工艺布置对辐流洁净室气流场和污染物浓度的影响研究

范卫军，郭春梅，张丽璐

（天津城建大学 天津300384）

辐流洁净室作为一种高效节能的洁净室，由于气流组织的实施效果问题，影响了其应用。Morrison[1]研究了洁净室污染物粒子分布的影响因素，总结了洁净室内气流组织形式、室内尘源分布、室外污染气流渗入等对室内粒子浓度分布的影响。魏学孟等[2-3]对辐流洁净室气流组织和污染物浓度分布进行了数值模拟和实验研究，总结了静态条件下辐流洁净室内气流的流动特性和污染物浓度的分布规律。周祖东[4]针对辐流洁净室二维流场进行数值模拟，首次采用了大涡模拟技术进行模拟研究，该种方法的模拟结果可以指导设计空态条件下辐流洁净室的送风口半径、回风口高度、送风速度等参数，使其达到合理范围。常茹等[5]研究了将辐流洁净室用于医院洁净病房内的洁净度及其相关影响因素。

本文采用 Airpak模拟软件对工艺和人员布置不同情况下的辐流洁净室内气流组织的速度场和污染物浓度场进行了数值模拟，研究其在工艺布置相对固定的工业洁净室中的应用效果。

1 物理模型

根据实验条件，本次模拟的实验室模型为洁净度要求达到 ISO6级的电子工业厂房，室内设施及人员的布置采用了2种方案：方案1工作台沿送风气流方向呈长条型布置，人员分别设置在工作台两侧；方案2工作人员均匀分布于工作台四边，如图1所示。

图1 辐流洁净室物理模型Fig.1 Physical model of spot-flow cleaning chamber

洁净室、工作台及人员等的结构参数设置如表 1所示，将工艺设备和人员均简化为块状处理。

表1 洁净室各项结构参数设置Tab.1 Structure parameters of the cleaning room

2 数学模型

根据洁净室设计规范，在洁净室内的湍流脉动频率[6]在千赫兹数量级内，各类洁净室气流速度通常均在 0.1m/s以上，微粒几乎以完全相同的速度跟随气流运动。ISO6级设计换气次数为 50～60次/h，模拟中取 60次/h。取洁净室内温度为 25℃，相对湿度为55%，污染物初始浓度为0。

本文采用 Airpak数值模拟软件，采用标准 K-ε两方程模型。连续相的计算采用求解流场控制方程的方式完成，控制方程包括质量守恒方程和动量守恒方程[7]，分别如公式（1）和（2）所示。

式中：ρ为流体的密度；Sm为源项，即从分散的二级相中加入到连续相的质量。

式中：gi和iF分别为i方向上的重力体积力和外部体积力；p为静压；τij为应力张量：

这里予以如下简化和假设：①室内气流为不可压缩常物性牛顿流体，稳态流动，且满足 Bussinesp近似（密度变化不是很大的变密度流动）；②送风气流温湿度与室内空气状态点相同；③忽略建筑围护结构冷热负荷作用；④模拟工作人员身着洁净服装配零件的操作过程，手腕自由运动状态，每人产尘量取2.98×105粒/min，折算成计重浓度为 10×10-7g/s[8]，为了模拟人员均匀产尘的过程，将尘源设置为扁平的长方体因素并置于人员正面。

3 数值模拟与分析

在工作平面（z＝0.8m）和人员呼吸平面（z＝1.3m）2个平面上，分别选取 6个监测点，其中 1～6为工作平面监测点，7～12为呼吸平面监测点，进行2种方案速度场和污染物浓度场的对比分析。

图 2为 2种方案下速度值对比分析结果。在相同的换气次数下，方案1和方案2在工作平面、呼吸平面和两个平面平均速度值分别为 0.035、0.103、0.069m/s和 0.023、0.095、0.059m/s，方案 1 较方案 2的速度增量分别为52%、8%和17%。

图2 不同方案速度值对比Fig.2 Comparison of speed values for different scenarios

图3表明：在工作平面上，方案1和方案2的平均浓度分别为0.0004、0.0006mL/m3，方案2污染物浓度增加了50%；在呼吸平面上，方案1和方案2的平均浓度分别为0.0004、0.0005mL/m3，方案2污染物浓度增加了 25%。方案 2在两个平面总平均浓度增量为25%。

图3 不同方案污染物浓度值对比Fig.3 Comparison of pollutant concentrations by option

污染物浓度分布与气流的速度分布是极为相似的，方案1比方案2的速度值高，对污染物的排除效果好，污染物浓度值低。两者的换气次数相同，而方案2由于室内设施和人员对于气流的遮挡作用，影响了气流组织效果，进而影响了室内的洁净度。辐流洁净室的送、回风口安装位置一定要根据工艺设施和人员布局合理设计，对于工艺设施和人员经常变换的场合不适合采用辐流的气流组织形式。

4 结论与探讨

本文采用计算流体力学软件，对2种方案的工艺和人员布置下的工业类辐流洁净室内速度场和污染物浓度场进行了数值模拟，在工作平面和呼吸平面选取监测点进行了速度值和污染物浓度值分析。

①污染物浓度分布与气流的速度分布是极为相似的，颗粒物在洁净室内主要受到气流力的作用，所以气流组织对洁净室污染物分布起到决定性作用。

②在其他条件均相同的情况下，对2种工艺和人员布置方案下的气流场和污染物浓度场的模拟分析表明，方案 2由于工艺和人员对气流的遮挡，造成工作面的速度值比方案 1低 17%，污染物浓度值比方案1增高25%。

③辐流洁净室理想的气流流型是在送回风口之间的工作区域形成单向流，将污染物排出，其他区域为非单向流。如果单向流的气流组织不能实施，则洁净度就受到了影响。因此，辐流洁净室的送、回风口安装位置一定要根据工艺设施和人员进行合理设计，对于工艺设施和人员经常变换的场合不适合采用辐流的气流组织形式。