隔離器灌裝段氣流組織優(yōu)化模擬研究

宋德龍 劉剛 吳文蕾 郁葵 徐文超 嚴(yán)浩

1 東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2 上海東富龍愛瑞思科技有限公司

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，生物醫(yī)藥技術(shù)水平得到了有效提升，微電子等技術(shù)也得到快速發(fā)展，在醫(yī)藥制造過程中，隔離器得到了有效的應(yīng)用。國內(nèi)隔離器技術(shù)尚屬起步階段，大多用于無菌灌裝或分裝設(shè)備上，自主生產(chǎn)的隔離器設(shè)備較少，對裝置氣流分布情況都未進(jìn)行系統(tǒng)研究，而隔離器內(nèi)部氣流組織直接影響潔凈效果，氣流較差時，會造成渦流、亂流等現(xiàn)象，因此隔離器產(chǎn)品內(nèi)部氣流組織不容忽視。

雖然計算流體動力學(xué)在氣流模擬領(lǐng)域運用比較成熟，但利用CFD 方法對隔離器內(nèi)部氣流模擬的情況較少。于穎[1]等人對底部回風(fēng)隔離器進(jìn)行氣流模擬研究，主要在回風(fēng)方式和外壁傾角上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計。王華鵬[2]通過模擬研究了具有單側(cè)回風(fēng)方式的隔離器，并提出在底部架設(shè)空層方式，研究主流區(qū)氣流的影響。目前對隔離器研究側(cè)重于回風(fēng)方式的選取，與整體結(jié)構(gòu)改造，均未研究分析回風(fēng)口流量失衡問題以及對回風(fēng)管內(nèi)部進(jìn)行改造的方式。

隔離器可分為不同功能設(shè)備單元，結(jié)構(gòu)相似，本文以采用頂送側(cè)回通風(fēng)方式的隔離器灌裝段為對象，利用CFD 方法進(jìn)行研究，分析隔離器灌裝段內(nèi)部氣流分布狀況，對局部區(qū)域氣流組織較差問題進(jìn)行研究，統(tǒng)計分析該區(qū)域回風(fēng)口流量比例，并提出對相應(yīng)區(qū)域的回風(fēng)管內(nèi)架設(shè)小隔片、罩板、擋片等方式進(jìn)行改造，以及考慮管路阻力及能耗問題，最終擇優(yōu)采用加設(shè)擋片的方式，通過模擬驗證，其能夠有效改變回風(fēng)管上回風(fēng)口的流量比例，使其趨于理論設(shè)計，隔離器灌裝段內(nèi)部達(dá)到較好的氣流組織，保障制藥生產(chǎn)環(huán)境，為隔離器的優(yōu)化提供參考。

1 工程概況

本研究隔離器灌裝段頂部鋪滿 FFU，在底部兩側(cè)開設(shè)回風(fēng)口，外部裝設(shè)有5 個回風(fēng)管，并在回風(fēng)管裝設(shè)過濾器和回風(fēng)機，一部分回風(fēng)排出，一部分回到隔離器頂部靜壓箱與空調(diào)處理過的新風(fēng)進(jìn)行混合，再送入工作區(qū)。并且隔離器灌裝段兩端與其他功能隔離器單元相連，進(jìn)行物料傳遞。其送風(fēng)風(fēng)速，以及各回風(fēng)管回風(fēng)量均已確定，工作區(qū)壓力有一定的范圍要求，兩端相連的其他單元壓力已定。在滿足參數(shù)要求下（見表1），進(jìn)行模擬計算，發(fā)現(xiàn)回風(fēng)口流量相差較大，局部區(qū)域氣流組織較差，氣流傾斜較大問題。本文將采用對該區(qū)域相應(yīng)的回風(fēng)管進(jìn)行改造的方式，以此改善氣流組織，達(dá)到較好的控制環(huán)境。

表1 隔離器灌裝段工況參數(shù)

2 數(shù)值模擬方法

2.1 物理數(shù)值及簡化

該隔離器灌裝段簡化后的主體（工作區(qū)）的幾何尺寸為：長（x）×寬（y）× 高（z）=3.4 m×1 .8 m×1 .37 m，而實際模型比較復(fù)雜，為了便于模擬計算以及提高計算速度，忽略了FFU 搭接邊緣，認(rèn)為布滿比 100%，以均流膜截面為送風(fēng)口，不考慮靜壓箱混合區(qū)域等，其基本結(jié)構(gòu)以及布置如圖1 所示。

圖1 隔離器灌裝段幾何模型及平面布置示意圖

2.2 模擬方法及控制方程

本文使用Fluent 軟件，采用Realizablek-ε模型對隔離器內(nèi)部氣流進(jìn)行模擬，主要控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、湍流動能方程、湍流耗散量ε方程、能量方程等，通過數(shù)值計算求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值[3]。針對本研究，作如下假設(shè)：1）隔離器內(nèi)部氣流低速流動，且密度變化不大，看作不可壓縮流體且符合Boussinesq 假設(shè)。2）內(nèi)部流動為穩(wěn)態(tài)流動。3）除鼠洞外，不考慮漏風(fēng)影響，認(rèn)為裝置氣密性良好。其通用方程[4]可表達(dá)為：

式中：φ通量變量速度矢量；Γ 通用方程擴散系數(shù)；S通用方程源項。

當(dāng)φ為不同的物理量時，則上述通用方程演化成對應(yīng)物理量的控制方程。

2.3 網(wǎng)格生成及邊界條件

由于隔離器結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則，故采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對于回風(fēng)管進(jìn)行單獨網(wǎng)格劃分，采用較小的網(wǎng)格尺寸，對主體網(wǎng)格劃分，采用相對較大的尺寸，再進(jìn)行網(wǎng)格合并，對局部區(qū)域如回風(fēng)口等作加密處理。

頂部采用速度入口，大小為 0.45 m/s，工作區(qū)要求風(fēng)速范圍在（0.45±20%）m/s。兩端的壓力確定，左邊單元為10 Pa，右邊單元為40 Pa。回風(fēng)管根據(jù)所對應(yīng)的倉位計算回風(fēng)量。模型壁面采用無滑移壁面條件。

3 模擬結(jié)果分析與討論

3.1 對原模型進(jìn)行模擬分析

從圖 2 工作面壓力，以及斷面速度矢量圖可以看出，工作區(qū)壓力26.43～26.90 Pa，壓力符合要求，即保證了生產(chǎn)環(huán)境的壓力，而工作面附近氣流流線傾斜較大，平行度較差，從回風(fēng)管 1 對應(yīng)的區(qū)域可知，k1-3 附近的流線密集。

圖2 z=0.6 m 水平面壓力云圖及y=1 m 截面速度矢量圖

從表 2 測點統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，超出風(fēng)速范圍的測點數(shù)量較多，不能滿足工作區(qū)風(fēng)速要求，速度方差較大，亂流度較大。流線傾角范圍較大，與 Z 負(fù)軸的夾角最大值為34.4°，即與水平夾角為55.6°，流線的平行度較差。

表2 監(jiān)測點統(tǒng)計與計算數(shù)據(jù)

回風(fēng)口均布兩側(cè)，按理論設(shè)計，各回風(fēng)口流量應(yīng)當(dāng)均等，比例一致。但從表 3 看出，風(fēng)管 1（總流量1389 m3/ h）的三個回風(fēng)口的風(fēng)量的差別較大，比例極不平衡，距離回風(fēng)立管較遠(yuǎn)的 k1-1 流量最小，離立管最近的k1-3 流量最大。這導(dǎo)致流線傾斜較大，也使回風(fēng)口前區(qū)域的速度大小差別較大。

表3 風(fēng)管管道1 的三個回風(fēng)口流量比例

3.2 確定風(fēng)管的優(yōu)化方式

為解決回風(fēng)口流量比例相差較大，氣流較差等問題，以改善氣流組織，保障藥品生產(chǎn)環(huán)境，本節(jié)將采用對回風(fēng)管改造的方式，并以單個回風(fēng)管（回風(fēng)管 1，各回風(fēng)口尺寸長×寬為510 mm×106 mm）為研究對象。

1）在回風(fēng)口處增加阻尼，回風(fēng)口處ξ分別為4.5和100，記為工況1，工況2。

2）由于 k1-1 回風(fēng)量極小，現(xiàn)只對 k1-2 與 k1-3 進(jìn)行改變，加小隔片的尺寸為回風(fēng)口 1.1 倍寬，1/4 倍長，從回風(fēng)口左處與管道相連，與回風(fēng)口呈 15° 角，裝設(shè)在管道內(nèi)，記為工況 3，見圖3（a）。

3）加罩板的形式，其對于回風(fēng)口呈 15° 角，左連風(fēng)管，以及上下與風(fēng)管封閉，僅右側(cè)與管道相通，對于口k1-3 前的罩板，其正投影面的最右邊線與口k1-3 最右邊線重合，而口 k1-2 前的罩板到口 4/5 處，記為工況4，見圖3（b）。

4）對于加擋片的形式，其與風(fēng)口平行，較風(fēng)口 1.5倍寬，1.1 倍長，與口 k1-3 相距 15 mm，與 k1-2 相距20 mm，記為工況5，見圖3（c）。

進(jìn)行模擬并統(tǒng)計，根據(jù)管道總壓差，與管道流量，以及通過公式：ΔP=ξρv2/ 2，計算管路平均阻尼ξ值 。其統(tǒng)計計算結(jié)果見表4。

圖3 管道1 不同的結(jié)構(gòu)形式示意圖

從表 4 可以看出，工況 1，2 增加風(fēng)口處阻尼的方式，對回風(fēng)流量比例有所改善，隨著風(fēng)口的阻尼增加，流量比例趨于一致，但是管路阻尼增加較大。工況 3，雖然對管路阻力的影響較小，但是改善作用很小。工況 4，改善作用明顯，但是造成管路不小的阻力損失。綜合來看，方式5 不僅能夠明顯改善回風(fēng)流量比例，管道ξ增加不大，而且在實際項目當(dāng)中較好實現(xiàn)，只需調(diào)整擋片的距離即可靈活改變回風(fēng)口流量比例，當(dāng)與口k1-3 相距10 mm，與 k1-2 相距15 mm，由表5 可知，各回風(fēng)口流量比例接近一致。

表4 管道1 不同形式下回風(fēng)口流量比例及管路阻尼系數(shù)

表5 調(diào)整后回風(fēng)口流量比例及管路阻尼系數(shù)

3.3 對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模型進(jìn)行模擬分析

采用加擋片的方式優(yōu)化后，對隔離器灌裝段整體模擬分析。從圖 4 可知，工作面的壓力在 26.24～26.53 Pa，滿足壓力要求，從速度矢量圖看出，工作面附近速度方向基本保持豎直向下，流線密集程度均勻，氣流組織較好。從表6，7 可以看出，回風(fēng)流量比例基本接近，超出速度范圍的測點數(shù)量為 0，速度方差較小，亂流度較小。與 Z 負(fù)軸的夾角范圍較小，且最大值為19.63°，即與水平夾角最小值為70.37°，角度方差較小，平行度較好。從測點速度大小及流線傾角的對比圖（如圖5）可知，采用管道內(nèi)部加擋片的形式，速度大小波動較小，速度較為平均，并且完全滿足速度要求，角度差異較小，均基本接近豎直方向。總體來看，隔離器灌裝段優(yōu)化后，明顯改善回風(fēng)管上各回風(fēng)口的流量比例，使各回風(fēng)口流量趨于一致，接近理論設(shè)計，進(jìn)而改善工作區(qū)氣流組織，保證了藥品生產(chǎn)環(huán)境。

表6 優(yōu)化后監(jiān)測點統(tǒng)計與計算數(shù)據(jù)

圖4 優(yōu)化后z=0.6 m 水平面壓力云圖及y=1 m 截面速度矢量圖

表7 優(yōu)化后風(fēng)管管道1 的三個回風(fēng)口流量比例

圖5 優(yōu)化前后測點速度值與角度值對比圖

4 結(jié)論

以上數(shù)值模擬分析比較了不同結(jié)構(gòu)的回風(fēng)管形式情況，以及隔離器灌裝段采用這種優(yōu)化方式前后的情況，可以得出以下結(jié)論：

1）在對回風(fēng)管改造時，采用在回風(fēng)管內(nèi)部加擋片的形式，能夠有效改變回風(fēng)口流量比例，并且不會造成過大的阻力損失，是一種很好的改進(jìn)措施。

2）即便隔離器灌裝段底部兩側(cè)開設(shè)回風(fēng)口，但因回風(fēng)管的布置與結(jié)構(gòu)，各回風(fēng)口流量相差較大，偏離理論設(shè)計，導(dǎo)致氣流傾斜較大，也導(dǎo)致該區(qū)域附近速度差異較大，氣流組織較差。在采用管道內(nèi)加擋片的形式對隔離器灌裝段優(yōu)化后，不會帶來過多管路阻力損失而增加不必要能耗，能使各回風(fēng)口流量比例接近一致，趨于理論設(shè)計，腔內(nèi)氣流就近排出，速度滿足工作區(qū)要求，氣流接近豎直方向，速度大小與流線傾角波動范圍較小，亂流度較小，平行度較好，有較好的氣流組織，能夠保證藥品灌裝時的控制環(huán)境。