杜晶晶，于思源，楊昀碩

（1.神州細胞工程有限公司，北京 100176；2.北京民利儲能技術(shù)有限公司，北京 100176；3.華北理工大學(xué)輕工學(xué)院，河北唐山 063000）

0 引言

超凈工作臺又稱為潔凈工作臺，其利用風(fēng)機對空氣進行流速控制，從而形成一個正壓流通的有限作業(yè)空間。流通空氣經(jīng)過濾通道后形成的潔凈空氣作為工作空間內(nèi)的過濾氣體，對工作空間進行不間斷過濾吹掃，在工作狀態(tài)下保持工作空間內(nèi)的風(fēng)速、空氣潔凈度、噪聲、振動和照明等性能參數(shù)滿足實驗人員的要求[1]，為實驗人員提供一個局部無塵、無菌的工作平臺。

超凈工作臺廣泛應(yīng)用于生物研發(fā)、醫(yī)療衛(wèi)生、電子工業(yè)、食品加工等相關(guān)行業(yè)[2]，根據(jù)其出風(fēng)位置不同大體分為垂直流超凈工作臺和水平流超凈工作臺。垂直流超凈工作臺風(fēng)力場為垂直分布，經(jīng)過預(yù)過濾和高效過濾后的潔凈空氣自上而下吹向工作空間臺面，然后向設(shè)備兩側(cè)與環(huán)境大氣交界處流動；水平流超凈工作臺風(fēng)力場為水平分布，潔凈空氣自后向前或自前向后水平吹出。超凈工作臺截面風(fēng)速的大小及均勻性影響著超凈工作臺的氣流流場形態(tài)和對微粒的控制能力，對控制操作區(qū)潔凈度、保護操作對象免受污染具有重要作用[3]，且截面風(fēng)速對實驗人員操作也存在影響。垂直流超凈工作臺操作面?zhèn)扔锌缮挡Ａ醢寤蛴袡C玻璃擋板，在實驗人員受最小冷風(fēng)影響下，可降低實驗氣溶膠與實驗人員接觸的概率，所以在生物實驗室中使用較為廣泛。

有研究對超凈工作臺進行過通風(fēng)實驗，通過落菌實驗來測定潔凈空間內(nèi)的最優(yōu)風(fēng)速，但只考慮了通入風(fēng)速，并未考慮出風(fēng)口對其實驗結(jié)果的影響[3]。為進一步研究超凈工作臺的不同通風(fēng)截面面積下的氣流狀態(tài)，獲得擋板的最佳升降高度，本文利用有限元模擬仿真軟件探究超凈工作臺滿足實驗人員正常使用條件下的最優(yōu)通風(fēng)截面數(shù)據(jù)，采用SolidWorks軟件進行建模，通過Flow Simulation 仿真軟件對垂直流超凈工作臺不同開口高度進行流體力學(xué)模擬，分析其工作過程中氣流動力的變化，并通過數(shù)值計算和圖像顯示的方法，在空間和平面上定量描述，模擬出在提供足夠手臂操作空間的基礎(chǔ)上保證潔凈作業(yè)空間內(nèi)的最佳通風(fēng)截面面積[4-5]。

1 超凈工作臺有限元模型構(gòu)建

本研究以實驗室中通用的雙人單面式垂直流超凈工作臺為參考設(shè)備，使用SolidWorks 軟件進行有限元模型構(gòu)建。為便于后續(xù)模擬中不同零部件的不同邊界收斂條件的控制，將垂直流超凈工作臺劃分為工作臺支撐外殼、升降玻璃擋板、送風(fēng)機組及高效過濾器四大部件。因垂直流超凈工作臺中的紫外線燈、照明燈及初級過濾器對工作空間內(nèi)的潔凈氣體流動影響較小，故不單獨對其進行有限元模型構(gòu)建。確定好需要建模的四大部件之后，利用SolidWorks 軟件對其分別進行模型構(gòu)建。

1.1 工作臺支撐外殼的設(shè)計建模

垂直流超凈工作臺支撐外殼作為整個工作臺的骨架部分，其所有部件均以工作臺支撐外殼為撬裝基礎(chǔ)。本研究中的工作臺為雙人單面垂直流超凈工作臺，其工作臺支撐外殼尺寸為1 300 mm×580 mm×1 600 mm（長×寬×高），潔凈工作區(qū)域空間尺寸為1 140 mm×400 mm×600 mm（長×寬×高），送風(fēng)機組進風(fēng)口尺寸為400 mm×400 mm（長×寬）。將材料設(shè)定為不銹鋼材質(zhì)，并在工作臺后背板外殼開33 個單個面積為929.23 mm2的通風(fēng)口。工作臺支撐外殼頂部為空心結(jié)構(gòu)，需將后續(xù)建模的送風(fēng)機組和高效過濾器配合放置于其內(nèi)部。工作臺支撐外殼模型如圖1 所示。

圖1 垂直流超凈工作臺支撐外殼模型

工作臺支撐外殼作為垂直流超凈工作臺的主要支撐部件，在其建模設(shè)計過程中需按照設(shè)備實際尺寸進行空間尺寸還原，以免在后續(xù)氣流動力分析中受影響。將外殼尺寸、潔凈工作區(qū)域空間尺寸和送風(fēng)機組進風(fēng)口尺寸進行約束控制，對于不作為本次約束邊界條件的模型，僅凸顯其空間位置和裝配形態(tài)即可。

1.2 升降玻璃擋板的設(shè)計建模

升降玻璃擋板的設(shè)計建模是本研究的重點，其主要作用是控制潔凈工作空間內(nèi)潔凈氣體與外部大氣的通風(fēng)截面，保證實驗人員在潔凈工作空間內(nèi)進行操作，進而控制內(nèi)部通風(fēng)量和氣流運動狀態(tài)。升降玻璃擋板的結(jié)構(gòu)雖然簡單，但其對于實驗人員和潔凈工作空間內(nèi)的潔凈氣流動力有著至關(guān)重要的作用。升降玻璃擋板設(shè)計尺寸為1 160 mm×420 mm×3 mm（長×寬×厚），設(shè)定其為透明鋼化玻璃材質(zhì)。外形尺寸設(shè)計完成后，著重對玻璃擋板的開度尺寸進行設(shè)計，在軟件中使用固定間距尺寸功能對其進行開度約束。不同開度的升降玻璃擋板如圖2 所示。

圖2 垂直流超凈工作臺升降玻璃擋板模型

1.3 送風(fēng)機組的設(shè)計建模

送風(fēng)機組的作用就是進行空氣的強制循環(huán)，以確保氣流通過下方的高效過濾器進入潔凈工作空間。在后續(xù)模擬中，送風(fēng)機組較為關(guān)鍵的約束條件為頂部送風(fēng)開口大小，作為工作臺整體唯一持續(xù)進風(fēng)部件，需要對頂部送風(fēng)開口的尺寸進行約束，約束尺寸為400 mm×400 mm（長×寬）。垂直流超凈工作臺送風(fēng)機組模型如圖3 所示。

圖3 垂直流超凈工作臺送風(fēng)機組模型

1.4 高效過濾器的設(shè)計建模

高效過濾器為工作臺的最后一道也是最重要的空氣過濾裝置，其可將送風(fēng)機組送入的空氣進行過濾，濾去空氣中的塵埃粒子，并消除病菌、病毒的活動載體和滋生環(huán)境[6]，所以高效過濾器具有一定的通透性。在高效過濾器的設(shè)計建模過程中，設(shè)計尺寸為1 135 mm×460 mm×50 mm（長×寬×高）。垂直流超凈工作臺高效過濾器模型如圖4 所示。依據(jù)ISO 16890標準規(guī)定的顆粒物質(zhì)量過濾效率[7-8]，選用Flow Simulation 仿真軟件中的多孔介質(zhì)項，賦予其等同于100級過濾精度、潔凈度99.99%的高效過濾器特性。

圖4 垂直流超凈工作臺高效過濾器模型

1.5 垂直流超凈工作臺整體建模裝配

將完成設(shè)計建模后的4 塊相互獨立的零件插入至SolidWorks 軟件的裝配圖中，以垂直流超凈工作臺支撐外殼模型為基礎(chǔ)零件，并予以空間固定，將其余3 個零件進行空間裝配，組合成完整的模型。整體模型中最為關(guān)鍵的是升降玻璃擋板與工作臺面的距離配合參數(shù)。垂直流超凈工作臺裝配體及渲染模型如圖5 所示。

圖5 垂直流超凈工作臺裝配體模型及渲染模型

2 氣流動力模擬分析

在垂直流超凈工作臺模型構(gòu)建過程中，通過可升降玻璃擋板控制潔凈工作空間與大氣接觸的面積。截面開口大小對空腔通風(fēng)量的影響是綜合的[9]，因模擬過程中需要給予模型一個求解目標，故使用密封端口功能在升降擋板與桌面的開口位置建立1 個密封端面，密封端面的長度、厚度為固定尺寸，高度尺寸為變化值。以此擋板內(nèi)表面為模擬分析求解面，控制擋板高度尺寸（等同于玻璃擋板與桌面的配合開口尺寸）進行不同變量的數(shù)值模擬，以150 mm為初始分析高度，依次遞增25 mm 至開口高度為275 mm 位置終止。

2.1 垂直流超凈工作臺有限元通用基礎(chǔ)條件設(shè)置

2.1.1 有限元模型基礎(chǔ)常規(guī)條件預(yù)設(shè)

在使用仿真模擬軟件對模型進行動態(tài)模擬前，需要預(yù)先設(shè)置基礎(chǔ)常規(guī)條件：（1）本研究主要探究超凈工作臺內(nèi)部潔凈工作區(qū)域的氣流流動特性，故預(yù)設(shè)分析類型為有限元空間內(nèi)部。（2）在超凈工作臺初始模型中，需要排除可能存在無氣流流動的空腔，故預(yù)設(shè)排除裝配體內(nèi)不具備流動條件的腔室。（3）為讓仿真數(shù)據(jù)更貼近現(xiàn)實，需要賦予氣體重力加速度，故預(yù)設(shè)氣體重力加速度為y 軸方向分量（-9.81 m/s2）。（4）需要對仿真的工質(zhì)進行物性設(shè)定，故預(yù)設(shè)模擬流體工質(zhì)為空氣，比熱比為1.399，分子質(zhì)量為0.028 96 kg/mol，空氣溫度設(shè)定為室溫21 ℃，動力黏度、比熱容及熱導(dǎo)率如圖6 所示。（5）考慮氣體在空間內(nèi)的流動規(guī)則要貼近現(xiàn)實，氣流流動應(yīng)該為不規(guī)則運動，故預(yù)設(shè)流體特征為湍流。

圖6 模擬空氣工質(zhì)的動力黏度、比熱容及熱導(dǎo)率線性曲線

2.1.2 有限元模型基礎(chǔ)邊界條件預(yù)設(shè)

設(shè)置有限元模型基礎(chǔ)邊界條件可以控制仿真模擬的有效收斂，確保模擬數(shù)據(jù)的有效性和準確性。

（1）預(yù)設(shè)送風(fēng)機組進風(fēng)口風(fēng)向垂直于風(fēng)機平面，進風(fēng)口空氣速度為設(shè)備通用的最大風(fēng)速0.6 m/s，空氣湍流強度為10%、湍流長度為0.006 25 m。

（2）湍流強度（I）確定：

式中，Re 為進風(fēng)口空氣雷諾系數(shù)，Re=d×v×ρ/μ。其中，d 為當(dāng)量直徑，d=4S/L，S 為空氣進風(fēng)口截面面積，L 為空氣進風(fēng)口截面周長；v 為空氣流速；ρ 為室溫21 ℃時的空氣密度；μ 為室溫21 ℃時的空氣運動黏度系數(shù)。

將各參數(shù)代入公式，計算得出I：

根據(jù)計算所得數(shù)據(jù)，取模型湍流強度為10%。

（3）預(yù)設(shè)密封端面為壓力開口，壓力為環(huán)境壓力101 325 Pa（密封端面的尺寸變量只改變其潔凈工作區(qū)域與大氣環(huán)境的接觸面積，不影響其預(yù)設(shè)的邊界條件）。

（4）預(yù)設(shè)模型工作臺后背板外殼開33 個單個面積為929.23 mm2的通風(fēng)口為統(tǒng)一邊界條件，設(shè)定為壓力開口，壓力為環(huán)境壓力101 325 Pa。

2.1.3 有限元模型網(wǎng)格無關(guān)性驗證

從有限元分析的原理上看，網(wǎng)格劃分得越細密，求解結(jié)果的精度越高。但在實際工程的設(shè)計和應(yīng)用中，網(wǎng)格數(shù)量的急劇增加會導(dǎo)致計算的時間成本大幅增加，而且當(dāng)網(wǎng)格達到一定數(shù)量后計算精度的提高并不明顯[10]。為確保模擬結(jié)果的準確性，對不同網(wǎng)格間隙尺寸（20.8、17.8、14.8、11.8、8.8、5.8 mm）下的流速、通風(fēng)干擾度數(shù)據(jù)進行對比（如圖7 所示），觀察6 組模擬數(shù)值的變化趨勢，可以看出，網(wǎng)格間隙尺寸20.8～5.8 mm 范圍內(nèi)的曲線基本保持穩(wěn)定?？紤]仿真模擬的迭代次數(shù)及模擬仿真的可靠性，選用初始網(wǎng)格級別為4 級，空間內(nèi)三軸向網(wǎng)格間隙尺寸為14.8 mm。

圖7 不同網(wǎng)格間隙尺寸下流速及通風(fēng)干擾度數(shù)值對比

2.1.4 有限元模型全局求解目標設(shè)定

有限元模型全局求解目標為表面目標，以模擬出的表面數(shù)據(jù)來探討超凈工作臺不同高度的升降擋板對實驗人員的影響。本研究設(shè)定以下求解目標：（1）潔凈操作空間與大氣的通風(fēng)截面設(shè)置密封端面為第一求解約束目標，需通過有限元模擬出其通風(fēng)截面的通風(fēng)干擾度、風(fēng)速、通風(fēng)量；（2）風(fēng)機進風(fēng)口端面為第二約束求解目標，需要通過有限元模擬出其通風(fēng)截面的通風(fēng)干擾度、風(fēng)速、通風(fēng)量。

2.2 擋板開度氣動模擬

控制玻璃擋板與潔凈桌面的約束配合尺寸為150～275 mm（如圖8 所示），每25 mm 階梯遞增，累計共模擬6 組，按照6 組配合尺寸分別在潔凈操作空間與大氣的通風(fēng)截面設(shè)置密封端面。依照上述基礎(chǔ)邊界條件進行模擬分析，分別對150～275 mm 的擋板開度的流速、通風(fēng)量及通風(fēng)干擾度進行數(shù)據(jù)模擬。

圖8 擋板開度尺寸為150 及275 mm 時的垂直流超凈工作臺裝配體（單位：cm）

2.2.1 氣體通風(fēng)干擾度模擬數(shù)據(jù)

相較于三維空間內(nèi)的模擬量數(shù)據(jù)，切面等高線圖可將某一平面的數(shù)據(jù)體現(xiàn)得更為詳細，但對于空間內(nèi)的通風(fēng)干擾度模擬數(shù)值較為局限?，F(xiàn)基于高級細化通道的網(wǎng)格點對迭代后的模擬數(shù)據(jù)量進行空間內(nèi)流動軌跡處理，生成更具有氣體流動性的條帶狀靜態(tài)軌跡線。

在模擬限定邊界條件下進行通風(fēng)干擾度分析模擬后，可從切面等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖（如圖9～14 所示）中進行模擬數(shù)據(jù)取值分析。將6 組不同高度的密封端面作為求解目標，對6 組不同的通風(fēng)截面進行通風(fēng)干擾度的數(shù)據(jù)采集，結(jié)果見表1。

表1 不同擋板開度下通過有限元分析求解通風(fēng)干擾度結(jié)果

圖9 擋板開度為150 mm 模型右切面通風(fēng)干擾度等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

圖10 擋板開度為175 mm 模型右切面通風(fēng)干擾度等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

圖11 擋板開度為200 mm 模型右切面通風(fēng)干擾度等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

圖12 擋板開度為225 mm 模型右切面通風(fēng)干擾度等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

圖13 擋板開度為250 mm 模型右切面通風(fēng)干擾度等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

圖14 擋板開度為275 mm 模型右切面通風(fēng)干擾度等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

在通風(fēng)干擾度的等高線圖、靜態(tài)流動軌跡圖和模擬數(shù)值中，通風(fēng)干擾度均值隨超凈工作臺通風(fēng)截面的增大而減小，從30.391%降至20.667%。對照實際使用情況，實驗人員將擋板抬得越高內(nèi)腔氣流對實驗人員的干擾越小，但隨著通風(fēng)截面逐級遞增，通風(fēng)干擾度的變化速率趨于平緩。

2.2.2 氣體流速模擬數(shù)據(jù)

通風(fēng)干擾度仿真模擬步驟：將求解目標設(shè)定為有限元空間的流速，依次生成氣體流速等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖。

在模擬限定邊界條件下進行氣體流速分析模擬后，可從切面等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖（如圖15～20 所示）中進行模擬數(shù)據(jù)取值分析。將6 組不同高度的密封端面作為求解目標，對6 組不同的通風(fēng)截面進行氣體流速的數(shù)據(jù)采集，結(jié)果見表2。

表2 不同擋板開度下通過有限元分析求解流速結(jié)果

圖15 擋板開度為150 mm 模型右切面氣體流速等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

圖16 擋板開度為175 mm 模型右切面氣體流速等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

圖17 擋板開度為200 mm 模型右切面氣體流速等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

圖18 擋板開度為225 mm 模型右切面氣體流速等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

圖19 擋板開度為250 mm 模型右切面氣體流速等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

圖20 擋板開度為275 mm 模型右切面氣體流速等高線圖及靜態(tài)流動軌跡圖

在流速模擬數(shù)值中，流速均值隨超凈工作臺通風(fēng)截面的增大而減小，從0.610 m/s 降至0.343 m/s。對照實際使用情況，實驗人員將擋板抬得越高通風(fēng)截面的氣體流速越小，但隨著通風(fēng)截面逐級遞增，流速的變化速率趨于平緩。

2.2.3 氣體通風(fēng)量計算數(shù)據(jù)

不同擋板開度下的通風(fēng)截面通風(fēng)量數(shù)據(jù)可依照通風(fēng)量理論計算公式求出，公式中的截面流速為使用有限元模擬求解出的流速數(shù)據(jù)，結(jié)果見表3。

表3 不同擋板開度下求解通風(fēng)量結(jié)果

在氣體通風(fēng)量計算數(shù)值中，通風(fēng)量均值隨超凈工作臺通風(fēng)截面的增大先增大再減小，從362.340 m3/h增至376.002 m3/h 再回落至373.527 m3/h。對照實際使用情況，實驗人員將擋板抬至225 mm 高度時通風(fēng)截面的通風(fēng)量均值最大可達376.002 m3/h。

2.3 垂直流超凈工作臺有限元模擬分析

通過將潔凈操作空間與大氣的通風(fēng)截面作為變量進行的通風(fēng)干擾度、氣體流速及通風(fēng)量的有限元分析，在讀取不同高度擋板內(nèi)側(cè)表面求解數(shù)值參數(shù)的情況下，從模型模擬數(shù)據(jù)求解出的等高線及靜態(tài)軌跡圖中可以得出，通風(fēng)截面面積與氣體流速及通風(fēng)干擾度均成反比，潔凈操作空間與大氣的通風(fēng)截面越大，流速越慢，通風(fēng)干擾度越小，且隨通風(fēng)截面面積持續(xù)增加，變化速率均趨于平緩。在氣體通風(fēng)量的計算數(shù)據(jù)中，通風(fēng)量不同于流速及通風(fēng)干擾度的變化趨勢，通風(fēng)量在擋板開度尺寸為150～225 mm時為遞增趨勢，在擋板開度尺寸為225～275 mm 時為遞減趨勢，且增長變化速率明顯高于減小變化速率。

從模擬通風(fēng)量、流速、通風(fēng)干擾度數(shù)據(jù)三Y 軸柱狀-點線圖（如圖21 所示）中看出，在設(shè)定邊界條件風(fēng)機入口處為最大風(fēng)速0.6 m/s 時，隨著擋板開度增大至225 mm 時擋板內(nèi)側(cè)表面的通風(fēng)量達最大值，可以理解為在現(xiàn)有6 組邊界條件情況下，潔凈操作空間與大氣的通風(fēng)截面為0.248 m2時可達376.002 m3/h。

圖21 模擬通風(fēng)量、流速、通風(fēng)干擾度數(shù)據(jù)三Y 軸柱狀-點線圖

通過對潔凈空間與大氣的通風(fēng)截面的通風(fēng)干擾度、風(fēng)速、通風(fēng)量的模擬研究結(jié)果可以看出，在保證實驗人員受到通風(fēng)干擾相對較小且滿足要求的界面風(fēng)速的情況下，優(yōu)先選用通風(fēng)量最佳的通風(fēng)截面高度，即225 mm 的擋板開度尺寸。

3 結(jié)語

本文利用建模軟件SolidWorks 對垂直流超凈工作臺進行建模，并采用流體力學(xué)模擬軟件Flow Simulation 對其進行有限元模擬分析，在近乎貼合實際運行工況下以控制變量的方法進行模擬求解。通過一系列迭代求解，得出其模擬數(shù)據(jù)及模擬圖像，發(fā)現(xiàn)實驗人員將擋板開度的約束配合尺寸控制在225 mm時，即通風(fēng)截面面積為0.248 m2時通風(fēng)干擾相對較小，氣體流速適中，通風(fēng)量最佳，并且還能給予實驗人員一定的實驗活動空間。本次模擬論證作為相對基礎(chǔ)的探究，尚存在不足之處：利用模擬軟件進行探討分析的變量跨度較大；所模擬的超凈工作臺裝備的型號尺寸單一受限。因此后續(xù)可以在本次論證的基礎(chǔ)上，將約束配合尺寸進一步細化，有針對性地在尺寸225 mm 上下范圍內(nèi)進行模擬分析，并對多種型號尺寸的超凈工作臺分類探究和優(yōu)化，進一步為后續(xù)垂直流超凈工作臺所涉及的生產(chǎn)、研發(fā)領(lǐng)域提供有依據(jù)的幫助和參數(shù)。