戴志海, 謝東*, 王漢青, 楊紅波

(1. 南華大學(xué)土木工程學(xué)院, 衡陽 421000; 2. 南華大學(xué)建筑環(huán)境控制技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室, 衡陽 421000; 3.中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院, 長沙 410004; 4.廣州冰泉制冷設(shè)備有限責(zé)任公司, 廣州 511400)

制冰潔凈車間中,病毒細(xì)菌會(huì)附著于空氣中的懸浮顆粒物上,再通過依附于冰塊進(jìn)行傳播,食品生產(chǎn)過程中暴露在含有超標(biāo)顆粒污染物的生產(chǎn)環(huán)境,這將對(duì)人們的衛(wèi)生安全造成威脅。因此,當(dāng)局部觸發(fā)性污染物出現(xiàn)時(shí),快速的去除污染物,減少食品暴露在污染環(huán)境中的時(shí)間,保證生產(chǎn)環(huán)境的潔凈度,這有利于保證人民的食品健康安全,也是當(dāng)前的重要課題。

近年來針對(duì)潔凈室和室內(nèi)污染物的研究逐年增多。宋業(yè)浩[1]、趙金亮等[2]、韓何[3]分別以國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization,ISO)5級(jí)和ISO6級(jí)潔凈室為研究對(duì)象,在上送下回、上送單側(cè)下回風(fēng)和雙側(cè)下回風(fēng)3種回風(fēng)方式下進(jìn)行數(shù)值模擬,以流線平行度和風(fēng)速為指標(biāo),指出上送下回的氣流優(yōu)于上送測回;在ISO6級(jí)潔凈室內(nèi),上送單側(cè)回形式,會(huì)出現(xiàn)明顯渦流,而上送雙側(cè)回形式,渦流不明顯,氣流效果更佳;在ISO5級(jí)潔凈室內(nèi),單側(cè)回形式無法完全達(dá)到單向流的要求,而雙側(cè)回形式的氣流均勻性好,完全能達(dá)到單向流的要求。周俊杰等[4]以垂直單向流潔凈室為研究對(duì)象,以流線平行度為指標(biāo),通過模擬分析得出FFU布置率為80%時(shí)滿足垂直單向流潔凈室的設(shè)計(jì)要求。郭雨潔等[5]和李曉敏等[6]分別對(duì)地下超市和地鐵站內(nèi)的氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了速度場和溫度場,得出地下超市和地鐵站的速度場和溫度場的分布規(guī)律。綜上可知,上述研究僅關(guān)注速度場,未考慮顆粒物分布。劉莉等[7]通過CFD對(duì)室內(nèi)顆粒污染物的分布情況進(jìn)行模擬分析,指出地面污染物濃度過高時(shí)會(huì)對(duì)整個(gè)潔凈室產(chǎn)生影響。李云廣等[8]針對(duì)孔板送風(fēng)的非單向流流潔凈室,對(duì)15～70次不同換氣次數(shù)條件下污染物擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬分析,得出換氣次數(shù)為55次時(shí),潔凈室排污效果最佳,繼續(xù)增大換氣次數(shù)對(duì)室內(nèi)污染物分布狀況沒有明顯改善。劉瓅等[9]以非單向流潔凈室研究末端形式、回風(fēng)口位置、換氣次數(shù)3個(gè)因素對(duì)室內(nèi)顆粒污染物的影響,結(jié)果表明,回風(fēng)口應(yīng)該優(yōu)先布置于房間角落,有利于提高房間平均潔凈度;末端形式時(shí)影響局部顆粒物濃度的顯著性因素,換氣次數(shù)是影響室內(nèi)平均濃度的顯著性因素。

大量研究表明,CFD(computational fluid dynamics)方法是對(duì)潔凈室探究的有效工具,對(duì)于單向流和以散流器為送風(fēng)口的傳統(tǒng)的上送下回的形式已有豐富的研究,但對(duì)于特殊空調(diào)系統(tǒng)的研究尚鮮見報(bào)道。鑒于此,以某低溫制冰潔凈車間為研究對(duì)象,為了探究潔凈風(fēng)柜不同的布置方式、送風(fēng)角度、換氣次數(shù)對(duì)污染物排除速率和溫度均勻性的影響,建立三維物理模型進(jìn)行數(shù)值模擬,選生產(chǎn)區(qū)域?yàn)樾枰獌?yōu)化的微環(huán)境[10],通過對(duì)比模擬,選取最佳布置方案,再通過單因素模式實(shí)驗(yàn)解析不同影響因素對(duì)污染物去除速率和溫度均勻性的影響,尋求污染物排除速率和溫度均勻性的平衡,最終確定最優(yōu)的排布方案和運(yùn)行工況,實(shí)現(xiàn)對(duì)潔凈車間生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)微環(huán)境的優(yōu)化,提高微環(huán)境內(nèi)污染物的去除速率和溫度均勻性,為后續(xù)潔凈車間的運(yùn)行設(shè)計(jì)和研究提供了模型參考和理論支持。

1 模型建立

1.1 幾何模型的建立

對(duì)潔凈車間內(nèi)部進(jìn)行氣流組織模擬分析,該潔凈車間為低溫十萬級(jí)潔凈車間,設(shè)計(jì)溫度為-10 ℃,車間內(nèi)制冷系統(tǒng)與潔凈系統(tǒng)相互獨(dú)立,冷源為車內(nèi)頂部吊頂冷風(fēng)機(jī),潔凈風(fēng)柜(FFU)對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行循環(huán)過濾,以此實(shí)現(xiàn)對(duì)車間內(nèi)溫度場和污染物濃度的控制。

以 1∶1 的車間尺寸建立數(shù)字模型,車間幾何模型如圖1所示,車間內(nèi)各物品尺寸如表1所示。

表1 車間幾何模型參數(shù)Table 1 Geometric model parameters of workshop

圖1 車間模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the workshop model

1.2 控制方程

采用連續(xù)相氣流流場和顆粒相耦合的方法進(jìn)行數(shù)值模擬,氣流場采用室內(nèi)氣流流場效果較好的Realizablek-ε湍流模型計(jì)算,計(jì)算公式為

(1)

式(1)中:ρ為氣體密度;Φ通用變量,可表示速率分量u、v、w和熱力學(xué)溫度T等求解變量;t為時(shí)間;為梯度;K為廣義源項(xiàng)。

對(duì)顆粒相的計(jì)算采用離散相顆粒模型DPM(discrete phase model),該方法是在拉格朗日法的基礎(chǔ)上建立的,因此可以追蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,可以計(jì)算兩相耦合和單相耦合問題。

1.3 邊界條件與噴口模型簡化

1.3.1 噴口模型簡化

本次模擬研究為了使模擬結(jié)果更加精確,將車間模型和潔凈風(fēng)柜的球形噴口模型拆分成兩個(gè)獨(dú)立的模型,由于風(fēng)柜內(nèi)部風(fēng)管到各個(gè)噴口的距離一直,故將風(fēng)管段進(jìn)行了簡化縮短。

球形噴口由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、球形裝飾圈、噴口及殼體組成,結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。本次模擬研究為了便于生成高質(zhì)量的網(wǎng)格,將球形噴口的球星裝飾圈和殼體忽略,僅保留了流體區(qū)域,得到的球形噴口簡化模型的喉部曲率與實(shí)際球形噴口一致,球形噴口簡化結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 噴口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of nozzle structure

圖3 簡化噴口模型Fig.3 Simplified nozzle model

受球形噴口結(jié)構(gòu)和風(fēng)管阻力的影響,噴口出流斷面的流速并不均勻,故將球形噴口邊界參數(shù)導(dǎo)入后,明顯提高了本次模擬的準(zhǔn)確性。

1.3.2 邊界條件設(shè)置參數(shù)匯總

本次模擬研究中,吊頂冷風(fēng)機(jī)的送風(fēng)口、潔凈風(fēng)柜的送風(fēng)口均采用流速入口,而由于壓力入口和自由出流無法同時(shí)使用,又要保證風(fēng)口流量的準(zhǔn)確性,故將吊頂冷風(fēng)機(jī)的回風(fēng)口和潔凈風(fēng)柜的吸風(fēng)口設(shè)為速度出口。

潔凈風(fēng)柜的凈化率為99.99%,故近似認(rèn)為潔凈風(fēng)柜送風(fēng)認(rèn)為是無塵新風(fēng);車間內(nèi)墻面全為保溫鋼板,故將其是為絕熱表面。

氣溶膠散發(fā)源將其布置于生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)(x=9 m,y=8 m,z=1.2 m),其物性參數(shù)為:直徑為0.5～10 μm,平均粒徑為1.0 μm,強(qiáng)度為1×10-4kg/s,釋放時(shí)長為1 s。邊界條件具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 邊界條件設(shè)置參數(shù)Table 2 Setting parameters of boundary conditions

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

在有限的計(jì)算資源前提下保證計(jì)算速率和準(zhǔn)確性,建立了網(wǎng)格數(shù)分別為9×105、17×105、25×105、35×105和55×105的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。在流場中心取一條垂直直線(x=8 m,y=15 m),得到其穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的速率分布,如圖4所示。

圖4 5種不同網(wǎng)格數(shù)量下空間的中心線高變化速率分布Fig.4 Distribution of high change rate of center line in five different grid number Spaces

從圖4可以看出,在5種網(wǎng)格空間中,網(wǎng)格數(shù)為9×105、17×105和25×105的速率分布與35×105的相比有較大的差距,但網(wǎng)格數(shù)為35×105的速率分布與55×105的速率分布結(jié)果相比差距很小,最大偏差為2.1%。因此網(wǎng)格數(shù)為35×105的網(wǎng)格敏感性已經(jīng)達(dá)標(biāo),最終選擇35×105網(wǎng)格數(shù)作為全局網(wǎng)格劃分方案的參數(shù)。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)殘留率[11-12]。潔凈車間對(duì)局部觸發(fā)的氣溶膠污染物的短時(shí)間內(nèi)的去除速率,設(shè)定1 s內(nèi)由局部觸發(fā)的氣溶膠污染物,在1 min內(nèi)氣溶膠污染物在車間內(nèi)的殘留率的變化情況。

(2)溫度均勻性[13]。將潔凈車間分為兩個(gè)矩形區(qū)域,將布置了切冰機(jī)和潔凈風(fēng)柜的矩形區(qū)域定為生產(chǎn)區(qū),而另一個(gè)矩形區(qū)域?yàn)榉巧a(chǎn)區(qū);生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的溫度穩(wěn)定性對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量的影響非常大,通過主要工作區(qū)域內(nèi)的1 m水平面上均勻選取60個(gè)樣本點(diǎn)的溫度值的標(biāo)準(zhǔn)差來評(píng)價(jià)生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的溫度均勻性。

(2)

3 潔凈車間通風(fēng)布置方案研究

3.1 布置方案擬定

所研究的對(duì)象為實(shí)際運(yùn)行的制冰車間,冷風(fēng)機(jī)管道位置固定,只考慮對(duì)車間內(nèi)的4個(gè)潔凈風(fēng)柜的布置,選取3種布置方式作為仿真對(duì)象,將其擬定為3個(gè)布置方案,3種布置方案的幾何物理模型如圖5所示。

3.2 模擬結(jié)果與分析

3.2.1 車間的顆粒物彌散分析

潔凈車間內(nèi)顆粒從污染源散發(fā)出來后60 s內(nèi)的顆粒彌散過程如圖6所示。當(dāng)顆粒噴出5 s時(shí),顆粒僅隨氣流運(yùn)動(dòng)到污染源下方,擴(kuò)散性不強(qiáng),顆粒團(tuán)處于聚集狀態(tài)。當(dāng)顆粒噴出10 s時(shí),小部分粒子滯留于散發(fā)源附近,但絕大多數(shù)顆粒分成三股粒子流,分別從切冰機(jī)的空隙間穿過并流入側(cè)方的兩個(gè)潔凈風(fēng)柜的回風(fēng)口。當(dāng)顆粒噴出15 s時(shí),大多數(shù)的顆粒隨空氣流入潔凈風(fēng)柜的回風(fēng)口被捕捉過濾,剩余顆粒隨著氣流向潔凈室上方運(yùn)動(dòng)。當(dāng)顆粒噴出20 s之后,顆粒物隨著室內(nèi)流場擴(kuò)散到整個(gè)潔凈室,顆粒物濃度隨時(shí)間勻速下降。

不同顏色散點(diǎn)代表顆粒物滯留時(shí)間圖6 不同時(shí)刻顆粒物彌散圖Fig.6 Dispersion diagram of particles at different times

圖7為顆粒物殘留率隨時(shí)間的變化關(guān)系。3種排布方案中,方案A在60 s時(shí)的殘留率最低,方案A在60 s時(shí)的殘留率為5.7%,其后依次是方案B、方案C,殘留率依次為19.5%、65.4%。隨著顆粒物的釋放,在t=1 s時(shí)顆粒物殘留率濃度達(dá)到峰值,并且會(huì)在峰值維持一段時(shí)間。

圖7 不同排布方案60 s內(nèi)顆粒殘留率Fig.7 Particle residual rate within 60 s in different arrangement schemes

60 s的時(shí)間內(nèi),3種排布方案的顆粒物的殘留率均存在一段陡降區(qū)間,這是由于顆粒物從釋放源釋放出來后處于一種聚團(tuán)狀態(tài),初始時(shí)段大量顆粒物隨著氣流移動(dòng)進(jìn)行小規(guī)模的擴(kuò)散,又由于潔凈風(fēng)柜的回風(fēng)口位于潔凈室的下方區(qū)域,潔凈室下方空間的氣流主要是流向潔凈風(fēng)柜的回風(fēng)口,故一大部分顆粒在釋放后就在較短時(shí)間內(nèi)被潔凈風(fēng)柜捕集過濾,這一現(xiàn)象在文中定義為“一次去除”。方案A的顆粒物“一次去除”發(fā)生的時(shí)間最短,“一次去除”時(shí)間點(diǎn)為8 s,方案B、方案C的“一次去除”時(shí)間點(diǎn)分別為17、24 s。方案A、方案B、方案C顆粒物殘留率發(fā)生“一次去除”后的殘留率分別為12.1%、30.8%、84.1%。潔凈風(fēng)柜的回風(fēng)口位置對(duì)于“一次去除”起到至關(guān)重要的影響,顆粒物發(fā)生“一次去除”的時(shí)間點(diǎn)越早,顆粒物擴(kuò)散的范圍就越小,“一次去除”的效率越高。

3.2.2 溫度場分析

圖8為不同排布方案生產(chǎn)區(qū)域z=1.2 m水平面上的平局溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差?？梢钥闯?3種排布方案在相同能耗條件下,方案A、方案B、方案C的平均溫度分別為263.53、263.92、263.63 K,其中方案A的平均溫度最低;方案A、方案B、方案C的溫度標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.244、0.252、0.343,方案A的溫度標(biāo)準(zhǔn)差是最小。

圖8 不同排布方案生產(chǎn)區(qū)域z=1.2 m的平均溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差Fig.8 Average temperature and standard deviation of z=1.2 m in production area with different arrangement schemes

3.2.3 布置方案選定

綜合上述結(jié)果分析,選擇方案A為最終布置方案。從顆粒物殘留率角度,方案A對(duì)生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)觸發(fā)顆粒物的“一次去除”效率和60 s內(nèi)的去除效率均是最高,“一次去除”效率高出其余方案18.7%,60 s內(nèi)的去除效率高出其余方案13.8%;從溫度場的角度,方案A的平均溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差最低,平均溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差相較于其余方案降低了0.1 K和0.01,工作區(qū)域的溫度最低,溫度均勻性最好。在相同能耗的條件下,方案A對(duì)生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)觸發(fā)的污染物去除速率最快,降低了冰塊生產(chǎn)過程中暴露在顆粒污染物下的概率;方案A生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的平均溫度更低,可降低供冷能耗,節(jié)約運(yùn)行成本;方案A的溫度均勻性更優(yōu)越,對(duì)食品生產(chǎn)質(zhì)量有顯著提升。

4 不同送風(fēng)工況工作特性研究

4.1 單因素模擬

通過改變潔凈風(fēng)柜送風(fēng)角度和換氣次數(shù)在潔凈室模型內(nèi)進(jìn)行單因素模擬分析,模擬工況如表3所示。

表3 模擬方案Table 3 Simulation scheme

4.2 各因素對(duì)顆粒物殘留率的影響

進(jìn)行單因素模擬,得到各因素中顆粒物殘留率隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖9所示?？梢钥闯?出口送風(fēng)角度對(duì)顆粒物殘留率的影響非常大,隨著出口送風(fēng)角度的增加,顆粒物的殘留率呈現(xiàn)一種先減后增趨勢,當(dāng)出口角度達(dá)到45°時(shí)顆粒物殘留率最低,“一次去除”效率為81.9%,顆粒物殘留率為5.7%;隨著換氣次數(shù)的增加顆粒物殘留率呈現(xiàn)不斷降低的趨勢,當(dāng)換氣次數(shù)為30次/h時(shí),顆粒物殘留率最低,“一次去除”效率為99.36%,顆粒物殘留率為0.43%。因此在單因素實(shí)驗(yàn)中,選擇送風(fēng)角度45°,換氣次數(shù)30次/h作為顆粒物去除速率的最優(yōu)組合。

圖9 各因素下顆粒物殘留率60 s內(nèi)的變化Fig.9 Variation of particulate matter residual rate within 60 s under various factors

4.3 各因素對(duì)溫度均勻性的影響

通過單因素模擬,對(duì)各因素下生產(chǎn)區(qū)域z=1 m水平面上均勻選取60個(gè)溫度值,結(jié)果如圖10所示。由圖10模擬結(jié)果可知:隨著出口送風(fēng)角度的增大,生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的平均溫度越小,且編號(hào)1～20的測點(diǎn)的溫度值絕大部分是高于平局溫度,各測點(diǎn)的溫度波動(dòng)性變化不大;隨著換氣次數(shù)的在增大,生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的平均溫度越小,當(dāng)換氣次數(shù)為20次/h和30次/h是,各測點(diǎn)的溫度波動(dòng)性顯然小于換氣次數(shù)為25次/h時(shí)的情況。

圖10 各因素工況下各個(gè)測點(diǎn)的溫度分布Fig.10 Temperature distribution of each measuring point under various factor working condition

編號(hào)21～60的溫度值絕大部分是低于平均溫度,這是由于編號(hào)1～20測點(diǎn)位于生產(chǎn)區(qū)域靠左側(cè)的位置,生產(chǎn)區(qū)域左側(cè)上方為固體墻面,而編號(hào)21～60測點(diǎn)位于生產(chǎn)區(qū)域的中間和右側(cè),該區(qū)域上方和非生產(chǎn)區(qū)域相通,左側(cè)區(qū)域的設(shè)備產(chǎn)熱擴(kuò)散速度相對(duì)于中間和右側(cè)的區(qū)域更慢,所以造成了左側(cè)區(qū)域溫度較高,右側(cè)區(qū)域溫度較低的現(xiàn)象。

單因素模擬得到各因素下相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差如圖11所示?？梢钥闯?隨著出口送風(fēng)角度的增大,溫度標(biāo)準(zhǔn)差先增大后減小,當(dāng)出口送風(fēng)角度為60°時(shí),溫度標(biāo)準(zhǔn)差為0.209,生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)溫度最均勻;隨著換氣次數(shù)的增加溫度標(biāo)準(zhǔn)差先增加后減小,當(dāng)換氣次數(shù)為20次/h時(shí),溫度標(biāo)準(zhǔn)差為0.142,生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)溫度最均勻。因此選擇送風(fēng)角度60°,換氣次數(shù)20次/h作為單因素實(shí)驗(yàn)溫度均勻性最優(yōu)組合。

圖11 各因素下的溫度標(biāo)準(zhǔn)差Fig.11 Standard deviation of temperature under each factor

4.4 因素交互性分析與方案選定

通過單因素分析分別得出了各因素對(duì)顆粒物去除速率和溫度均勻性的影響趨勢,但是從單因素分析得出的對(duì)于去除速率的最優(yōu)組合和溫度均勻性的最優(yōu)組合各不相同,這是因?yàn)閱我蛩胤治鲂枰俣ǜ饕蛩亻g沒有交互作用,既單因素結(jié)果并不是很精準(zhǔn)的優(yōu)化組合。因此,為尋求去除速率和溫度均勻性兩者的平衡,將剩余所有組合進(jìn)行模擬對(duì)比(因?yàn)橐蛩財(cái)?shù)為2,無需進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)),表4為所有組合模擬結(jié)果,其中,原運(yùn)行工況組合為送風(fēng)角度45°,換氣次數(shù)20次/h,表4中變化率和差值是與原工況組合參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

表4 模擬結(jié)果Table 4 Simulation results

綜上分析可知:各因素對(duì)于顆粒物去除速率的影響程度:送風(fēng)角度>換氣次數(shù);各因素對(duì)于溫度均勻性的影響程度:換氣次數(shù)>送風(fēng)角度。綜合考慮去除速率和溫度均勻性,選取送風(fēng)角度45°,換氣次數(shù)30次/h為優(yōu)化組合;相較于原方案,顆粒物在60 s內(nèi)的去除率提高了5.3%,溫度標(biāo)準(zhǔn)差降低了0.05,溫度均勻性提高了22.3%,該方案在去除速率和溫度均勻性上均得到了優(yōu)化。

5 結(jié)論

(1)選定方案A為最佳布置方案,方案A對(duì)生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)觸發(fā)顆粒物“一次去除”效率為87.9%,高出其余方案18.7%,60 s內(nèi)的去除效率為5.7%,高出其余方案13.8%,快速排除污染物的能力最強(qiáng);平均溫度和溫度標(biāo)準(zhǔn)差相較于其余方案分別降低了0.1 K和0.01,工作區(qū)域的溫度最低,溫度均勻性最好。

(2)“一次去除”效率對(duì)于潔凈室內(nèi)顆粒物的快速排除有著非常重要的作用,“一次去除”發(fā)生的時(shí)間越早,“一次去除”效率越高,將吸風(fēng)口布置于重要潔凈區(qū)域有利于局部觸發(fā)性污染物的快速排除。

(3)利用單因素實(shí)驗(yàn)和對(duì)比實(shí)驗(yàn)尋求污染物去除速率和溫度均勻性的平衡。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)因素對(duì)于污染物去除速率的影響程度為:送風(fēng)角度>換氣次數(shù);兩個(gè)實(shí)驗(yàn)因素對(duì)于溫度均勻性的影響程度為:換氣次數(shù)>送風(fēng)角度。

(4)當(dāng)送風(fēng)角度為45°,換氣次數(shù)為30次/h時(shí)污染物去除速率和溫度均勻性均得到優(yōu)化,較于原方案,顆粒物的去除率提高了5.3%,溫度標(biāo)準(zhǔn)差降低了0.05,溫度均勻性提高了22.3%。