工藝布置對輻流潔凈室氣流場和污染物濃度的影響研究

范衛軍，郭春梅，張麗璐

（天津城建大學 天津300384）

輻流潔凈室作為一種高效節能的潔凈室，由于氣流組織的實施效果問題，影響了其應用。Morrison[1]研究了潔凈室污染物粒子分布的影響因素，總結了潔凈室內氣流組織形式、室內塵源分布、室外污染氣流滲入等對室內粒子濃度分布的影響。魏學孟等[2-3]對輻流潔凈室氣流組織和污染物濃度分布進行了數值模擬和實驗研究，總結了靜態條件下輻流潔凈室內氣流的流動特性和污染物濃度的分布規律。周祖東[4]針對輻流潔凈室二維流場進行數值模擬，首次采用了大渦模擬技術進行模擬研究，該種方法的模擬結果可以指導設計空態條件下輻流潔凈室的送風口半徑、回風口高度、送風速度等參數，使其達到合理范圍。常茹等[5]研究了將輻流潔凈室用于醫院潔凈病房內的潔凈度及其相關影響因素。

本文采用 Airpak模擬軟件對工藝和人員布置不同情況下的輻流潔凈室內氣流組織的速度場和污染物濃度場進行了數值模擬，研究其在工藝布置相對固定的工業潔凈室中的應用效果。

1 物理模型

根據實驗條件，本次模擬的實驗室模型為潔凈度要求達到 ISO6級的電子工業廠房，室內設施及人員的布置采用了2種方案：方案1工作臺沿送風氣流方向呈長條型布置，人員分別設置在工作臺兩側；方案2工作人員均勻分布于工作臺四邊，如圖1所示。

圖1 輻流潔凈室物理模型Fig.1 Physical model of spot-flow cleaning chamber

潔凈室、工作臺及人員等的結構參數設置如表 1所示，將工藝設備和人員均簡化為塊狀處理。

表1 潔凈室各項結構參數設置Tab.1 Structure parameters of the cleaning room

2 數學模型

根據潔凈室設計規范，在潔凈室內的湍流脈動頻率[6]在千赫茲數量級內，各類潔凈室氣流速度通常均在 0.1m/s以上，微粒幾乎以完全相同的速度跟隨氣流運動。ISO6級設計換氣次數為 50～60次/h，模擬中取 60次/h。取潔凈室內溫度為 25℃，相對濕度為55%，污染物初始濃度為0。

本文采用 Airpak數值模擬軟件，采用標準 K-ε兩方程模型。連續相的計算采用求解流場控制方程的方式完成，控制方程包括質量守恒方程和動量守恒方程[7]，分別如公式（1）和（2）所示。

式中：ρ為流體的密度；Sm為源項，即從分散的二級相中加入到連續相的質量。

式中：gi和iF分別為i方向上的重力體積力和外部體積力；p為靜壓；τij為應力張量：

這里予以如下簡化和假設：①室內氣流為不可壓縮常物性牛頓流體，穩態流動，且滿足 Bussinesp近似（密度變化不是很大的變密度流動）；②送風氣流溫濕度與室內空氣狀態點相同；③忽略建筑圍護結構冷熱負荷作用；④模擬工作人員身著潔凈服裝配零件的操作過程，手腕自由運動狀態，每人產塵量取2.98×105粒/min，折算成計重濃度為 10×10-7g/s[8]，為了模擬人員均勻產塵的過程，將塵源設置為扁平的長方體因素并置于人員正面。

3 數值模擬與分析

在工作平面（z＝0.8m）和人員呼吸平面（z＝1.3m）2個平面上，分別選取 6個監測點，其中 1～6為工作平面監測點，7～12為呼吸平面監測點，進行2種方案速度場和污染物濃度場的對比分析。

圖 2為 2種方案下速度值對比分析結果。在相同的換氣次數下，方案1和方案2在工作平面、呼吸平面和兩個平面平均速度值分別為 0.035、0.103、0.069m/s和 0.023、0.095、0.059m/s，方案 1 較方案 2的速度增量分別為52%、8%和17%。

圖2 不同方案速度值對比Fig.2 Comparison of speed values for different scenarios

圖3表明：在工作平面上，方案1和方案2的平均濃度分別為0.0004、0.0006mL/m3，方案2污染物濃度增加了50%；在呼吸平面上，方案1和方案2的平均濃度分別為0.0004、0.0005mL/m3，方案2污染物濃度增加了 25%。方案 2在兩個平面總平均濃度增量為25%。

圖3 不同方案污染物濃度值對比Fig.3 Comparison of pollutant concentrations by option

污染物濃度分布與氣流的速度分布是極為相似的，方案1比方案2的速度值高，對污染物的排除效果好，污染物濃度值低。兩者的換氣次數相同，而方案2由于室內設施和人員對于氣流的遮擋作用，影響了氣流組織效果，進而影響了室內的潔凈度。輻流潔凈室的送、回風口安裝位置一定要根據工藝設施和人員布局合理設計，對于工藝設施和人員經常變換的場合不適合采用輻流的氣流組織形式。

4 結論與探討

本文采用計算流體力學軟件，對2種方案的工藝和人員布置下的工業類輻流潔凈室內速度場和污染物濃度場進行了數值模擬，在工作平面和呼吸平面選取監測點進行了速度值和污染物濃度值分析。

①污染物濃度分布與氣流的速度分布是極為相似的，顆粒物在潔凈室內主要受到氣流力的作用，所以氣流組織對潔凈室污染物分布起到決定性作用。

②在其他條件均相同的情況下，對2種工藝和人員布置方案下的氣流場和污染物濃度場的模擬分析表明，方案 2由于工藝和人員對氣流的遮擋，造成工作面的速度值比方案 1低 17%，污染物濃度值比方案1增高25%。

③輻流潔凈室理想的氣流流型是在送回風口之間的工作區域形成單向流，將污染物排出，其他區域為非單向流。如果單向流的氣流組織不能實施，則潔凈度就受到了影響。因此，輻流潔凈室的送、回風口安裝位置一定要根據工藝設施和人員進行合理設計，對于工藝設施和人員經常變換的場合不適合采用輻流的氣流組織形式。