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        化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室換氣次數(shù)數(shù)值模擬分析

        2021-08-29 01:58:26任塞峰唐汝寧李軍軍
        關(guān)鍵詞:換氣排風(fēng)氣流

        任塞峰 唐汝寧 李軍軍

        1 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

        2 中國(guó)電信股份有限公司云計(jì)算內(nèi)蒙古分公司

        目前我國(guó)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于換氣次數(shù)的規(guī)定很少涉及,雖有些提到換氣次數(shù)要求,但仍較為籠統(tǒng),根據(jù)文獻(xiàn)[1]中的描述:“有輕度污染的實(shí)驗(yàn)室房間換氣次數(shù)宜為6~8 次/h。有大量污染的實(shí)驗(yàn)室房間換氣次數(shù)宜為8~12 次/h”,但規(guī)范中并未界定“輕度污染”與“大量污染”的標(biāo)準(zhǔn)和污染物種類(lèi),且化學(xué)分析室污染量隨著檢測(cè)頻次的增減而變化,很難固定。本文以某典型化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室為研究對(duì)象,運(yùn)用CFD 技術(shù),對(duì)比不同換氣次數(shù)下的氣流分布,總結(jié)出化學(xué)分析室合理的換氣次數(shù)要求。

        1 可靠性驗(yàn)證

        1.1 測(cè)試平臺(tái)概況

        測(cè)試實(shí)驗(yàn)室位于上海市浦東新區(qū)秀浦路2555 號(hào)A1 樓7 層B 座,倚世節(jié)能科技(上海)有限公司自主搭建的測(cè)試平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部尺寸為(長(zhǎng)×寬×高)4.8 m×3.9 m×3.0 m,面積約18.7 m2,四周?chē)o(hù)結(jié)構(gòu)為彩鋼板,密封、隔熱性能良好,送風(fēng)口、排風(fēng)口位于室內(nèi)吊頂處。室內(nèi)放置一臺(tái)通風(fēng)柜,尺寸為(長(zhǎng)×寬×高)1.50 m×0.92 m×2.37 m,最大開(kāi)啟高度0.875 m,排風(fēng)管直徑0.25 m。

        1.2 檢測(cè)儀器、工具

        測(cè)試使用的儀器及工具見(jiàn)表1。

        表1 檢測(cè)儀器、工具

        1.3 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

        開(kāi)始測(cè)試前,準(zhǔn)備好測(cè)試儀器,關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室門(mén),室內(nèi)無(wú)人員走動(dòng),啟動(dòng)房間送排風(fēng)系統(tǒng),將通風(fēng)柜拉門(mén)開(kāi)至最大開(kāi)度,距排風(fēng)柜1.5 m 范圍內(nèi)無(wú)超過(guò)0.1 m/s的橫向氣流干擾[2]。使用風(fēng)速儀測(cè)量操作口斷面風(fēng)速,調(diào)節(jié)風(fēng)閥使斷面風(fēng)速保持在0.4~0.5 m/s,讓實(shí)驗(yàn)室至少運(yùn)行5 min,以排空殘余氣體,同時(shí)也可穩(wěn)定氣流。

        1.4 測(cè)試步驟

        1)將通風(fēng)柜操作視窗開(kāi)啟至最大(0.875 m),設(shè)定其面風(fēng)速為0.5 m/s。

        2)利用細(xì)線將通風(fēng)柜操作面劃分為16 個(gè)大小均勻的網(wǎng)格,單個(gè)網(wǎng)格面積0.07 m2,符合規(guī)范小于0.09 m2的要求,如圖1、圖2 所示。

        圖1 通風(fēng)柜測(cè)點(diǎn)分布

        圖2 通風(fēng)柜面風(fēng)速實(shí)測(cè)照片

        1.5 測(cè)試與模擬結(jié)果對(duì)比分析

        圖3 為模擬面風(fēng)速與實(shí)測(cè)值分布曲線,從圖中可看出二者分布特性較為吻合。實(shí)測(cè)值波動(dòng)較大,可能是受現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件和人員走動(dòng)的影響。模擬與實(shí)測(cè)值最大偏差和最小偏差見(jiàn)表2,均滿(mǎn)足規(guī)范小于15%的要求,另計(jì)算得出模擬值與實(shí)測(cè)值最大偏差為26%,最小偏差為4%,均在允許誤差范圍內(nèi)。由此可見(jiàn)數(shù)值模擬的可靠性。

        圖3 通風(fēng)柜測(cè)點(diǎn)風(fēng)速值

        表2 實(shí)測(cè)面風(fēng)速與模擬面風(fēng)速偏差

        2 數(shù)值模擬

        2.1 仿真模型

        在模擬可靠性基礎(chǔ)上,以某典型化學(xué)分析分析測(cè)試中心實(shí)驗(yàn)室為例使用Gambit 軟件進(jìn)行建模,房間尺寸:8.5 m×6.0 m×3.0 m(長(zhǎng)×寬×高),室內(nèi)布置有通風(fēng)柜、試劑柜、中央操作臺(tái)等實(shí)驗(yàn)家具,開(kāi)門(mén)朝向北。如圖4 所示:

        圖4 實(shí)驗(yàn)室平面布置圖

        為突出研究重點(diǎn),本次模擬首先對(duì)房間進(jìn)行簡(jiǎn)化,只保留一臺(tái)通風(fēng)柜,用來(lái)保護(hù)研究人員免受研究工作中產(chǎn)生的有害或有毒氣體的傷害[3],柜體距南側(cè)墻2.0 m,其外部尺寸為:1.50 m×0.92 m×2.37 m(長(zhǎng)×寬×高),實(shí)驗(yàn)時(shí)視窗開(kāi)口尺寸為:1.3 m×0.5 m,柜內(nèi)設(shè)置一污染源。通風(fēng)柜頂部排風(fēng)管直徑0.25m。室內(nèi)頂部設(shè)置一處送風(fēng)口和一處輔助排風(fēng)口(尺寸:0.5×0.5m),風(fēng)口距通風(fēng)柜水平距離2.5m,模型如圖5 所示:

        圖5 房間模型

        2.2 模型假設(shè)

        1)由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣流速較低,將其視為不可壓縮氣體,滿(mǎn)足牛頓內(nèi)摩擦定律。

        2)流動(dòng)為湍流,穩(wěn)態(tài)。

        3)室內(nèi)空氣低速流動(dòng),滿(mǎn)足Boussinesq 假設(shè)[4]。

        4)假設(shè)房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)為絕熱材料,不考慮熱傳導(dǎo)和熱輻射。

        5)假設(shè)房間密封性良好,不考慮門(mén)窗滲透,送風(fēng)量等于排風(fēng)量。

        2.3 模型簡(jiǎn)化

        1)將通風(fēng)柜上柜簡(jiǎn)化為一矩形腔體,壁厚2 mm,忽略導(dǎo)流板、燈具、氣體考克等內(nèi)部構(gòu)造。

        2)將排風(fēng)口和送風(fēng)口簡(jiǎn)化為矩形風(fēng)口,設(shè)定湍流強(qiáng)度和水力直徑。

        3)將通風(fēng)柜內(nèi)污染物簡(jiǎn)化為0.15 m×0.15 m×0.15 m 的立方體[5],污染氣體為SF6,由其頂部均勻發(fā)散,發(fā)散率設(shè)定為4 L/min。

        2.4 模型邊界條件設(shè)定

        1)送風(fēng)口邊界條件設(shè)置為速度進(jìn)口(velocity-inlet)。

        2)通風(fēng)柜排風(fēng)口和輔助排風(fēng)口邊界條件設(shè)置為流動(dòng)出流(outflow)。

        3)污染物上表面設(shè)置為質(zhì)量流量入口(mass-flow-inlet)。

        4)其余邊界條件設(shè)置為壁面(wall)。

        2.5 參數(shù)設(shè)置

        室內(nèi)通風(fēng)量可由下式計(jì)算[6]:

        式中:Q 為通風(fēng)量,m3/h;n 為換氣次數(shù),次/h;V 為房間容積,m3。

        模擬時(shí),將通風(fēng)柜操作視窗開(kāi)啟高度設(shè)定為0.5m,面風(fēng)速設(shè)為0.5 m/s,通風(fēng)柜排風(fēng)量則可由下式計(jì)算:

        式中:v 為通風(fēng)柜面風(fēng)速,m/s;A 為通風(fēng)柜操作口面積,m3。因此通風(fēng)柜排風(fēng)量QT=1170 m3/h。

        由于房間送風(fēng)口至通風(fēng)柜罩面所在平面距離不應(yīng)少于1.5 m[7],因此本文將水平距離設(shè)置為2.5 m,盡量減少送風(fēng)對(duì)通風(fēng)柜面風(fēng)速的擾動(dòng),同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)盡可能減小送風(fēng)口風(fēng)速。但過(guò)小的風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致房間產(chǎn)生氣流死角區(qū)域,空氣中的污染物難以得到充分混合,根據(jù)文獻(xiàn)[8]中結(jié)論,送風(fēng)口風(fēng)速為3 m/s 時(shí),通風(fēng)柜面風(fēng)速波動(dòng)及不均勻度均較大,風(fēng)速減小至2 m/s時(shí),對(duì)通風(fēng)柜面風(fēng)速影響減小,人員工作區(qū)域風(fēng)速小于0.3 m/s,人員舒適性好,且房間內(nèi)氣流死角較少。因此本文將送風(fēng)速度設(shè)定為2 m/s。

        確定以上參數(shù)之后,需要計(jì)算湍流強(qiáng)度I 和水力直徑de。湍流強(qiáng)度I 定義為相對(duì)于平均速度uavg的脈動(dòng)速度u′的均方根[9],其經(jīng)驗(yàn)公式為:

        式中:Re 為雷諾數(shù)。

        水力直徑定義為:

        式中:A 為過(guò)流斷面面積,m2;χ 為過(guò)流斷面上流體與固體接觸的周長(zhǎng),稱(chēng)為濕周,m。

        3 模擬結(jié)果及分析

        3.1 控制點(diǎn)濃度

        人員操作區(qū)污染物濃度是通風(fēng)柜性能及室內(nèi)氣流組織評(píng)價(jià)的重要指標(biāo),根據(jù)文獻(xiàn)[2]中人體模型尺寸,呼吸區(qū)高度為1.5 m,鼻尖距柜門(mén)外側(cè)平面0.025 m,結(jié)合本文中模型,此控制點(diǎn)為(5.055,2.750,1.500),圖6 中給出了5~16 次/h 換氣次數(shù)下,控制點(diǎn)的污染物濃度值。

        圖6 不同換氣次數(shù)對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn)濃度

        由圖6 可以看出,換氣次數(shù)n=5 次/h 時(shí)(對(duì)應(yīng)通風(fēng)柜面風(fēng)速0.3 m/s),控制點(diǎn)污染物濃度明顯高于其他工況,且超出規(guī)范要求的0.5 ppm;其余各換氣次數(shù)下(n=6 次/h 時(shí)對(duì)應(yīng)通風(fēng)柜面風(fēng)速0.4 m/s,其余工況對(duì)應(yīng)0.5 m/s)污染物濃度均未超過(guò)規(guī)范要求值,但污染物濃度并未隨著換氣次數(shù)的增加而單調(diào)遞減,而是呈現(xiàn)上下波動(dòng)的趨勢(shì)。在換氣次數(shù)10、11 次/h 時(shí)濃度最低,其余情況均略有升高。但此時(shí)還不能完全確定合理的換氣次數(shù)值,因?yàn)閱渭兎治瞿骋稽c(diǎn)的值不能代表污染物整體情況,且污染物濃度單位為ppm,在如此小的數(shù)量級(jí)下改變收斂精度或控制方程等任何一項(xiàng)參數(shù)均會(huì)對(duì)結(jié)果有較大影響。

        3.2 不同換氣次數(shù)下污染物濃度場(chǎng)

        圖7 給出了6、8、10、12、14 次/h 換氣次數(shù)下,在通風(fēng)柜中心截面Y=2.75 m 的污染物濃度云圖。從圖中可以看出,當(dāng)n=6 次/h 時(shí)(通風(fēng)柜面風(fēng)速為0.4 m/s),由于通風(fēng)量較小,操作口附近污染物濃度較高,且柜內(nèi)污染物多聚集在后下部,沒(méi)有形成沿排風(fēng)管穩(wěn)定的排放流動(dòng),如此增加了污染物逃逸出操作口風(fēng)險(xiǎn);當(dāng)換氣次數(shù)由6 次/h 增大至10 次/h 時(shí),柜內(nèi)污染物逐漸在后壁面聚集,沿排風(fēng)管方向排出,同時(shí),操作口前0.025~0.5 m 附近污染物濃度平均值逐漸下降。當(dāng)換氣次數(shù)繼續(xù)增大至14 次/h 時(shí),操作口附近污染物濃度值再次呈現(xiàn)增大趨勢(shì),且房間內(nèi)污染物逐漸向上移動(dòng),這可能是由于隨著房間通風(fēng)量增大,在通風(fēng)柜排風(fēng)量一定的情況下,輔助排風(fēng)量增加,加劇了對(duì)氣流的卷吸作用,使得排風(fēng)柜內(nèi)的一部分污染物被帶出,造成了操作口附近的SF6濃度上升。由以上分析初步得出換氣次數(shù)n=10 次/h 左右為宜。

        圖7 不同換氣次數(shù)下Y=2.75 m截面的污染物濃度云圖

        將通風(fēng)柜操作口附近污染物濃度放大,云圖范圍定義在1e-9~1e-7,結(jié)論與上述相符。

        3.3 不同換氣次數(shù)下速度場(chǎng)

        圖8 給出了6、8、10、12、14 次/h 換氣次數(shù)下Z=1.5 m 截面(即人員呼吸區(qū)高度)的速度分布云圖。從圖中可以看出新風(fēng)從送風(fēng)口送入房間,速度在垂直方向逐漸衰減并向周?chē)鷶U(kuò)散,在人員工作區(qū)氣流速度均小于0.3 m/s,人員舒適性較好。但n=6 次/h 和n=8 次/h 工況下,由于換氣次數(shù)較低,導(dǎo)致房間工作區(qū)氣流死角區(qū)域較大,當(dāng)n 增大至10-12 次/h 時(shí),氣流死角明顯減少,繼續(xù)增大換氣次數(shù),死角區(qū)域的變化并不顯著。

        圖8 不同換氣次數(shù)下Z=1.5 m 截面的速度云圖

        4 結(jié)論

        通過(guò)以上對(duì)不同換氣次數(shù)下的濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)分析,得出如下結(jié)論:

        1)化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),通風(fēng)柜面風(fēng)速不應(yīng)小于0.4 m/s。

        2)在保證通風(fēng)柜面風(fēng)速穩(wěn)定的前提下,通風(fēng)柜前控制區(qū)的污染物濃度值并不隨換氣次數(shù)的增加而單調(diào)遞減,即并非傳統(tǒng)概念中的換氣次數(shù)越大,污染物濃度越低。

        3)有輔助排風(fēng)的房間換氣次數(shù)以10~12 次/h 為宜,若換氣次數(shù)過(guò)大,不僅能耗升高且增加柜內(nèi)污染物逸出的風(fēng)險(xiǎn)。

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