基于CFD模擬不同流道結構對通風柜安全性能的影響

任冰冰 鄭大為

摘?要：通風柜是實驗室中最容易被誤解和被濫用的裝置，增大排風量和面風速保持0.5m/s與通風安全性能呈弱相關性，將CFD模擬的方法融入并研究現有標準通風柜流道對以后通風柜的設計合理化具有重要的意義。利用該方法，我們獲得了一種可靠的通風柜流道結構。本研究將三種標準通風柜流道結構和一種自設新型的流道結構進行CFD分析，數值分析內容從流速跡線、截面流速云圖、截面壓力云圖和截面空氣齡云圖四個指標綜合對通風柜的保護性能進行評估，并得出以下結論：流道1號，3號渦流存在于前視窗面且空氣齡為22.5s和20s，渦流圈數為3圈和2圈，有害氣體逃逸率較高；流道2號渦流存在于腔內上中部，圈數3圈，空氣齡為13s，流道4號渦流存在于上中兩側，遠離視窗面，渦流圈數為1圈，最大空氣齡為8.2s。安全保護性能排序為4號＞2號＞3號≥1號，最終，設計的新型流道結構4號呈現優越的通風性能和保護性能，得到了一種可靠的新型通風柜流道結構，旨在對通風柜流道結構設計合理化的提供參考。

關鍵詞：通風柜；流道結構；CFD數值模擬；湍流；空氣齡（SVES）

通風柜作為重要的安全捕集有害氣體的裝置，對于維持可接受的實驗室空氣質量和防止科研人員接觸潛在的有害物質至關重要，然而，通風柜卻是實驗室中最容易被誤解和濫用的裝置。

隨著面風速概念的提出，就與通風柜安全性能畫上了極強的相關性，長期以來，在生產者和使用者的慣性思維中，測試到安全范圍內的平均面風速即可定義該通風柜是安全的［12］，隨著該領域研究的不斷深入，面風速和通風柜之間極強的關聯性被質疑，研究結果表明：通風柜的面風速與實驗人員缺乏關聯性，繼而，通風柜安全性能的好壞不能只由面風速來評判［3］。通風柜工作腔內和視窗之間存在大量的湍流，并且產生邊界層，大尺度的柜內渦流會增加氣體的彌散，柜內流道結構會導致強渦流的產生，因此有害氣體的泄漏率也會相應增大［4］。在通風柜工作腔內，邊界層分離是局部區域氣流的復雜流動現象。氣流經過具有非流線型表面或邊緣的結構時，產生的逆壓可能導致靠近壁面的氣流向上游移動，由此導致了最初附著在結構表面的附面層與表面分離［5］。導流板是常規用到的工作腔內部流道的設計元素，可以減少泄漏和邊界層分離的影響［6］。以空氣動力學原理，結合CFD數值模擬的方法，設計出新型門框結構可以有效地減少空氣邊界層的分離，避免視窗后渦旋產生，通風柜通風效率和安全性也得到了提升［7］。空氣年齡（SVE3）、凈逸出速度（NEV）和局部吹掃流量（LPFR），通過這三個指標，可以定量評價通風柜內形成的污染物濃度的分布，并且在通風柜前僅有一名研究人員時，研究人員的存在并不會顯著影響通風柜開口面的有害氣體的捕獲效率，而循環氣流流量和方式，對于空氣齡的和有害氣體的分布形成起主導作用［8］。此外，在Chip?Allbright所著Laboratory?Fume?Hoods?Explained一書中也提及，評價一個優質通風柜的重要指標之一就是湍流圈數，導流結構對于排風性能起到關鍵的作用。

本文將基于CFD數值模擬的方式，對通風柜工作腔內湍流特性、邊界層和空氣齡等參數進行比對分析，比對對象為不同通風柜3款標準和1款新型的流道結構設計，旨在對通風柜流道結構設計的合理化提供參考。

1?通風柜數值模型

流道模型建立。本次選取的研究對象為市面上3個標準通風柜流道結構和1個設計新型流道結構，標準外形尺寸（L×W×H）為1.8m×1.0m×2.4m，因生產工藝不同或有微小偏差。利用CAD三維建模軟件，進行模型建立，如圖1所示。

對于通風柜，氣流從前置1.72m×0.5m的操作口進入柜體，從柜頂排風口排出。其柜內氣流滿足流體動力學定律，故可以根據流體力學相關的理論知識區分析其動態模型。流體力學基本的方程包括質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程。根據各種形式的方程對柜內氣流狀態進行描述，并用element?quality法對網格質量進行檢查，網格劃分滿足基準結果和指南的標準，網格劃分質量良好，網格數分別為5225462、5251102、5473921、5466559個。

（a）1號柜模???????（b）2號柜模型???????（c）3號柜模型???????（d）4號柜模型

圖1

2?對比結果分析

數值分析。本次數值模擬不包含溫度場分析，也不存在冷熱源，故將整個模型研究條件設置為常溫常壓，設置常壓壓力101325Pa，常溫環境溫度為298K。依據正常實驗室設計條件設置初始條件，排風口管道壓力150Pa，排風風量為1620m3/h，方向垂直于排風口，送風口送風風速為0.5m/s，模型視窗最大開合高度0.5m。模擬計算結果提取工作腔內流速跡線圖2，如下所示：

（a）1號???????（b）2號???????（c）3號???????（d）4號

圖2?腔內流速跡線圖

觀察整體流速跡線圖中渦旋圈數，流道14的圈數分別為3、3、2、1圈；對比模型14號腔內流速跡線圖，我們可以發現，工作腔內導流結構雖為對稱結構，但其中產生的湍流大小和位置均顯示為隨機性分布，高度分布在距工作平面高0.9m的截面上，與結構對稱性聯系呈相關分布，由此我們可以得出以下結論：

（a）流道1號工作腔右側存在積聚較重的湍流渦旋，且觀察視窗面，有較多氣流從上往下流經視窗壁面。

（b）流道2號湍流分布雖比較均勻，但渦流呈縱向分布，橫向氣流旋轉的同時接觸視窗面。

（c）流道3號整體氣流分布均勻，中心存在縱向渦流，左側存在橫向渦流，接觸視窗面的氣流呈現在中部和左側。

（d）流道4號整體氣流分布均勻，左邊大渦流和右邊小渦流呈后傾趨勢，與視窗接觸較少。

結合腔內整體速度跡線圖和分析結果粗略來看，流道1號和2號湍流影響較大，3號和4號湍流影響較小。帶著暴露的問題，我們具體分析流速跡線截面分布圖，如圖3所示：

（a）1號???????（b）2號???????（c）3號???????（d）4號

圖3?流速截面圖

經過4張流速截面S1、S2的數據對比顯示，我們可以得出：流道1號和3號，在柜前視窗面前地區流速有幾近于0m/s的渦旋中心存在，有可能造成有害氣體在視窗部位逃逸，流道2號在視窗卡角處存在流速較小區域，對于有害氣體逃逸影響較小，流道4號的渦旋主要分布在柜體靠后的2端，渦旋遠離視窗面，有害氣體逃逸影響較小。

單純地看渦旋的速度場不足以全面解釋柜內有害氣體逃逸的可能，還需結合柜內的空氣齡指標印證通風柜流道的安全性能，在相同的對比條件下，依然取相同參考平面，觀察柜體內部空氣齡的分布如圖4所示：

（a）1號?（b）2號?（c）3號?（d）4號

圖4?空氣齡截面圖

觀察圖4流道4個不同空氣齡截面分布顯示，我們可以得出以下結論：

（1）流道1號較長的空氣齡聚集在了前端視窗壁面處，其空氣齡長達22.5s。

（2）流道2號較長的空氣齡聚集在了后端，其空氣齡長達13s。

（3）流道3號較長的空氣齡聚集在了前端視窗壁面處，其空氣齡長達20s。

（4）流道4號較長的空氣齡聚集在了腔內左右兩處，并未貼合視窗壁面，其空氣齡長達8.2s。

綜上所述，對比通過對流速跡線圖、速度云圖、壓力云圖和空氣齡云圖的數據結果，分析歸納后得出數據如下表所示：

3?結論與展望

本研究將三種標準通風柜流道結構和一種新型的流道結構進行CFD分析，數值分析內容從流速跡線、截面流速云圖、截面壓力云圖和截面空氣齡四個層面指標綜合對通風柜的保護性能進行評估，并得出以下結論：

（1）從氣流分布均勻程度來看，流道1號和流道3號均呈現“前小后大”，不利于有害氣體排出的反向流速分布，工作腔前部貼合視窗部位流速較小，有助于有害氣體逃逸；流道2號和流道4號速度云圖呈現前后均勻分布，性能良好。

（2）從流速和壓力云圖來看，流道1號和3號在靠近視窗區域存在著較大渦旋，渦旋的產生降低了通風柜的保護性能，增大了有害氣體的泄漏率；流道2號渦旋存在于腔內上中部，流道4號渦旋存在于腔內上中兩側，均離視窗較遠，有害氣體前視窗的泄漏率較低。

（3）從空氣齡云圖來看，流道1～4號呈現窗面時間分別為15.7s、11s、12.5s、7.2s，最長時間為22.5s、13s、20s、8.2s；流道1號和3號長齡分布位置為貼合視窗前部，流道2號存在于上中后部，流道4號存在于上中兩側。

綜上所述，分析以上參數對比后，可以得出保護性能排序：4號＞2號＞3號≥1號，設計的新型流道結構4號呈現了優越的通風性能和保護性能；本文在同條件下對比了3種標準通風柜后，得到了一種可靠的新型通風柜流道結構，旨在對通風柜流道結構設計的合理化提供參考。

參考文獻：

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［3］First，Melvin?W.Laboratory?chemical?hoods：a?historical?perspective.AIHA?Journal64.2（2003）：251259.