基于CFD的高校實驗室通風優(yōu)化模擬研究

謝 鋒

(1.浙江水利水電學院，浙江 杭州 310018；2.浙江省農(nóng)村水利水電資源配置與調(diào)控 關鍵技術重點實驗室，浙江 杭州 310018)

0 引言

高校實驗室作為科研教學的實踐基地，既是研究人員開展科學研究，也是培訓本科生、研究生實驗能力及專業(yè)技能的重要場所。實驗室安全直接影響著實驗室的發(fā)展速度和規(guī)模，影響著實驗室教學科研的研究成果和水平[1]。實驗室安全涉及人身、設備、?；?、病原體、防火、防爆、輻射、保密等諸多方面。隨著高校的快速發(fā)展，辦學規(guī)模的不斷擴大，實驗室安全問題也日益嚴峻。近年來，高校實驗室安全事故頻出，輕者造成實驗儀器、設施損毀，實驗進展終止，重者造成實驗人員傷亡。統(tǒng)計分析表明，實驗室發(fā)生事故往往都是管理不善、措施不力、操作不當或認識不夠所致[2]。為了提高實驗室安全，學者們從管理制度[3]、技術手段[4]、實驗室設計[5]等方面開展研究。本文從節(jié)能環(huán)保的角度，通過CFD數(shù)值模擬方法研究自然通風條件下，實驗室內(nèi)部空氣流動的改善方法，為實驗室安全設計提供參考依據(jù)。

1 通風設計方案

本研究的對象是浙江省農(nóng)村水利水電資源配置與調(diào)控關鍵技術重點實驗室下設的河湖水生態(tài)修復實驗室。實驗室總面積約90 m2，包括前處理室、稱量室、理化室和精密分析室，如圖1所示。

圖1 實驗室功能劃分和監(jiān)測點布置

通風主要的目的是提供安全、舒適的工作環(huán)境。設計主要采用自然通風，利用室內(nèi)、室外空氣壓差形成氣流。為了驗證通風設計方案的有效性，在實驗室內(nèi)設置6個監(jiān)測點，如圖1所示。實驗室通風方案共設置4組，方案對比如表1所示，主要考慮門、窗和實驗臺的布置方式對實驗室內(nèi)部空氣流動的影響。

表1 實驗室通風設計方案對比

2 CFD模型的建立

2.1 求解控制方程

當實驗室內(nèi)風速不高時，空氣流動處于低雷諾數(shù)工作區(qū)域，此時空氣可假設為不可壓縮流體，且在流動過程中不與外界發(fā)生熱量交換，即不考慮能量方程。所以本次研究主要采用的控制方程如下:

(1)

動力方程:

(2)

紊流方程:

(3)

主要參數(shù)意義:u、v、w分別為x、y、z方向速度；υh、υt分別為水平方向和垂向紊動黏性系數(shù)；ρ為密度；p為壓強；fx、fy、fz分別為x、y、z方向的體積力分量；k為紊動動能；ε為紊動動能耗散率。

2.2 計算條件及網(wǎng)格劃分

當通風量恒定時，實驗室內(nèi)部的空氣流動狀態(tài)基本恒定。初始狀態(tài)時，實驗室內(nèi)部沒有擾動，空氣的流動最終會趨于穩(wěn)定。對于入口處的邊界條件，需要考慮空氣的流動速度對人體和實驗樣本的影響。

一般來說，夏季的自然風速度在1.0～5.0 m/s，室內(nèi)風速度在0.5～3.0 m/s，人體感到比較舒適，實驗樣本表面的空氣交換充分，所以入口風速設為1.5 m/s，出口或開窗的邊界設為大氣壓，其他位置邊界設置為壁面。

考慮到要兼顧效率和精度，研究采用三角網(wǎng)格，基礎網(wǎng)格尺寸0.05 m，目標網(wǎng)格尺寸0.05 m，最小網(wǎng)格尺寸0.005 m，相鄰網(wǎng)格增長率1.2，邊界層數(shù)量3，邊界層增長率1.15，邊界層總厚度0.016 65 m。經(jīng)過三輪迭代，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.8的網(wǎng)格約占總數(shù)的95.3%。最終，網(wǎng)格面42 966個、向量17 818個、網(wǎng)格27 319個。

3 模擬結果分析

方案1見圖2(a)?？諝庥扇肟谶M入前處理室，監(jiān)測點1速度為1.70 m/s，由于窗都未開啟，監(jiān)測點4和監(jiān)測點2的速度分別為0.04 m/s和0.02 m/s，說明空氣在精密分析室和稱量室中幾乎沒有流動?？諝膺M入理化室后，分為兩股沿著實驗臺以南北方向流動，最后兩股空氣在出口處匯合流出實驗室。

圖2 實驗室通風設計方案CFD模擬結果

方案2見圖2(b)。相比方案1，除了3個房門都處于45°半開啟狀態(tài)，其他條件一樣。前處理室、稱量室、精密分析室流動狀態(tài)與方案1相似。由于理化室進入口面積減小，所以空氣速度就會變大，監(jiān)測點5的速度為6.44 m/s，比方案1的速度高出近一倍。說明僅通過改變室內(nèi)門的開啟角度，不能有效改善實驗室內(nèi)部空氣環(huán)境。

方案3見圖2(c)。稱量室北面新開設一個窗，室門45°半開啟，打開精密分析室小窗和理化室窗。實驗室內(nèi)部最大風速雖僅為2.00 m/s，但是流動并不均勻?？諝膺M入精密分析室后，沒有在內(nèi)部循環(huán)，直接由小窗流出?？諝膺M入理化室主要向南流動，監(jiān)測點6速度卻為0.34 m/s，說明流動靠近實驗室南部墻面。

方案4見圖2(d)。當精密分析室和稱量室門以30°半開啟時，對空氣具有引導作用，室內(nèi)空氣流動改善。理化室實驗臺相距0.25 m時，空氣分為三股。通過調(diào)整，實驗室內(nèi)空氣流動均勻，空氣最大流速2.41 m/s，監(jiān)測點速度在0.66～1.72 m/s，都在0.5～3.0 m/s，實驗人員體感舒適，實驗樣本表面的空氣交換充分。

4 結語

從節(jié)能環(huán)保的角度，考慮使用自然通風方式，通過改變室內(nèi)門窗開閉角度和實驗設備布置方式，可以優(yōu)化實驗室內(nèi)的空氣環(huán)境。門窗的開啟并不是越大越好，需要驗證確定布置方式。當精密分析室門30°半開啟、稱量室門30°半開啟、理化室門90°全開啟、精密分析室小窗關閉、精密分析室大窗開啟、稱量室窗開啟、理化室窗關閉、實驗臺間距0.25 m時，監(jiān)測點風速由0.01～6.82 m/s調(diào)整為0.66～1.72 m/s，空氣流動更為均勻，各房間內(nèi)空氣循環(huán)良好，保證了實驗室的通風安全。