带气幕的局部洁净室数值模拟.docx
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带气幕的局部洁净室数值模拟
带气幕的局部洁净室数值模拟
同济大学周辉龙惟定
哈尔滨工业大学魏学孟
摘要本文以k-ε紊流模型为基础，对带气幕的局部洁净室的流场和污染物浓度场进行模拟。
通过分析工作区截面风速、气流速度不均匀度、流线平行度单向流三要素，提出气幕风口尺寸主洁净风口和气幕风速等工作参数的优化结果。
同时还考虑了工作台对整个流场的影响。
另一方面分析了环境尘源、主洁净区内尘源、尘源高度等因素对洁净区内浓度场的影响，从理论上指出气幕射流力是影响气幕隔断的主要因素之一。
关键词气幕局部洁净室数值模拟污染浓度
1前言
目前洁净室净化方式主要有两种，即全面净化方式和局部净化方式。
研究表明，局部净化方式以其相对较少的造价和运行操作较简单等特点，日益受到人们的青睐。
但局部洁净室会产生因洁净气流引射周围空气而产生沿程收缩，造成洁净区面积减少。
为解决这个问题，人们通常采取各种围挡方式。
本课题就采取在高效过滤器两侧加两道条形气幕，用较高流速的气幕射流进行围挡。
在国外目前已有较成熟的产品，而我国在这方面的研究还很不足。
根据笔者所查资料，除建科院空调所进行过水模型试验外，尚未发现较系统的理论研究和相关产品出现。
因此希望通过本文分析洁净区的流动特性和污染物分布规律，为该方式的局部洁净室的设计研究和开发作初步的前期探索。
2本文的研究方法及主要工作
因为洁净室的换气次数较大，且气流组织基本可视为强制对流流型，所以本文的计算模型可采用标准的高雷诺数k-ε二方程模型。
（1）
（2）
为了简化计算，对洁净室的实际条件进行了如下假设：
室内气流流动为稳态流动，室内气流不可压缩流体，物性为常数，忽略质量力；
室内无内热源，围护结构绝热，对于洁净室来说，可假设为无温差送风，而且将室内温度场视为均匀温度场；
忽略污染粒子的质量，并假定它是被动量对气流无作用，室内污染源的发尘速率恒定。
靠近壁面处采用压力壁面函数。
离散方法采用有限差分法。
在划分网格时，使用交错网格，且在气幕风口号上方设置不均匀风格。
在方程组求解时，对耦合方程组使用SIMPLE算法，单个方程组使用ADI逐行迭代法。
本文需要回答以下几个问题：
主流区内能否形成单向流型；影响单向流的主要因素是什么；在多大的主送风速和气幕风速
下，能形成流型较好的单向流场；气幕保护下，可供使用的主洁净区宽度是多少；影响气幕隔断效率的物理量是舒适；在多大的气幕风速和口宽下，气幕的隔断效果最好（即内外区的浓度比最小）。
3算例设计
如图1，通过改变室内主流区送风速度W0、空气幕的送风速度W以及气幕的宽度L0，取了如图几种截面，对洁净室主洁净区有效空间的流场及浓度场进行模拟，并结合理论分析与前人有关实验实测资料对模拟结果进行对比分析。
图1洁净室各参数及截面示意图
4洁净室流场的分析
下述典型流场示意图说明，整个洁净室内流场并不均匀，而只能局部区域满足单向流要求。
通过大量算例的模拟，可以初步得出如下结论：
高效过滤器下方的主洁净区流场与全顶棚送风两侧下侧回风方式的流场有相似之处，主洁净区气流流线不交叉，可形成近似单向流。
沿Y轴方向工作区流场可视为二维流场。
所有算例的X-Z剖析面图，气幕送风口处出口风速最大，随着高度降低，速度逐渐衰减。
从不同高度横截面速度分布图也可看出工作区高度上，同一截面速度分布呈鞍型分布，两个气幕送风口下方是两个峰值，主洁净区速度呈平台，而回风口高度上同一截面速度分布却正相反，四周靠近墙壁和回风口处速度是峰值，中央速度则较低。
说明射流在工作区高度上确有一定的隔断作用，但不能象文献[1]中所述可以在地面上形成遮断点。
图2典型流场示意图
（a）75mm气幕 气幕风速1.4m/s主送风速0.3m/s；（b）200mm气幕气幕风速1.2m/s主送风速0.3m/s;
由于射流的卷吸作用，可以看出气幕射流向两侧扩张，且向外侧扩张角显著。
主洁净风边缘随高度下降略向外扩张，笔者变化主送风和气幕风速度均未见收缩腰部。
图3不同高度横断面速度分布图
（a）高度为1.37的横断面速度分布图；（b）高度为0.4的横断面速度分布图；
从流场图虽然可以定性说明，却不能准确判别单向流型优劣。
下面我们将从单向流三要素进行分析讨论：
截面风速，气流速度的不均匀度和流线的平行度。
4．1截面风速
本文将以洁净厂房设计规范GBJ 73-84的规定：
截面平均速度不小于0.25m/s为准，同时也考虑新修订的规范GB50073（送审稿）0.2m/s的新规定。
分别变化主送风速度，不同气幕风速和气幕口宽时，通过分析主洁净区截面的平均速度曲线，结果表明：
主流区截面平均速度曲线下凹，且随机射流距离递减，符合流体力学中平面射流断面速度的二次方分布规律。
图4主洁净区截面平均速度分布图
影响截平均速度、主洁净区工作面高度的主要因素不是气幕风速和口宽，而是主送风速度。
各曲线在一定高度上满足单向流截面平均速度不小于0.25m/s的要求，且满足这一要求的截面高度随主送风速度增大而降低。
例如主送风速0.3m/s时最低为1.7m；0.33m/s时最低为0.85m；0.35m/s时最低为0.65m。
如果按GBJ73-84规定工作区高度截面速度不小于0.25m/s推算，则主送风速度就大于0.33m/s。
这也符合平时设计的惯例。
若仅需满足GB 50073（送审稿）的规定，则主送风速度降为0.3m/s也是可以允许的。
新规范在不改变单向流流型的前提下既可降低工作台高度，又大大降低主送风速和风量，有利于节约运行费用。
4．2气流速度不均匀度
气流速度不均匀度可按下式定义：
风速不均匀度=
（3）
式中：
VX--工作区各点速度；
Vpj--工作区平均流速。
气流速度不均匀度的绝对值越大，说明气流速度分布越不均匀，容易产生局部涡流。
美国FS209B规定：
单向流洁净室的气流速度不均匀度应在±20%之内。
虽然自FS209C以后删除了此项要求，但笔者认为就本课题而言，气流速度不均匀度绝对值的大小和分布仍有意义，有利于搞清楚由于气幕风与主洁净风流层之间卷吸交换对主洁净区面积及气流不均匀度可能产生的影响。
这里不考虑实际运行中高效过滤器本身造成的出风不均匀性影响，仍假设出风均匀，按FS209B的苛刻规定给出各高度截面不均匀度±20%内的分布。
综合对比表明：
主洁净区0.8m工作区高度内均能满足单向流的条件，但能满足不均匀度在±20%内的区域面积平均减少了9%，最大到12%。
气幕风口下方区域速度梯度大，不能满足单向流。
没有回风口的近壁区域不均匀度有随高度降低而增大，随主送风速度增大而减小。
因此在实际布置工作台时，工作台两端距没有回风口的两侧墙应至少0.6～0.8m远。
图5不同截面高度不均匀性分布图
综合各算例，主送风速度与气幕风速对不均匀度的作用有所不同。
当主送风速度相同时，气幕风速（或宽度）对均匀度区域面积影响不大。
而当主送风速度增大时，可满足不均匀度在±20%内的区域宽度增大。
分析其原因，不均匀度主要是由于气幕射流与主洁净风间速度差造成的，两种气流风速作用相反，增大气幕风速会加大卷吸作用，破坏单向流场的均匀，但影响范围有限。
高效过滤器的抗干扰能力很大，增大主洁净风则使得这种抗菌素干扰能力增强，有利于减小不均匀度。
下表为适用于各种主送风速下，满足不均匀度在±20%内的界线距气幕口内边缘向内侧投影响距离。
不均匀度±20%的界线距气幕口内边缘投影距离（m） 表1
0.83m
1.1m
1.37m
1.64m
0.3m/s
0.4～0.5
0.3～0.5
0.3～0.4
-
0.33m/s
0.3～0.4
0.3～0.4
0.2～0.3
-
0.35m/s
0.15～0.2
0.1～0.2
0.1～0.2
-
同时还可计算出当高效过滤器主洁净风口宽2.0m时，各种气幕保护下满足不均匀度条件的单向流场宽度如下表。
满足不均匀度条件的单向流场宽度（m） 表2
0.83m
1.1m
1.37m
1.64m
0.3m/s
1.4～1.6
1.4～1.8
1.7～1.8
-
0.33m/s
1.6～1.8
1.6～1.8
1.8～1.9
-
0.35m/s
1.8～1.9
1.8～1.9
1.9～2.0
-
4．3流线的平行度
主洁净区流线的平行度可认为是洁净室内紊流渐变由非均匀流向均匀流趋近的一种程度，是衡量单向流的一个根本要素。
描述流线平行度的方法有多种，本文将满足
（1）流线倾角大于65°；
（2）相邻流线夹角小于5～8°，见文献[2]。
同时考虑主送风速度、气幕风卷吸对单向流场的影响。
模拟可以看出气幕风口下一定高度，卷吸作用强烈，幕风口下射流流层间切向力很大。
通过分析可知：
图6流线的平行度分布图
随高度降低，可满足单向流平行度条件的流场宽度减少，其边界可认为是满足平行度条件的单向流场的边界，且随气幕宽度和风速变化不大。
例如0.8m高处，单向流场宽度约为1.3m；1.1m高处，单向流场宽度约为1.8m。
随高度降低，流线夹角数值变化越快。
而密集区正好落在涡流三角区中。
对同一高度等值线随气幕宽度和风速变化却不大。
这说明满足平行条件的单向流场的高度基本不随气幕宽度和风速变化。
通过对比还发现，当主送风速度增大时，对满足平行度条件的截面高度影响也不大。
另外根据洁净厂房设计手册规定，计算出不同气幕宽度和主风速时所允许气幕风与主送风的最大送风风速比，如下表。
最大送风风速比 表3
75
100
150
200
0.3
10.5
8.3
6.1
5
0.33
8.48
6.75
5.01
4.14
0.35
7.14
5.71
4.29
3.57
综合单向流的条件，本文推荐送风风速比范围：
75mm气幕时比为7～10；100mm气幕时比为8～5；150mm气幕时为6～4；200mm气幕时为5～3.5。
4．4工作台对静态流场的影响
本文对洁净室内通常采用的板式工作台和台式工作台的流场进行模拟和分析。
这里给出了有工作台时洁净室流场二维图，从图中可看出障碍物对整个流场影响不大，只是从局部流场看，平板挡住了上部直接来流，改变了四周和下游气流流型，与空态不同，平板下流的流速也比空态时低许多，气幕射流存在向内卷吸收缩趋势。
可以推测与全顶棚送风方式相比，本文的洁净方式更不宜采用此类平板工作台，而采用台式工作台时情况有所改善。
图7 不同工作台局部流场比较
5洁净室浓度场的分析
5．1浓度场的分布特点
模拟中将点污染源按所处位置分为两类：
按横向分为主洁净区内澎湃和环境尘源；按高度分为工作区高度尘源的非工作区高度尘源。
采用散发率2.5×104粒/s的点污染源，这与一般洁净室设计规定在人穿着洁净服剧烈活动时，全身散尘率为5.6×105粒/min相比还是比较安全。
从模拟结果可以看出：
污染场是沿流线分布的，近似看成是二维分布场。
主洁净区内尘源相同位置时所产生的污染场主要随主送风风速发生变化。
主送风风速增大，污染场浓度略有降低。
位置不同时，例如当污染源靠近洁净室中线，高浓度都集中于污染源下风侧，工作面以上扩散很小，不影响工作区洁净度。
图8 不同口宽气幕的局部度浓场对比图
当尘源在主洁净区内时，气幕宽度和风速对该尘源的污染场基本无作用。
而当环境尘源位于工作区高度时，对风速相同的宽口气幕比窗口气幕隔断效果显著。
污染源的位置对局部洁净室浓度场有一定关系。
无论采取哪种气幕，局部洁净室都能达到千级以上洁净度。
需要指出，气幕宽度和风速对主洁净区内尘源的污染场无影响，而主要对环境尘源产生污染场起作用。
5．2气幕风速及口宽对污染场的影响
为了更好的说明问题，考虑污染场最不利情况，选择将面污染源（散尘率2.5×104粒/秒，面积为0.4m×1.8m）放在送风口两侧的屋顶上，同时也减少面污染源对流型的影响。
气幕风速及口宽对环境尘源产生污染场的影响应从两方面说明：
一是环境浓度场随气幕风速及口宽的变化规律；二是环境尘源的粒子空过气幕隔断在主洁净区的分布情况。
这两方面是统一的，都可以揭示不同气幕的隔断作用，并最终归结为计算洁净区面积。
从实际意义讲，第二方面是将研究的重点。
通过分析可得如下结
论：
图9 不同口宽气幕的面污染源浓度场对比图
（a）面污染源浓度分布（75mm气幕风速1.4m/s）
（b）面污染源浓度分布（200mm气幕风速0.9m/s）
气幕射流的下方等值线变化剧烈，在这个宽度内等值线基本都是竖直的，而在高度1m左右处发生偏转。
回风口区和上部的涡流区等值线分布密集，说明这两个区域浓度变化较大。
相同气幕宽度时，工作区高度内环境浓度随气幕送风速度的增大而降低；同样气幕风速相同时，环境浓度也会随气幕宽度的增大而降低。
其原因是风量增大，洁净气流的稀释作用增强。
图10数值模拟与实测的内外区浓度比图
不同气幕风速及口宽产生的隔断作用也不同，这表现在气幕保护下的内侧主洁净区等浓度线随气幕送风速度及口宽的增大向外移，洁净度较高的区域面积增大。
上面给出数值模拟与实测的内外区浓度比图，实测图引自文献[1]。
对比也可发现：
在一定气幕风速范围内，内外区浓度比下降明显；气幕风口变宽时这种趋势就很小了。
当气幕宽度达到150～200m时，单纯增加气幕风速已无法降低洁净区浓度。
这说明气幕隔断作用不仅只与风速有关。
根据流体力学的射流理论，射流在运动过程中各断面的动量保持守恒。
即
（4）
式中：
M--气幕射流总动量，N·s；
F--气幕射流流力，N；
--分别为气幕射流的出口流速，某断面的平均流速，射流末端平均流速，m/s；
--分别为气幕射流的出口流量，断面的流量，射流末端流量，m3/s。
任意断面流量可通过平面射流公式计算：
（5）
注：
上述公式的可用性是根据
得以验证的。
式中a=0.11，X为极距，f为房间面积。
因此可以认为：
随射流力的增大，内外区浓度比降低。
宽口低速气幕比窗口高速气幕隔断效果好的原因是前者的射流力较
大。
另外本文还设计了气幕射流力相等的箱例，给出不同气幕口宽和风速时的情况，为表4和图11所示：
主送风速与气幕风速之比（m/s;m/s） 表4
75mm
100mm
150mm
200mm
0.81N
0.3：
1.46
0.3：
1.27
0.3：
1.04
0.3：
0.9
0.91N
0.3：
1.55
0.3：
1.35
0.3：
1.10
0.3：
0.95
1.11N
0.3：
1.7
0.3：
1.50
0.3：
1.21
0.3：
1.05
1.54N
0.3：
1.75
0.3：
1.51
0.3：
1.24
0.3：
1.07
从上面两气幕隔断效果图综合比较，同样可以得出气幕射流力相等时，宽口低速气幕比窗口高速气幕隔断效果好些。
气幕口宽与风速的优化组合如下表：
气幕口宽与风速的优化值 表5
气幕宽度（mm）
75
100
150
200
气幕风速（m/s）
1.6～1.7
1.5
1.2
1.1～1.2
图11气幕射流力相等时内外区浓度比
本文推荐：
200mm气幕，风速为1.1～1.2m/s
参考文献
1许钟麟，空气洁净技术原理，中国建筑工业出版社，1989：
253～260
2魏学孟，关于单向流的三要素，《洁净技术》，2000（3）：
21～22
3周辉，带气幕的局部洁净室数值模拟：
[哈工大硕士论文]，2001
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