柜門對排風(fēng)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(xué)研究院有限責(zé)任公司

0 前言

化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作工程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)若不能迅速排出，會危害化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作人員身體健康[1-2]。排風(fēng)柜是化學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)重要的排風(fēng)設(shè)備[3]。許多學(xué)者采用計算流體力學(xué)（CFD）方法對排風(fēng)柜氣流組織進(jìn)行研究。學(xué)者Lan 等人[4]模擬研究了柜門高度及面風(fēng)速對氣流形態(tài)的影響。結(jié)果表明，增大柜門高度，操作人員前方的低速區(qū)會上移并接近呼吸區(qū)，不利于排風(fēng)柜對呼吸區(qū)污染物控制。Kirkpatrick 等人[5]在柜內(nèi)外有障礙物情況下，對不同柜門高度下的流型進(jìn)行仿真。結(jié)果顯示，在柜門下側(cè)邊緣位置與柜內(nèi)障礙物前方出現(xiàn)污染物滯留。Hu 等人[6]采用CFD 數(shù)值模擬方法，研究了有旁通風(fēng)口時，柜門高度對柜內(nèi)氣流分布的影響。結(jié)果顯示，柜門高度的改變并不會對旋渦的形態(tài)產(chǎn)生顯著影響，但會影響旋渦區(qū)域的位置。

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

1 數(shù)值模擬方案

1.1 幾何模型及邊界條件

排風(fēng)柜及測試室的仿真模型以真實(shí)排風(fēng)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(fēng)口在測試室內(nèi)靠墻對稱放置，送風(fēng)口高0.7 m，半徑0.5 m，底部距地面0.8 m。排風(fēng)柜在測試室內(nèi)緊貼送風(fēng)口對面墻面放置，尺寸為1500 mm（長，X）×950 mm（寬，Y）×2600 mm（高，Z），內(nèi)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(qū)[7]。送入測試室的空氣全部通過排風(fēng)柜排出，排風(fēng)口尺寸0.25 m。

模擬計算邊界條件設(shè)置如表1 所示。兩個弧形送風(fēng)口視作均勻速度送風(fēng)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(xiàng)定義污染物釋放量。測試室的壁面，排風(fēng)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(zhì)量運(yùn)輸。對于的固體壁面近壁區(qū)，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。

表1 計算邊界條件設(shè)置

1.2 數(shù)值計算模型

數(shù)值模擬對象為化學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的流場，假設(shè)空氣為不可壓縮氣體，采用穩(wěn)態(tài)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(jìn)行數(shù)值求解。采用SIMPLE 算法對壓力和速度進(jìn)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(fēng)差分的方式進(jìn)行離散。當(dāng)各求解變量的殘差同時小于10-3且流場內(nèi)的速度、濃度隨迭代不再發(fā)生改變時認(rèn)為計算已經(jīng)收斂。

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性分析與模型可靠性驗(yàn)證

采用粗、中、細(xì)三套不同數(shù)量的網(wǎng)格計算，進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)。網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)的計算工況為：水平開度1200 mm，豎直開度600 mm，面風(fēng)速0.4 m/s，檢驗(yàn)參數(shù)為排風(fēng)柜操作窗口的面風(fēng)速，檢驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。中等網(wǎng)格與精細(xì)網(wǎng)格的計算結(jié)果基本重合。認(rèn)為中等網(wǎng)格與精細(xì)網(wǎng)格計算結(jié)果之間的差異可以接受，并按照中等網(wǎng)格的網(wǎng)格尺寸計算其余工況。

圖2 三套網(wǎng)格面風(fēng)速計算結(jié)果同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

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

2 結(jié)果與討論

2.1 柜門水平開度對流場的影響分析

保持排風(fēng)柜面風(fēng)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(nèi)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(fēng)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(fēng)柜內(nèi)，當(dāng)水平開度為400 mm 時，氣流經(jīng)過操作窗口流入排風(fēng)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(fēng)量增大，上部排風(fēng)孔的作用增強(qiáng)，操作窗口上側(cè)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(nèi)污染物向操作窗口擴(kuò)散的控制能力越弱。

圖3 排風(fēng)柜內(nèi)外流場對比

三種水平開度下，中部縱截面上排風(fēng)柜內(nèi)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?？梢钥闯?，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(fā)生改變，是排風(fēng)柜污染物控制效果體現(xiàn)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(fēng)速0.4 m/s 工況下下，房間中部縱截面上（X=0）排風(fēng)柜內(nèi)外的氣流矢量圖。在排風(fēng)柜外，由于柜前模擬假人的存在，在假人遮擋區(qū)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(fēng)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(nèi)污染源至操作窗口區(qū)域內(nèi)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(qū)域逐漸擴(kuò)大，并靠近人體呼吸區(qū)。

圖5 不同豎直開度柜內(nèi)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(qū)濃度C作為評價指標(biāo)，模擬計算不同柜門開度和面風(fēng)速下的Cw,max和C，采用正交實(shí)驗(yàn)方法設(shè)置計算工況分析柜門水平開度，柜門豎直開度以及面風(fēng)速三個因子對排風(fēng)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?？紤]因子間的兩兩交互作用，選用正交表L27（313）設(shè)置計算工況并對計算結(jié)果進(jìn)行分析，計算結(jié)果如表3 所示。

表2 因子水平表

表3 各因子水平計算結(jié)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(biāo)Cw,max，柜門水平開度的影響最為顯著，面風(fēng)速的影響次之，豎直開度的影響最小。對于指標(biāo)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(fēng)速的影響最小。圖6、圖7 分別為各因子對指標(biāo)Cw,max和指標(biāo)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(fēng)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(fēng)柜對呼吸區(qū)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(nèi)逸出的風(fēng)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(dāng)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(xiàn)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(yōu)的控制方案。綜合考慮Cw,max與C 兩項(xiàng)指標(biāo)，在變風(fēng)量排風(fēng)柜運(yùn)行過程中不建議對柜門水平開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，建議將柜門豎直開度控制在最優(yōu)開度500 mm 附近。

3 結(jié)論

本文基于CFD 對變風(fēng)量排風(fēng)柜的氣流組織形式進(jìn)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(fēng)柜氣流場的影響，并采用柜門最大濃度Cw,max和呼吸區(qū)濃度C 兩個指標(biāo)對比分析了柜門水平開度，柜門豎直開度和面風(fēng)速對排風(fēng)柜污染物控制效果的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1）定面風(fēng)速條件下，增大柜門水平開度會惡化排風(fēng)柜對呼吸區(qū)的污染物控制效果。水平開度的變化引起柜內(nèi)氣流速度方向發(fā)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(dǎo)致排風(fēng)柜對呼吸區(qū)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(fēng)速條件下，增大柜門豎直開度會惡化排風(fēng)柜對呼吸區(qū)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(qū)域逐漸擴(kuò)大，并靠近人體呼吸，是導(dǎo)致排風(fēng)柜對呼吸區(qū)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(biāo)Cw,max，柜門水平開度的影響最為顯著，面風(fēng)速的影響次之，豎直開度的影響最小。對于指標(biāo)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(fēng)速的影響最小。綜合呼吸區(qū)的控制濃度（C）和操作窗口最大濃度（Cw,max）兩項(xiàng)指標(biāo)，變風(fēng)量排風(fēng)柜運(yùn)行過程中建議優(yōu)先考慮對柜門豎直開度進(jìn)行控制，并將柜門豎直開度控制在最優(yōu)位置（500 mm 附近）。