局部潔凈室數值研究管理論文
時間:2022-06-16 11:37:00
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摘要本文以k-ε紊流模型為基礎,對帶氣幕的局部潔凈室的流場和污染物濃度場進行模擬。通過分析工作區截面風速、氣流速度不均勻度、流線平行度單向流三要素,提出氣幕風口尺寸主潔凈風口和氣幕風速等工作參數的優化結果。同時還考慮了工作臺對整個流場的影響。另一方面分析了環境塵源、主潔凈區內塵源、塵源高度等因素對潔凈區內濃度場的影響,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。
關鍵詞氣幕局部潔凈室數值模擬污染濃度
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行操作較簡單等特點,日益受到人們的青睞。但局部潔凈室會產生因潔凈氣流引射周圍空氣而產生沿程收縮,造成潔凈區面積減少。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加兩道條形氣幕,用較高流速的氣幕射流進行圍擋。在國外目前已有較成熟的產品,而我國在這方面的研究還很不足。根據筆者所查資料,除建科院空調所進行過水模型試驗外,尚未發現較系統的理論研究和相關產品出現。因此希望通過本文分析潔凈區的流動特性和污染物分布規律,為該方式的局部潔凈室的設計研究和開發作初步的前期探索。
2本文的研究方法及主要工作
因為潔凈室的換氣次數較大,且氣流組織基本可視為強制對流流型,所以本文的計算模型可采用標準的高雷諾數k-ε二方程模型。
(1)
(2)
為了簡化計算,對潔凈室的實際條件進行了如下假設:
室內氣流流動為穩態流動,室內氣流不可壓縮流體,物性為常數,忽略質量力;
室內無內熱源,圍護結構絕熱,對于潔凈室來說,可假設為無溫差送風,而且將室內溫度場視為均勻溫度場;
忽略污染粒子的質量,并假定它是被動量對氣流無作用,室內污染源的發塵速率恒定。
靠近壁面處采用壓力壁面函數。離散方法采用有限差分法。在劃分網格時,使用交錯網格,且在氣幕風口號上方設置不均勻風格。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:主流區內能否形成單向流型;影響單向流的主要因素是什么;在多大的主送風速和氣幕風速
下,能形成流型較好的單向流場;氣幕保護下,可供使用的主潔凈區寬度是多少;影響氣幕隔斷效率的物理量是舒適;在多大的氣幕風速和口寬下,氣幕的隔斷效果最好(即內外區的濃度比最小)。
3算例設計
如圖1,通過改變室內主流區送風速度W0、空氣幕的送風速度W以及氣幕的寬度L0,取了如圖幾種截面,對潔凈室主潔凈區有效空間的流場及濃度場進行模擬,并結合理論分析與前人有關實驗實測資料對模擬結果進行對比分析。
4潔凈室流場的分析
下述典型流場示意圖說明,整個潔凈室內流場并不均勻,而只能局部區域滿足單向流要求。通過大量算例的模擬,可以初步得出如下結論:
高效過濾器下方的主潔凈區流場與全頂棚送風兩側下側回風方式的流場有相似之處,主潔凈區氣流流線不交叉,可形成近似單向流。沿Y軸方向工作區流場可視為二維流場。
所有算例的X-Z剖析面圖,氣幕送風口處出口風速最大,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高度上,同一截面速度分布呈鞍型分布,兩個氣幕送風口下方是兩個峰值,主潔凈區速度呈平臺,而回風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口處速度是峰值,中央速度則較低。說明射流在工作區高度上確有一定的隔斷作用,但不能象文獻[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擴張,且向外側擴張角顯著。主潔凈風邊緣隨高度下降略向外擴張,筆者變化主送風和氣幕風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,卻不能準確判別單向流型優劣。下面我們將從單向流三要素進行分析討論:截面風速,氣流速度的不均勻度和流線的平行度。
4.1截面風速
本文將以潔凈廠房設計規范GBJ73-84的規定:截面平均速度不小于0.25m/s為準,同時也考慮新修訂的規范GB50073(送審稿)0.2m/s的新規定。分別變化主送風速度,不同氣幕風速和氣幕口寬時,通過分析主潔凈區截面的平均速度曲線,結果表明:
主流區截面平均速度曲線下凹,且隨機射流距離遞減,符合流體力學中平面射流斷面速度的二次方分布規律。
影響截平均速度、主潔凈區工作面高度的主要因素不是氣幕風速和口寬,而是主送風速度。
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速度增大而降低。例如主送風速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規定工作區高度截面速度不小于0.25m/s推算,則主送風速度就大于0.33m/s。這也符合平時設計的慣例。
若僅需滿足GB50073(送審稿)的規定,則主送風速度降為0.3m/s也是可以允許的。新規范在不改變單向流流型的前提下既可降低工作臺高度,又大大降低主送風速和風量,有利于節約運行費用。
4.2氣流速度不均勻度
氣流速度不均勻度可按下式定義:
風速不均勻度=(3)
式中:VX--工作區各點速度;
Vpj--工作區平均流速。
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,容易產生局部渦流。美國FS209B規定:單向流潔凈室的氣流速度不均勻度應在±20%之內。雖然自FS209C以后刪除了此項要求,但筆者認為就本課題而言,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與主潔凈風流層之間卷吸交換對主潔凈區面積及氣流不均勻度可能產生的影響。這里不考慮實際運行中高效過濾器本身造成的出風不均勻性影響,仍假設出風均勻,按FS209B的苛刻規定給出各高度截面不均勻度±20%內的分布。綜合對比表明:
主潔凈區0.8m工作區高度內均能滿足單向流的條件,但能滿足不均勻度在±20%內的區域面積平均減少了9%,最大到12%。
氣幕風口下方區域速度梯度大,不能滿足單向流。沒有回風口的近壁區域不均勻度有隨高度降低而增大,隨主送風速度增大而減小。因此在實際布置工作臺時,工作臺兩端距沒有回風口的兩側墻應至少0.6~0.8m遠。
綜合各算例,主送風速度與氣幕風速對不均勻度的作用有所不同。當主送風速度相同時,氣幕風速(或寬度)對均勻度區域面積影響不大。而當主送風速度增大時,可滿足不均勻度在±20%內的區域寬度增大。
分析其原因,不均勻度主要是由于氣幕射流與主潔凈風間速度差造成的,兩種氣流風速作用相反,增大氣幕風速會加大卷吸作用,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,增大主潔凈風則使得這種抗菌素干擾能力增強,有利于減小不均勻度。下表為適用于各種主送風速下,滿足不均勻度在±20%內的界線距氣幕口內邊緣向內側投影響距離。
同時還可計算出當高效過濾器主潔凈風口寬2.0m時,各種氣幕保護下滿足不均勻度條件的單向流場寬度如下表。
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4.3流線的平行度
主潔凈區流線的平行度可認為是潔凈室內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5~8°,見文獻[2]。同時考慮主送風速度、氣幕風卷吸對單向流場的影響。模擬可以看出氣幕風口下一定高度,卷吸作用強烈,幕風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,流線夾角數值變化越快。而密集區正好落在渦流三角區中。對同一高度等值線隨氣幕寬度和風速變化卻不大。這說明滿足平行條件的單向流場的高度基本不隨氣幕寬度和風速變化。通過對比還發現,當主送風速度增大時,對滿足平行度條件的截面高度影響也不大。
另外根據潔凈廠房設計手冊規定,計算出不同氣幕寬度和主風速時所允許氣幕風與主送風的最大送風風速比,如下表。
綜合單向流的條件,本文推薦送風風速比范圍:75mm氣幕時比為7~10;100mm氣幕時比為8~5;150mm氣幕時為6~4;200mm氣幕時為5~3.5。
4.4工作臺對靜態流場的影響
本文對潔凈室內通常采用的板式工作臺和臺式工作臺的流場進行模擬和分析。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流,改變了四周和下游氣流流型,與空態不同,平板下流的流速也比空態時低許多,氣幕射流存在向內卷吸收縮趨勢。可以推測與全頂棚送風方式相比,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|3
5潔凈室濃度場的分析
5.1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內澎湃和環境塵源;按高度分為工作區高度塵源的非工作區高度塵源。采用散發率2.5×104粒/s的點污染源,這與一般潔凈室設計規定在人穿著潔凈服劇烈活動時,全身散塵率為5.6×105粒/min相比還是比較安全。從模擬結果可以看出:
污染場是沿流線分布的,近似看成是二維分布場。
主潔凈區內塵源相同位置時所產生的污染場主要隨主送風風速發生變化。主送風風速增大,污染場濃度略有降低。位置不同時,例如當污染源靠近潔凈室中線,高濃度都集中于污染源下風側,工作面以上擴散很小,不影響工作區潔凈度。
當塵源在主潔凈區內時,氣幕寬度和風速對該塵源的污染場基本無作用。而當環境塵源位于工作區高度時,對風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系。無論采取哪種氣幕,局部潔凈室都能達到千級以上潔凈度。需要指出,氣幕寬度和風速對主潔凈區內塵源的污染場無影響,而主要對環境塵源產生污染場起作用。
5.2氣幕風速及口寬對污染場的影響
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2.5×104粒/秒,面積為0.4m×1.8m)放在送風口兩側的屋頂上,同時也減少面污染源對流型的影響。氣幕風速及口寬對環境塵源產生污染場的影響應從兩方面說明:一是環境濃度場隨氣幕風速及口寬的變化規律;二是環境塵源的粒子空過氣幕隔斷在主潔凈區的分布情況。這兩方面是統一的,都可以揭示不同氣幕的隔斷作用,并最終歸結為計算潔凈區面積。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
氣幕射流的下方等值線變化劇烈,在這個寬度內等值線基本都是豎直的,而在高度1m左右處發生偏轉。回風口區和上部的渦流區等值線分布密集,說明這兩個區域濃度變化較大。
相同氣幕寬度時,工作區高度內環境濃度隨氣幕送風速度的增大而降低;同樣氣幕風速相同時,環境濃度也會隨氣幕寬度的增大而降低。其原因是風量增大,潔凈氣流的稀釋作用增強。
不同氣幕風速及口寬產生的隔斷作用也不同,這表現在氣幕保護下的內側主潔凈區等濃度線隨氣幕送風速度及口寬的增大向外移,潔凈度較高的區域面積增大。上面給出數值模擬與實測的內外區濃度比圖,實測圖引自文獻[1]。對比也可發現:在一定氣幕風速范圍內,內外區濃度比下降明顯;氣幕風口變寬時這種趨勢就很小了。當氣幕寬度達到150~200m時,單純增加氣幕風速已無法降低潔凈區濃度。這說明氣幕隔斷作用不僅只與風速有關。根據流體力學的射流理論,射流在運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,N·s;
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。
任意斷面流量可通過平面射流公式計算:
(5)
注:上述公式的可用性是根據得以驗證的。
式中a=0.11,X為極距,f為房間面積。
因此可以認為:隨射流力的增大,內外區濃度比降低。寬口低速氣幕比窗口高速氣幕隔斷效果好的原因是前者的射流力較
大。另外本文還設計了氣幕射流力相等的箱例,給出不同氣幕口寬和風速時的情況,
參考文獻
1許鐘麟,空氣潔凈技術原理,中國建筑工業出版社,1989:253~260
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3周輝,帶氣幕的局部潔凈室數值模擬:[哈工大碩士論文],2001
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