采用K ε紊流数学方程及壁面函数法 ,对矢流洁净工作台的速度场、浓度场进行了数值模拟 ,得出操作区内气流流动特性和污染物分布规律 ,给出优化尺寸 ,论证了矢流用于洁净工作台的可行性和优越性。Adopting the K ε turbulent flow model and wall function, simulates the flow and contaminant concentration fields of a vector flow clean bench. Obtains the regularity in the flow characteristics and contaminant diffusion. Presents the optimised dimensions of a bench. Demonstrate the feasibility and applicability of the vector flow pattern for a clean bench

张奕昌

魏学孟

Xiamen University Institutional Repository

矢流洁净工作台数值模拟哈尔滨工业大学　魏学孟☆厦门大学建筑设计研究院　张奕昌提要　采用 K-ε紊流数学方程及壁面函数法 ,对矢流洁净工作台的速度场 、浓度场进行了数值模拟 ,得出操作区内气流流动特性和污染物分布规律 ,给出优化尺寸 ,论证了矢流用于洁净工作台的可行性和优越性。关键词　矢流洁净工作台　数值模拟　流场　污染物分布Numerical simulation of the vector flow clean benchBy WeiXuemeng★ andZhangYichangAbs t ract　A dopt i ng t he K-εtu r bu l ent f l ow mode l and wal l fun c t i on , s imul a t es the f l ow andcont aminant concent r a t i on f i e l ds of a v e c t or f l ow c l ean be nch.Ob t ai ns t he re gu l a r i t y i n t hef l ow cha rac t e r i s t i c s and cont aminant d i f fu s i on.P rese nts t he opt imise d d imens i ons of a be nch.D emons t r at e t he f e as i bi l i t y and appl i cab il i t y of t he ve c t o r- f l ow pat t e r n f or a c l ean bench.Keywords 　 v ec t or f l ow c l e an bench , numer i cal s imul at i o n, f l ow f i el d , cont aminantdi s t r ibu t i on★ Harbin University of Technology , Chinay0　引言矢流流型是近年来发展起来的一种气流形式。所谓矢流 ,是指由弧形高效过滤器送出单向 、对角方向的正压气流。国内外的研究表明:矢流能达到与单向流相当的洁净等级 ,而且投资 、能耗均较低。目前使用的洁净工作台 ,一般都采用单向流形式。虽然能达到相当高的洁净等级 ,但存在不能同时满足气流开式循环(方便操作人员时)及闭式循环(操作散发物对人员有危害时)的问题。而采用矢流洁净工作台 , 在满足相应洁净等级的同时 ,还可以通过改变回风途径而变换流型。因此 ,这种新型工作台具有实用价值。本文通过模拟各种组合尺寸的工作台 , 得到一组优化参数 ,进而对它作浓度场模拟 , 得到了矢流洁净工作台内流场的流动特性和污染物分布规律 , 为研制实体提供了一些参数及依据。1　数学模型及离散求解矢流工作台的模型结构如图 1 所示。数学模型[ 1]选用了适合于工程计算的高 Re 数K-ε两方程三维紊流方程。结合实际情况 ,作如下假设:①工作台内无热源 ,工作台外壁绝热;②工作台内温度场均匀;③工作区气流不可压 ,稳态流动 , 忽略质量力;④污染源发散的粒子无质量。图 1　矢流洁净工作台结构示意图1 控制面板　2带粗效过滤器的回风口3 风机　4无纺布　5 回风孔板　6弧形高效过滤器　7 活动玻璃拉门　8 照明灯L 为回风口宽度　R 为送风口半径W , D , H 分别为工作台操作宽度 ,深度和高度　　将计算区域按内节点法划分网格 , 并根据控制容积法原理将各微分方程离散成针对节点的离散方程组。建立的物理模型有确定的边界条件。 由于高 Re 数K-ε方程对边壁处不适用 ,为了将边界条件正确传递到计算·72· 技术交流园地　　　　　　　2000年第 30卷第 5期　　　　　　　　　　　　y ☆ 魏学孟 ,男 , 1937年 5月生 ,大学 ,教授150008 哈尔滨市海河路 202号(0451)6282624收稿日期:1998-09-08稿件修回日期:2000-04-03区域中心 ,采用壁面函数法。值得一提的是建模中对送风口和操作人员手的处理。由于圆弧用线段分段表示 , 则送风口 u , w 各方向分量值可由速度分解定律得出 。如图2所示 。在模拟中 , 将操作图 2　速度分解示意u , w 分别为速度矢量 u0在 x , z 方向的分量人员的手近似看作长方体 , 其表面上:u =0 , v =0 ,w=0 , K =0 , ε=0 , c=0.3×105 粒/ m3 。 其中 u , v ,w 分别为 x , y , z方向的速度分量 ,m/ s;K 为紊流脉动动能 , m2/ s2;ε为紊流能量耗散率 , m2/ s3;c 为空气含尘浓度 , 粒/m3。表 1　送风口最小送风速度图 3a 图 3b 图 3c 图 3du0 0.324 0.523 0.483 0.681采用 SIMPLE算法编制程序求解离散方程。 程序中 ,改变送风口半径 ,工作台高度 、深度 ,回风格栅宽度 , 拉门开启度 ,得到不同参数组合的流场图。2　计算结果分析在分析之前 ,先说明一下工作台操作区的含义。从有效洁净空间的概念出发 ,笔者认为对工作台而言 ,并不要求整个操作台内都满足洁净度的最高要求 , 只需在某特定区域满足即可。图 3　典型结构尺寸工作台的流场示意图2.1　流场图 3 是某典型尺寸的流场示意图。图中的箭头矢量符号只表示气流速度方向 ,不表示其大小。由于沿 y 轴各断面流场相似 ,故只给出 y 轴中心断面的流场。流场的基本特点是:①沿 y 轴各断面流场相似 , 可认为是二维。②当拉门完全关闭时(此时底部回风格栅打开), 除在左下方及右上方有局部涡流外 , 其它地方的流迹基本不交叉 ,送风口送出的气流 , 由垂直于弧形高效过滤器方向 , 平缓地变为垂直于回风孔板方向而吹出。③当拉门部分打开时(此时底部回风格栅关上), 在拉门开启高度之内 , 流迹基本平行于下底;往上则逐渐平缓弯曲;右上方的局部涡流区明显增大。④当拉门完全打开时(此时底部回风格栅关上), 流场近似为水平流 ,只在左下方有局部小涡流区存在。仅从定性的角度 , 并不能准确评判流场的优劣。因此选择了两个定量评判指标:送风口速度 u0 和风速均匀度。u0关系到操作区平均速度值(一般控制在 0.25 m/ s 左右);图 3 所要求的送风口最小送风速度 u0 见表 1。风速均匀度则表示操作区内各节点速度值之间波动情况。 风速均匀度是按下式定义的:风速均匀度 =v x - v pjv pj×100%式中　v x 为节点的风速 , v pj为节点的平均风速。算出的风速均匀度绝对值越大 , 说明该处的风速比平均值大许多。如果各点的风速均匀度相差甚大 , 则表明这个区域的风速不均匀 ,容易产生局部涡流。 图 3 相应的操作区风速均匀度见图 4。图 4　典型结构尺寸工作台操作区风速均匀度由图 4 可以看出 ,矢流洁净工作台操作区内的速度并不像单向流那样均匀。但是 , 除了在操作区边缘区域 ,中心部分风速均匀度基本在±15%左右 , 这是符合要求的。比·73·　　　　　　　　　　　　　暖通空调 HV&AC　　　　　　　　技术交流园地较合适的操作区位置是:0.30< x<0.50 , 0.35<z<0.50。对于拉门部分开启的情况 ,在出口附近区域 , 风速不均匀性较大。开启度越小 ,该区域越大。通过对不同送风半径 , 工作台高度 、深度 , 回风格栅宽度 ,拉门开启度组合的计算 , 得到一组优化尺寸:W=0.9 ～ 1.2 m , H=0.5 ～ 0.7 m , D =0.6 ～ 0.7 m ,L=0.25 ～ 0.35 m , R=0.25～ 0.3 m。推荐采用下面的尺寸:W=0.9 m , H =0.6 m , D =0.6 m , L =0.3 m , R =0.25 m。2.2　浓度场对推荐尺寸 ,作了点污染源及人手腕发尘两种情况模拟。图 5表示点污染源的情况 , 图中数值单位(≥0.5 μm)是粒/ L 。图 5　点污染源浓度分布从图 5 可看出 ,操作区内污染物浓度超过 3.5 粒/ L 的范围很小 , 主要在点污染源及其附近区域。污染物向上游扩散的程度较小。污染源处的浓度显然很大 , 造成其下风向附近区域的浓度值也略超过 3.5 粒/ L , 这个区域基本是x , z 轴各偏离 0.1 m 左右。其余地方的浓度值都在 3.5 粒/ L 之下。浓度值为零的等值线代表污染物包络线 ,它表明污染粒子的控制区域。可以看出 , 污染物包络线基本在下风向 ,并且不超出工作区的范围 , 这说明污染粒子能顺利地排入回风口。图 6表示手腕发尘的情况。对于手腕这个体散发源 ,图 6　手腕发尘浓度分布其附近区域浓度相当大 ,但很快就衰减了 , 向上游扩散范围也很小。除了玻璃拉门开启度较小的情况(如开启 1/4),污染物包络线有部分在回风口之上外 , 送风气流能有效控制污染粒子使其通过回风口 ,高浓度区被送风气流约束在狭长条的宽度范围 , 其外区域的浓度则相对较小。从上面两种情况的计算与分析 , 可以得到这样的结论:只要污染源在操作区内 , 矢流洁净工作台对污染粒子的控制就是有效的;除了在污染源附近浓度超过要求外 ,大部分地方能达到 100 级的水平。3　结论3.1　矢流洁净工作台内的流场形态与送风速度 、结构尺寸等因素有关。结构尺寸包括工作台的高度 、宽度 、深度 , 送风半径与回风宽度等。对于单人用矢流洁净工作台来说 ,流场形态与宽度关系不大 , 可认为是近似二维流动。不同的工作台结构及玻璃拉门开启度的组合 , 其流场形态 、所要求的最低送风速度等均不同。在工作台的左下方及右上方均存在范围不一的涡流 , 其范围大小与上述各影响因素有密切关系。3.2　利用玻璃拉门的不同开启度 ,能形成近似水平或垂直的气流。拉门开启度较小时 , 工作区内风速均匀性较差 ,因此应尽量避免这种情况;而开启度较大时 ,为了维持工作区内必需的速度值 , 要求送风速度相对较大。3.3　通过对各组合尺寸的流场进行分析 ,得出了一组优化尺寸:W=0.9 m , H =0.6 m , D =0.6 m , L =0.3 m , R =0.25 m。这组尺寸的工作台 , 气流较单一 , 局部涡流区小 ,操作区内风速也比较均匀。3.4　对最优化尺寸的工作台空态浓度场模拟的结果表明 ,如果污染源位于工作区之外 , 则污染粒子可能扩散到涡流区内;反之 , 除污染源及其附近小范围内浓度值过高外 , 其它地方基本能达到 100 级水平 , 污染粒子都能顺利通过回风口排掉。3.5　矢流洁净工作台能达到较高的洁净度级别 ,还可以变换流场形态 ,同时造价也比较低 ,因此是一种值得研究和推广的新型工作台。参考文献1　魏学孟 ,樊洪明 ,张维功.矢流洁净室数值模拟与实验研究.暖通空调 , 1997 , 27(2).2　陶文铨.数值传热学.西安:西安交通大学出版社 , 1988.3　[ 美] S.V.帕坦卡 ,著.传热和流体流动的数值方法.郭宽良 ,译.北京:科学技术出版社 , 1984.4　许钟麟.空气洁净技术原理.北京:中国建筑工业出版社 , 1983.·广告·湿度测量的先驱———芬兰维萨拉公司·温湿度传感器及手持表:温度-40～ +180 ℃;相对湿度 0～ 100%;露点温度-40～ +100 ℃;湿球温度 0～ 100 ℃·CO2传感器:0～ 2 000×10-6(ppm)本公司经营的项目还包括国内外暖通空调 , 现场检测 ,工业环境用温湿度 、CO 2 等气体检测仪表及 pH 计 、溶氧仪 、电导率仪 、硅表 、钠表 、水质检测用仪表。中国代理:北京莱森电子技术有限公司通讯地址:100086 北京市海淀区知春路 82号中国航天大楼电　　话:(010)62524852 , 62524853传　　真:(010)62643829·74· 技术交流园地　　　　　　　2000年第 30卷第 5期　　　　　　　　　　　　

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