带气幕的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

2、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。　　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

3、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

4、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m气幕　　气幕风速1.4m/s主送风速0.3m/s；（b）200mm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

5、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，不同气幕风速和气幕口宽时，

6、通过分析主洁净区截面的平均速度曲线，结果表明：　　主流区截面平均速度曲线下凹，且随机射流距离递减，符合流体力学中平面射流断面速度的二次方分布规律。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4主洁净区截面平均速度分布图　　　　影响截平均速度、主洁净区工作面高度的主要因素不是气幕风速和口宽，而是主送风速度。　　各曲线在一定高度上满足单向流截面平均速度不小于0.25m/s的要求，且满足这一要求的截面高度随主送风速度增大而降低。例如主送风速0.3m/s时最低为1.7m；0.33m/s时最低为0.85m；0.35m/s时最低为0.65m。如果按GBJ73-8

7、4规定工作区高度截面速度不小于0.25m/s推算，则主送风速度就大于0.33m/s。这也符合平时设计的惯例。　　若仅需满足GB　50073（送审稿）的规定，则主送风速度降为0.3m/s也是可以允许的。新规范在不改变单向流流型的前提下既可降低工作台高度，又大大降低主送风速和风量，有利于节约运行费用。　　　　4．2气流速度不均匀度　　气流速度不均匀度可按下式定义：　　　　　　　　　风速不均匀度=　　　　　　　　　　　　　　(3)　　式中：VX--工作区各点速度；　　　　　Vpj--工作区平均流速。　　气流速