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        基于CFD的高校實驗室通風(fēng)優(yōu)化模擬研究

        2022-06-20 12:55:38
        技術(shù)與市場 2022年6期
        關(guān)鍵詞:實驗室實驗

        謝 鋒

        (1.浙江水利水電學(xué)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(guān)鍵技術(shù)重點實驗室,浙江 杭州 310018)

        0 引言

        高校實驗室作為科研教學(xué)的實踐基地,既是研究人員開展科學(xué)研究,也是培訓(xùn)本科生、研究生實驗?zāi)芰皩I(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(xué)科研的研究成果和水平[1]。實驗室安全涉及人身、設(shè)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(xué)規(guī)模的不斷擴大,實驗室安全問題也日益嚴(yán)峻。近年來,高校實驗室安全事故頻出,輕者造成實驗儀器、設(shè)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(dāng)或認(rèn)識不夠所致[2]。為了提高實驗室安全,學(xué)者們從管理制度[3]、技術(shù)手段[4]、實驗室設(shè)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(fēng)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(shè)計提供參考依據(jù)。

        1 通風(fēng)設(shè)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(guān)鍵技術(shù)重點實驗室下設(shè)的河湖水生態(tài)修復(fù)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(fēng)主要的目的是提供安全、舒適的工作環(huán)境。設(shè)計主要采用自然通風(fēng),利用室內(nèi)、室外空氣壓差形成氣流。為了驗證通風(fēng)設(shè)計方案的有效性,在實驗室內(nèi)設(shè)置6個監(jiān)測點,如圖1所示。實驗室通風(fēng)方案共設(shè)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(fēng)設(shè)計方案對比

        2 CFD模型的建立

        2.1 求解控制方程

        當(dāng)實驗室內(nèi)風(fēng)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(shè)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(dāng)通風(fēng)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(fēng)速度在1.0~5.0 m/s,室內(nèi)風(fēng)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(fēng)速設(shè)為1.5 m/s,出口或開窗的邊界設(shè)為大氣壓,其他位置邊界設(shè)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(chǔ)網(wǎng)格尺寸0.05 m,目標(biāo)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(jié)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。空氣進入理化室后,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(fēng)設(shè)計方案CFD模擬結(jié)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(shè)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(fēng)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(dāng)精密分析室和稱量室門以30°半開啟時,對空氣具有引導(dǎo)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(jié)語

        從節(jié)能環(huán)保的角度,考慮使用自然通風(fēng)方式,通過改變室內(nèi)門窗開閉角度和實驗設(shè)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(dāng)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(guān)閉、精密分析室大窗開啟、稱量室窗開啟、理化室窗關(guān)閉、實驗臺間距0.25 m時,監(jiān)測點風(fēng)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(fēng)安全。

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