基于CFD的高校實驗室通風優化模擬研究

謝 鋒

(1.浙江水利水電學院，浙江 杭州 310018；2.浙江省農村水利水電資源配置與調控 關鍵技術重點實驗室，浙江 杭州 310018)

0 引言

高校實驗室作為科研教學的實踐基地，既是研究人員開展科學研究，也是培訓本科生、研究生實驗能力及專業技能的重要場所。實驗室安全直接影響著實驗室的發展速度和規模，影響著實驗室教學科研的研究成果和水平[1]。實驗室安全涉及人身、設備、危化品、病原體、防火、防爆、輻射、保密等諸多方面。隨著高校的快速發展，辦學規模的不斷擴大，實驗室安全問題也日益嚴峻。近年來，高校實驗室安全事故頻出，輕者造成實驗儀器、設施損毀，實驗進展終止，重者造成實驗人員傷亡。統計分析表明，實驗室發生事故往往都是管理不善、措施不力、操作不當或認識不夠所致[2]。為了提高實驗室安全，學者們從管理制度[3]、技術手段[4]、實驗室設計[5]等方面開展研究。本文從節能環保的角度，通過CFD數值模擬方法研究自然通風條件下，實驗室內部空氣流動的改善方法，為實驗室安全設計提供參考依據。

1 通風設計方案

本研究的對象是浙江省農村水利水電資源配置與調控關鍵技術重點實驗室下設的河湖水生態修復實驗室。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測點布置

通風主要的目的是提供安全、舒適的工作環境。設計主要采用自然通風，利用室內、室外空氣壓差形成氣流。為了驗證通風設計方案的有效性，在實驗室內設置6個監測點，如圖1所示。實驗室通風方案共設置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部空氣流動的影響。

表1 實驗室通風設計方案對比

2 CFD模型的建立

2.1 求解控制方程

當實驗室內風速不高時，空氣流動處于低雷諾數工作區域，此時空氣可假設為不可壓縮流體，且在流動過程中不與外界發生熱量交換，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；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 計算條件及網格劃分

當通風量恒定時，實驗室內部的空氣流動狀態基本恒定。初始狀態時，實驗室內部沒有擾動，空氣的流動最終會趨于穩定。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，夏季的自然風速度在1.0～5.0 m/s，室內風速度在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，所以入口風速設為1.5 m/s，出口或開窗的邊界設為大氣壓，其他位置邊界設置為壁面。

考慮到要兼顧效率和精度，研究采用三角網格，基礎網格尺寸0.05 m，目標網格尺寸0.05 m，最小網格尺寸0.005 m，相鄰網格增長率1.2，邊界層數量3，邊界層增長率1.15，邊界層總厚度0.016 65 m。經過三輪迭代，網格質量大于0.8的網格約占總數的95.3%。最終，網格面42 966個、向量17 818個、網格27 319個。

3 模擬結果分析

方案1見圖2(a)。空氣由入口進入前處理室，監測點1速度為1.70 m/s，由于窗都未開啟，監測點4和監測點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 實驗室通風設計方案CFD模擬結果

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，其他條件一樣。前處理室、稱量室、精密分析室流動狀態與方案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門的開啟角度，不能有效改善實驗室內部空氣環境。

方案3見圖2(c)。稱量室北面新開設一個窗，室門45°半開啟，打開精密分析室小窗和理化室窗。實驗室內部最大風速雖僅為2.00 m/s，但是流動并不均勻。空氣進入精密分析室后，沒有在內部循環，直接由小窗流出。空氣進入理化室主要向南流動，監測點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)。當精密分析室和稱量室門以30°半開啟時，對空氣具有引導作用，室內空氣流動改善。理化室實驗臺相距0.25 m時，空氣分為三股。通過調整，實驗室內空氣流動均勻，空氣最大流速2.41 m/s，監測點速度在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 結語

從節能環保的角度，考慮使用自然通風方式，通過改變室內門窗開閉角度和實驗設備布置方式，可以優化實驗室內的空氣環境。門窗的開啟并不是越大越好，需要驗證確定布置方式。當精密分析室門30°半開啟、稱量室門30°半開啟、理化室門90°全開啟、精密分析室小窗關閉、精密分析室大窗開啟、稱量室窗開啟、理化室窗關閉、實驗臺間距0.25 m時，監測點風速由0.01～6.82 m/s調整為0.66～1.72 m/s，空氣流動更為均勻，各房間內空氣循環良好，保證了實驗室的通風安全。