带气幕局部洁净室数值模拟

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1、带气幕的局部洁净室数值模拟　　同济大学周辉龙惟定哈尔滨工业大学魏学孟　 摘要本文以k-ε紊流模型为基础，对带气幕的局部洁净室的流场和污染物浓度场进行模拟。通过分析工作区截面风速、气流速度不均匀度、流线平行度单向流三要素，提出气幕风口尺寸主洁净风口和气幕风速等工作参数的优化结果。同时还考虑了工作台对整个流场的影响。另一方面分析了环境尘源、主洁净区内尘源、尘源高度等因素对洁净区内浓度场的影响，从理论上指出气幕射流力是影响气幕隔断的主要因素之一。　　关键词气幕局部洁净室数值模拟污染浓度1前言　　　　目前洁净室净化方式主要有两种，即全面净化方式和局

2、部净化方式。研究表明，局部净化方式以其相对较少的造价和运行操作较简单等特点，日益受到人们的青睐。但局部洁净室会产生因洁净气流引射周围空气而产生沿程收缩，造成洁净区面积减少。为解决这个问题，人们通常采取各种围挡方式。本课题就采取在高效过滤器两侧加两道条形气幕，用较高流速的气幕射流进行围挡。在国外目前已有较成熟的产品，而我国在这方面的研究还很不足。根据笔者所查资料，除建科院空调所进行过水模型试验外，尚未发现较系统的理论研究和相关产品出现。因此希望通过本文分析洁净区的流动特性和污染物分布规律，为该方式的局部洁净室的设计研究和开发作初步的前期探索。

3、　　2本文的研究方法及主要工作　　　　因为洁净室的换气次数较大，且气流组织基本可视为强制对流流型，所以本文的计算模型可采用标准的高雷诺数k-ε二方程模型。　　　　　　　　　　　　　　　（1）　　　　　　　　　　　　　　（2）　　为了简化计算，对洁净室的实际条件进行了如下假设：　　室内气流流动为稳态流动，室内气流不可压缩流体，物性为常数，忽略质量力；　　室内无内热源，围护结构绝热，对于洁净室来说，可假设为无温差送风，而且将室内温度场视为均匀温度场；　　忽略污染粒子的质量，并假定它是被动量对气流无作用，室内污染源的发尘速率恒定。　　靠近壁面处采

4、用压力壁面函数。离散方法采用有限差分法。在划分网格时，使用交错网格，且在气幕风口号上方设置不均匀风格。在方程组求解时，对耦合方程组使用SIMPLE算法，单个方程组使用ADI逐行迭代法。　　本文需要回答以下几个问题：主流区内能否形成单向流型；影响单向流的主要因素是什么；在多大的主送风速和气幕风速下，能形成流型较好的单向流场；气幕保护下，可供使用的主洁净区宽度是多少；影响气幕隔断效率的物理量是舒适；在多大的气幕风速和口宽下，气幕的隔断效果最好（即内外区的浓度比最小）。　　3算例设计　　　　如图1，通过改变室内主流区送风速度W0、空气幕的送风速度

5、W以及气幕的宽度L0，取了如图几种截面，对洁净室主洁净区有效空间的流场及浓度场进行模拟，并结合理论分析与前人有关实验实测资料对模拟结果进行对比分析。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1洁净室各参数及截面示意图　　4洁净室流场的分析　　　　下述典型流场示意图说明，整个洁净室内流场并不均匀，而只能局部区域满足单向流要求。通过大量算例的模拟，可以初步得出如下结论：　　高效过滤器下方的主洁净区流场与全顶棚送风两侧下侧回风方式的流场有相似之处，主洁净区气流流线不交叉，可形成近似单向流。沿Y轴方向工作区流场可视为二维流场

6、。　　所有算例的X-Z剖析面图，气幕送风口处出口风速最大，随着高度降低，速度逐渐衰减。从不同高度横截面速度分布图也可看出工作区高度上，同一截面速度分布呈鞍型分布，两个气幕送风口下方是两个峰值，主洁净区速度呈平台，而回风口高度上同一截面速度分布却正相反，四周靠近墙壁和回风口处速度是峰值，中央速度则较低。说明射流在工作区高度上确有一定的隔断作用，但不能象文献[1]中所述可以在地面上形成遮断点。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2典型流场示意图　　　　　　（a）75mm气幕　　气幕风速1.4m/s主送风速0.3m/s；（b）20

7、0mm气幕气幕风速1.2m/s主送风速0.3m/s;　　　　由于射流的卷吸作用，可以看出气幕射流向两侧扩张，且向外侧扩张角显著。主洁净风边缘随高度下降略向外扩张，笔者变化主送风和气幕风速度均未见收缩腰部。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3不同高度横断面速度分布图　　　　　　　（a）高度为1.37的横断面速度分布图；（b）高度为0.4的横断面速度分布图；　　　　从流场图虽然可以定性说明，却不能准确判别单向流型优劣。下面我们将从单向流三要素进行分析讨论：截面风速，气流速度的不均匀度和流线的平行度。　　　　4．1截面风速　　本文将以洁

8、净厂房设计规范GBJ　73-84的规定：截面平均速度不小于0.25m/s为准，同时也考虑新修订的规范GB50073（送审稿）0.2m/s的新规定。分别变化主送风速度，不同气幕风速