操作窗口方向（Y 方向）速度逐漸減小，在工作臺面上形成了明顯的小型渦流。從上方吸入的氣流，在向下過程中，同樣Z 方向的速度逐漸增大，Y 方向的速度逐漸減小。兩股氣流最終在操作窗口上交匯，并向排風柜的后上方流動。通過操作窗口的氣流速度方向并不再垂直于操作窗口，而是向上傾斜。這意味著在該截面上，柜內污染源至操作窗口區域內Z 方向的速度被弱化了。從圖中可以看出，隨著柜門上移，受到人體遮擋影響而被弱化了Z 方向速度的區域逐漸擴大，并靠近人體呼吸區。

圖5 不同豎直開度柜內外流場

2.3 不同柜門開度污染物控制效果對比分析

本文將操作窗口最大濃度Cw,max和呼吸區濃度C作為評價指標，模擬計算不同柜門開度和面風速下的Cw,max和C，采用正交實驗方法設置計算工況分析柜門水平開度，柜門豎直開度以及面風速三個因子對排風柜污染物控制效果的影響。每個因子取三個水平，因子水平表如表2 所示。考慮因子間的兩兩交互作用，選用正交表L27（313）設置計算工況并對計算結果進行分析，計算結果如表3 所示。

表2 因子水平表

表3 各因子水平計算結果

圖6 各因子對Cw,max 影響的趨勢圖

圖7 各因子對C 影響的趨勢圖

觀察各因子的R 值可以看出，對于指標Cw,max，柜門水平開度的影響最為顯著，面風速的影響次之，豎直開度的影響最小。對于指標C，柜門豎直開度的影響最為顯著，水平開度的影響次之，面風速的影響最小。圖6、圖7 分別為各因子對指標Cw,max和指標C 的影響趨勢圖。隨著柜門水平開度和豎直開度的增大，Cw,max減小，C 增大。隨著面風速的增大，Cw,max減小，C 減小。

隨著水平開度增大，Cw,max下降明顯，C 也顯著上升。可見，降低柜門的水平開度雖然能夠降低C，提升排風柜對呼吸區污染物控制效果，但是Cw,max也增大了，污染物在干擾條件下從柜內逸出的風險隨之提高。豎直開度對Cw,max和C 雖然有著與水平開度相似的影響趨勢，但豎直開度對Cw,max的影響相對更弱，且當柜門豎直開度由600 mm 下降至500 mm，Cw,max沒有明顯變化，C 出現了顯著下降。因此，在本例中將柜門豎直開度控制在500 mm 是較優的控制方案。綜合考慮Cw,max與C 兩項指標，在變風量排風柜運行過程中不建議對柜門水平開度進行調節，建議將柜門豎直開度控制在最優開度500 mm 附近。

3 結論

本文基于CFD 對變風量排風柜的氣流組織形式進行了三維仿真分析，分析了柜門水平開度和柜門豎直開度對排風柜氣流場的影響，并采用柜門最大濃度Cw,max和呼吸區濃度C 兩個指標對比分析了柜門水平開度，柜門豎直開度和面風速對排風柜污染物控制效果的影響規律，主要結論如下：

1）定面風速條件下，增大柜門水平開度會惡化排風柜對呼吸區的污染物控制效果。水平開度的變化引起柜內氣流速度方向發生改變。隨著水平開度的增大，人體前方的Z 方向（垂直操作窗口方向）速度減弱，是導致排風柜對呼吸區污染物控制效果隨著水平開度的增大而減弱的原因。

2）定面風速條件下，增大柜門豎直開度會惡化排風柜對呼吸區的污染物控制效果。隨著柜門上移，操作窗口被人體遮擋的區域逐漸擴大，并靠近人體呼吸，是導致排風柜對呼吸區污染物控制效果隨著豎直開度的增大而減弱的原因。

3）對于指標Cw,max，柜門水平開度的影響最為顯著，面風速的影響次之，豎直開度的影響最小。對于指標C，柜門豎直開度的影響最為顯著，水平開度的影響次之，面風速的影響最小。綜合呼吸區的控制濃度（C）和操作窗口最大濃度（Cw,max）兩項指標，變風量排風柜運行過程中建議優先考慮對柜門豎直開度進行控制，并將柜門豎直開度控制在最優位置（500 mm 附近）。