局部潔凈室數(shù)值研究管理論文_優(yōu)秀論文

1、 局部潔凈室數(shù)值研究管理論文摘要本文以k-紊流模型為基礎(chǔ), 對帶氣幕的局部潔凈室的流場和污染物濃度場進(jìn)行模擬。通過分析工作區(qū)截面風(fēng)速、氣流速度不均勻度、流線平行度單向流三要素, 提出氣幕風(fēng)口尺寸主潔凈風(fēng)口和氣幕風(fēng)速等工作參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果。同時還考慮了工作臺對整個流場的影響。另一方面分析了環(huán)境塵源、主潔凈區(qū)內(nèi)塵源、塵源高度等因素對潔凈區(qū)內(nèi)濃度場的影響, 從理論上指出氣幕射流力是影響氣幕隔斷的主要因素之一。關(guān)鍵詞氣幕局部潔凈室數(shù)值模擬污染濃度1前言目前潔凈室凈化方式主要有兩種, 即全面凈化方式和局部凈化方式。研究表明, 局部凈化方式以其相對較少的造價和運(yùn)行操作較簡單等特點, 日益受到人們的青睞。但局

2、部潔凈室會產(chǎn)生因潔凈氣流引射周圍空氣而產(chǎn)生沿程收縮, 造成潔凈區(qū)面積減少。為解決這個問題, 人們通常采取各種圍擋方式。本課題就采取在高效過濾器兩側(cè)加兩道條形氣幕, 用較高流速的氣幕射流進(jìn)行圍擋。在國外目前已有較成熟的產(chǎn)品, 而我國在這方面的研究還很不足。根據(jù)筆者所查資料, 除建科院空調(diào)所進(jìn)行過水模型試驗外, 尚未發(fā)現(xiàn)較系統(tǒng)的理論研究和相關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn)。因此希望通過本文分析潔凈區(qū)的流動特性和污染物分布規(guī)律, 為該方式的局部潔凈室的設(shè)計研究和開發(fā)作初步的前期探索。2本文的研究方法及主要工作因為潔凈室的換氣次數(shù)較大, 且氣流組織基本可視為強(qiáng)制對流流型, 所以本文的計算模型可采用標(biāo)準(zhǔn)的高雷諾數(shù)k-二方程模

3、型。（1）（2）為了簡化計算, 對潔凈室的實際條件進(jìn)行了如下假設(shè)：室內(nèi)氣流流動為穩(wěn)態(tài)流動, 室內(nèi)氣流不可壓縮流體, 物性為常數(shù), 忽略質(zhì)量力；室內(nèi)無內(nèi)熱源, 圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱, 對于潔凈室來說, 可假設(shè)為無溫差送風(fēng), 而且將室內(nèi)溫度場視為均勻溫度場；忽略污染粒子的質(zhì)量, 并假定它是被動量對氣流無作用, 室內(nèi)污染源的發(fā)塵速率恒定?？拷诿嫣幉捎脡毫Ρ诿婧瘮?shù)。離散方法采用有限差分法。在劃分網(wǎng)格時, 使用交錯網(wǎng)格, 且在氣幕風(fēng)口號上方設(shè)置不均勻風(fēng)格。在方程組求解時, 對耦合方程組使用SIMPLE算法, 單個方程組使用ADI逐行迭代法。本文需要回答以下幾個問題：主流區(qū)內(nèi)能否形成單向流型；影響單向流的主要因

4、素是什么；在多大的主送風(fēng)速和氣幕風(fēng)速下, 能形成流型較好的單向流場；氣幕保護(hù)下, 可供使用的主潔凈區(qū)寬度是多少；影響氣幕隔斷效率的物理量是舒適；在多大的氣幕風(fēng)速和口寬下, 氣幕的隔斷效果最好（即內(nèi)外區(qū)的濃度比最小）。3算例設(shè)計如圖1, 通過改變室內(nèi)主流區(qū)送風(fēng)速度W0、空氣幕的送風(fēng)速度W以及氣幕的寬度L0, 取了如圖幾種截面, 對潔凈室主潔凈區(qū)有效空間的流場及濃度場進(jìn)行模擬, 并結(jié)合理論分析與前人有關(guān)實驗實測資料對模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。4潔凈室流場的分析下述典型流場示意圖說明, 整個潔凈室內(nèi)流場并不均勻, 而只能局部區(qū)域滿足單向流要求。通過大量算例的模擬, 可以初步得出如下結(jié)論：高效過濾器下方的

5、主潔凈區(qū)流場與全頂棚送風(fēng)兩側(cè)下側(cè)回風(fēng)方式的流場有相似之處, 主潔凈區(qū)氣流流線不交叉, 可形成近似單向流。沿Y軸方向工作區(qū)流場可視為二維流場。所有算例的X-Z剖析面圖, 氣幕送風(fēng)口處出口風(fēng)速最大, 隨著高度降低, 速度逐漸衰減。從不同高度橫截面速度分布圖也可看出工作區(qū)高度上, 同一截面速度分布呈鞍型分布, 兩個氣幕送風(fēng)口下方是兩個峰值, 主潔凈區(qū)速度呈平臺, 而回風(fēng)口高度上同一截面速度分布卻正相反, 四周靠近墻壁和回風(fēng)口處速度是峰值, 中央速度則較低。說明射流在工作區(qū)高度上確有一定的隔斷作用, 但不能象文獻(xiàn)1中所述可以在地面上形成遮斷點。由于射流的卷吸作用, 可以看出氣幕射流向兩側(cè)擴(kuò)張, 且向外

6、側(cè)擴(kuò)張角顯著。主潔凈風(fēng)邊緣隨高度下降略向外擴(kuò)張, 筆者變化主送風(fēng)和氣幕風(fēng)速度均未見收縮腰部。（a）高度為1.37的橫斷面速度分布圖；（b）高度為0.4的橫斷面速度分布圖；從流場圖雖然可以定性說明, 卻不能準(zhǔn)確判別單向流型優(yōu)劣。下面我們將從單向流三要素進(jìn)行分析討論：截面風(fēng)速, 氣流速度的不均勻度和流線的平行度。41截面風(fēng)速本文將以潔凈廠房設(shè)計規(guī)范GBJ73-84的規(guī)定：截面平均速度不小于0.25m/s為準(zhǔn), 同時也考慮新修訂的規(guī)范GB50073（送審稿）0.2m/s的新規(guī)定。分別變化主送風(fēng)速度, 不同氣幕風(fēng)速和氣幕口寬時, 通過分析主潔凈區(qū)截面的平均速度曲線, 結(jié)果表明：主流區(qū)截面平均速度曲線下

7、凹, 且隨機(jī)射流距離遞減, 符合流體力學(xué)中平面射流斷面速度的二次方分布規(guī)律。影響截平均速度、主潔凈區(qū)工作面高度的主要因素不是氣幕風(fēng)速和口寬, 而是主送風(fēng)速度。各曲線在一定高度上滿足單向流截面平均速度不小于0.25m/s的要求, 且滿足這一要求的截面高度隨主送風(fēng)速度增大而降低。例如主送風(fēng)速0.3m/s時最低為1.7m；0.33m/s時最低為0.85m；0.35m/s時最低為0.65m。如果按GBJ73-84規(guī)定工作區(qū)高度截面速度不小于0.25m/s推算, 則主送風(fēng)速度就大于0.33m/s。這也符合平時設(shè)計的慣例。若僅需滿足GB50073（送審稿）的規(guī)定, 則主送風(fēng)速度降為0.3m/s也是可以允許

8、的。新規(guī)范在不改變單向流流型的前提下既可降低工作臺高度, 又大大降低主送風(fēng)速和風(fēng)量, 有利于節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。42氣流速度不均勻度氣流速度不均勻度可按下式定義：風(fēng)速不均勻度=(3)式中：VX-工作區(qū)各點速度；Vpj-工作區(qū)平均流速。氣流速度不均勻度的絕對值越大, 說明氣流速度分布越不均勻, 容易產(chǎn)生局部渦流。美國FS209B規(guī)定：單向流潔凈室的氣流速度不均勻度應(yīng)在20%之內(nèi)。雖然自FS209C以后刪除了此項要求, 但筆者認(rèn)為就本課題而言, 氣流速度不均勻度絕對值的大小和分布仍有意義, 有利于搞清楚由于氣幕風(fēng)與主潔凈風(fēng)流層之間卷吸交換對主潔凈區(qū)面積及氣流不均勻度可能產(chǎn)生的影響。這里不考慮實際運(yùn)行中高

9、效過濾器本身造成的出風(fēng)不均勻性影響, 仍假設(shè)出風(fēng)均勻, 按FS209B的苛刻規(guī)定給出各高度截面不均勻度20%內(nèi)的分布。綜合對比表明：主潔凈區(qū)0.8m工作區(qū)高度內(nèi)均能滿足單向流的條件, 但能滿足不均勻度在20%內(nèi)的區(qū)域面積平均減少了9%, 最大到12%。氣幕風(fēng)口下方區(qū)域速度梯度大, 不能滿足單向流。沒有回風(fēng)口的近壁區(qū)域不均勻度有隨高度降低而增大, 隨主送風(fēng)速度增大而減小。因此在實際布置工作臺時, 工作臺兩端距沒有回風(fēng)口的兩側(cè)墻應(yīng)至少0.60.8m遠(yuǎn)。綜合各算例, 主送風(fēng)速度與氣幕風(fēng)速對不均勻度的作用有所不同。當(dāng)主送風(fēng)速度相同時, 氣幕風(fēng)速（或?qū)挾龋鶆蚨葏^(qū)域面積影響不大。而當(dāng)主送風(fēng)速度增大時,

10、 可滿足不均勻度在20%內(nèi)的區(qū)域?qū)挾仍龃蟆７治銎湓? 不均勻度主要是由于氣幕射流與主潔凈風(fēng)間速度差造成的, 兩種氣流風(fēng)速作用相反, 增大氣幕風(fēng)速會加大卷吸作用, 破壞單向流場的均勻, 但影響范圍有限。高效過濾器的抗干擾能力很大, 增大主潔凈風(fēng)則使得這種抗菌素干擾能力增強(qiáng), 有利于減小不均勻度。下表為適用于各種主送風(fēng)速下, 滿足不均勻度在20%內(nèi)的界線距氣幕口內(nèi)邊緣向內(nèi)側(cè)投影響距離。同時還可計算出當(dāng)高效過濾器主潔凈風(fēng)口寬2.0m時, 各種氣幕保護(hù)下滿足不均勻度條件的單向流場寬度如下表。-43流線的平行度主潔凈區(qū)流線的平行度可認(rèn)為是潔凈室內(nèi)紊流漸變由非均勻流向均勻流趨近的一種程度, 是衡量單向流

11、的一個根本要素。描述流線平行度的方法有多種, 本文將滿足（1）流線傾角大于65；（2）相鄰流線夾角小于58, 見文獻(xiàn)2。同時考慮主送風(fēng)速度、氣幕風(fēng)卷吸對單向流場的影響。模擬可以看出氣幕風(fēng)口下一定高度, 卷吸作用強(qiáng)烈, 幕風(fēng)口下射流流層間切向力很大。通過分析可知：隨高度降低, 可滿足單向流平行度條件的流場寬度減少, 其邊界可認(rèn)為是滿足平行度條件的單向流場的邊界, 且隨氣幕寬度和風(fēng)速變化不大。例如0.8m高處, 單向流場寬度約為1.3m；1.1m高處, 單向流場寬度約為1.8m。隨高度降低, 流線夾角數(shù)值變化越快。而密集區(qū)正好落在渦流三角區(qū)中。對同一高度等值線隨氣幕寬度和風(fēng)速變化卻不大。這說明滿足

12、平行條件的單向流場的高度基本不隨氣幕寬度和風(fēng)速變化。通過對比還發(fā)現(xiàn), 當(dāng)主送風(fēng)速度增大時, 對滿足平行度條件的截面高度影響也不大。另外根據(jù)潔凈廠房設(shè)計手冊規(guī)定, 計算出不同氣幕寬度和主風(fēng)速時所允許氣幕風(fēng)與主送風(fēng)的最大送風(fēng)風(fēng)速比, 如下表。綜合單向流的條件, 本文推薦送風(fēng)風(fēng)速比范圍：75mm氣幕時比為710；100mm氣幕時比為85；150mm氣幕時為64；200mm氣幕時為53.5。44工作臺對靜態(tài)流場的影響本文對潔凈室內(nèi)通常采用的板式工作臺和臺式工作臺的流場進(jìn)行模擬和分析。這里給出了有工作臺時潔凈室流場二維圖, 從圖中可看出障礙物對整個流場影響不大, 只是從局部流場看, 平板擋住了上部直接來

13、流, 改變了四周和下游氣流流型, 與空態(tài)不同, 平板下流的流速也比空態(tài)時低許多, 氣幕射流存在向內(nèi)卷吸收縮趨勢?？梢酝茰y與全頂棚送風(fēng)方式相比, 本文的潔凈方式更不宜采用此類平板工作臺, 而采用臺式工作臺時情況有所改善。圖7不同工作臺局部流場比較1|2|35潔凈室濃度場的分析51濃度場的分布特點模擬中將點污染源按所處位置分為兩類：按橫向分為主潔凈區(qū)內(nèi)澎湃和環(huán)境塵源；按高度分為工作區(qū)高度塵源的非工作區(qū)高度塵源。采用散發(fā)率2.5104粒/s的點污染源, 這與一般潔凈室設(shè)計規(guī)定在人穿著潔凈服劇烈活動時, 全身散塵率為5.6105粒/min相比還是比較安全。從模擬結(jié)果可以看出：污染場是沿流線分布的, 近

14、似看成是二維分布場。主潔凈區(qū)內(nèi)塵源相同位置時所產(chǎn)生的污染場主要隨主送風(fēng)風(fēng)速發(fā)生變化。主送風(fēng)風(fēng)速增大, 污染場濃度略有降低。位置不同時, 例如當(dāng)污染源靠近潔凈室中線, 高濃度都集中于污染源下風(fēng)側(cè), 工作面以上擴(kuò)散很小, 不影響工作區(qū)潔凈度。當(dāng)塵源在主潔凈區(qū)內(nèi)時, 氣幕寬度和風(fēng)速對該塵源的污染場基本無作用。而當(dāng)環(huán)境塵源位于工作區(qū)高度時, 對風(fēng)速相同的寬口氣幕比窗口氣幕隔斷效果顯著。污染源的位置對局部潔凈室濃度場有一定關(guān)系。無論采取哪種氣幕, 局部潔凈室都能達(dá)到千級以上潔凈度。需要指出, 氣幕寬度和風(fēng)速對主潔凈區(qū)內(nèi)塵源的污染場無影響, 而主要對環(huán)境塵源產(chǎn)生污染場起作用。52氣幕風(fēng)速及口寬對污染場的影

15、響為了更好的說明問題, 考慮污染場最不利情況, 選擇將面污染源（散塵率2.5104粒/秒, 面積為0.4m1.8m）放在送風(fēng)口兩側(cè)的屋頂上, 同時也減少面污染源對流型的影響。氣幕風(fēng)速及口寬對環(huán)境塵源產(chǎn)生污染場的影響應(yīng)從兩方面說明：一是環(huán)境濃度場隨氣幕風(fēng)速及口寬的變化規(guī)律；二是環(huán)境塵源的粒子空過氣幕隔斷在主潔凈區(qū)的分布情況。這兩方面是統(tǒng)一的, 都可以揭示不同氣幕的隔斷作用, 并最終歸結(jié)為計算潔凈區(qū)面積。從實際意義講, 第二方面是將研究的重點。通過分析可得如下結(jié)氣幕射流的下方等值線變化劇烈, 在這個寬度內(nèi)等值線基本都是豎直的, 而在高度1m左右處發(fā)生偏轉(zhuǎn)?；仫L(fēng)口區(qū)和上部的渦流區(qū)等值線分布密集, 說

16、明這兩個區(qū)域濃度變化較大。相同氣幕寬度時, 工作區(qū)高度內(nèi)環(huán)境濃度隨氣幕送風(fēng)速度的增大而降低；同樣氣幕風(fēng)速相同時, 環(huán)境濃度也會隨氣幕寬度的增大而降低。其原因是風(fēng)量增大, 潔凈氣流的稀釋作用增強(qiáng)。不同氣幕風(fēng)速及口寬產(chǎn)生的隔斷作用也不同, 這表現(xiàn)在氣幕保護(hù)下的內(nèi)側(cè)主潔凈區(qū)等濃度線隨氣幕送風(fēng)速度及口寬的增大向外移, 潔凈度較高的區(qū)域面積增大。上面給出數(shù)值模擬與實測的內(nèi)外區(qū)濃度比圖, 實測圖引自文獻(xiàn)1。對比也可發(fā)現(xiàn)：在一定氣幕風(fēng)速范圍內(nèi), 內(nèi)外區(qū)濃度比下降明顯；氣幕風(fēng)口變寬時這種趨勢就很小了。當(dāng)氣幕寬度達(dá)到150200m時, 單純增加氣幕風(fēng)速已無法降低潔凈區(qū)濃度。這說明氣幕隔斷作用不僅只與風(fēng)速有關(guān)。根據(jù)流體力學(xué)的射流理論, 射流在運(yùn)動過程中各斷面的動量保持守恒。即（4）式中：M-氣幕射流總動量, Ns；F-氣幕射流流力, N；-分別為氣幕射流的出口流速, 某斷面的平均流速, 射流末端平均流速, m/s；-分別為氣幕射流的出口流量, 斷面的流量, 射流末端流量, m3/s。任意斷面流