柜门对排风柜污染物控制效果影响的模拟分析

林栋炫

福建省建筑科学研究院有限责任公司

0 前言

化学实验操作工程中产生的有害物质若不能迅速排出，会危害化学实验操作人员身体健康[1-2]。排风柜是化学实验室内重要的排风设备[3]。许多学者采用计算流体力学（CFD）方法对排风柜气流组织进行研究。学者Lan 等人[4]模拟研究了柜门高度及面风速对气流形态的影响。结果表明，增大柜门高度，操作人员前方的低速区会上移并接近呼吸区，不利于排风柜对呼吸区污染物控制。Kirkpatrick 等人[5]在柜内外有障碍物情况下，对不同柜门高度下的流型进行仿真。结果显示，在柜门下侧边缘位置与柜内障碍物前方出现污染物滞留。Hu 等人[6]采用CFD 数值模拟方法，研究了有旁通风口时，柜门高度对柜内气流分布的影响。结果显示，柜门高度的改变并不会对旋涡的形态产生显著影响，但会影响旋涡区域的位置。

本文以变风量排风柜为研究对象，采用Realizable k-ε 湍流模型对排风柜柜门附近的气流场进行三维模拟仿真，对柜门水平开度，柜门竖直开度和面风速的影响进行研究，就柜门水平开度和竖直开度影响排风柜污染物控制效果的机理进行分析。基于CFD 模拟结果，将操作窗口最大浓度和呼吸区控制浓度作为排风柜污染物控制效果的量化评价指标，分析柜门对排风柜污染物控制的影响，可为排风柜的优化设计提供参考。

1 数值模拟方案

1.1 几何模型及边界条件

排风柜及测试室的仿真模型以真实排风柜及测试室为原型建立。如图1 所示，两个1/4 圆弧形的送风口在测试室内靠墙对称放置，送风口高0.7 m，半径0.5 m，底部距地面0.8 m。排风柜在测试室内紧贴送风口对面墙面放置，尺寸为1500 mm（长，X）×950 mm（宽，Y）×2600 mm（高，Z），内部空间深度0.765 m，操作台面距地面0.95 m。人体模型身高1.68 m，肩宽0.4 m。参照ASHRAE110(2016)，将距离操作台面550 mm，距离操作窗口75 mm 位置定义为人体的呼吸区[7]。送入测试室的空气全部通过排风柜排出，排风口尺寸0.25 m。

模拟计算边界条件设置如表1 所示。两个弧形送风口视作均匀速度送风入口。出口处采用压力边界条件，出口相对压力为0。研究中定义示踪气体SF6 作为污染物，污染源以ASHRAE110(2016)的引射器为原型。计算中添加组分源项定义污染物释放量。测试室的壁面，排风柜壁面及假人模型均采用无滑移固体壁面边界条件，并采用第二类边界条件，传热量视作0，无质量运输。对于的固体壁面近壁区，采用标准壁面函数处理。

表1 计算边界条件设置

1.2 数值计算模型

数值模拟对象为化学实验室内的流场，假设空气为不可压缩气体，采用稳态模拟，本文采用Realizable k-ε 湍流模型封闭湍流方程，并基于有限体积法进行数值求解。采用SIMPLE 算法对压力和速度进行求解，计算中的湍流方程，能量方程以及组分方程按二阶上风差分的方式进行离散。当各求解变量的残差同时小于10-3且流场内的速度、浓度随迭代不再发生改变时认为计算已经收敛。

1.3 网格无关性分析与模型可靠性验证

采用粗、中、细三套不同数量的网格计算，进行网格独立性检验。网格独立性检验的计算工况为：水平开度1200 mm，竖直开度600 mm，面风速0.4 m/s，检验参数为排风柜操作窗口的面风速，检验结果如图2所示。中等网格与精细网格的计算结果基本重合。认为中等网格与精细网格计算结果之间的差异可以接受，并按照中等网格的网格尺寸计算其余工况。

图2 三套网格面风速计算结果同实验数据对比

将操作窗口水平开度1200 mm，竖直开度600 mm，面风速0.4 m/s 的运行工况的实测面风速同计算面风速对比，验证计算模型的可靠性对比结果见图2。从图中可以看出，模拟计算结果的面风速与实测面风速基本吻合。

2 结果与讨论

2.1 柜门水平开度对流场的影响分析

保持排风柜面风速和竖直开度不变，仅改水平开度的大小，以研究柜门水平开度对柜内气流组织的影响。三种不同柜门水平开度中部纵截面的气流组织如图3 所示。矢量图颜色反映垂直操作窗口方向速度大小（Z 方向）。在排风柜外，由于假人模型的遮挡作用，假人模型正前方的气流以平行于操作窗口的方向（Y方向）向操作窗口汇集。气流汇集过程中，Y 方向的速度逐渐减小，Z 方向的速度逐渐增大。在排风柜内，当水平开度为400 mm 时，气流经过操作窗口流入排风柜后，方向与操作窗口垂直，气流具有较大的Z 方向速度。随着水平开度增大，排风量增大，上部排风孔的作用增强，操作窗口上侧的气流Y 方向的速度增大，Z方向的速度减弱。Z 方向速度越小，对柜内污染物向操作窗口扩散的控制能力越弱。

图3 排风柜内外流场对比

三种水平开度下，中部纵截面上排风柜内部距离操作窗口50 mm 处的线段M50，如图4（a）所示。该线段上的污染物浓度分布、Z 方向速度分布以及Y 方向速度分布如图4（b）～图4（d）所示。可以看出，在线段M50上，400 mm 水平开度的示踪气体浓度整体上小于800 mm 水平开度和1200 mm 水平开度下的示踪气体浓度，Z 方向的速度整体上随着水平开度的增大而减小，Y 方向的速度整体上随着水平开度的增大而增大。说明水平开度的变化引起人体前方垂直柜门速度大小发生改变，是排风柜污染物控制效果体现出差异的主要原因。

图4 线段M50 上示踪气体浓度、速度Y、速度Z 随高度的变化

2.2 柜门竖直开度对流场的影响分析

图5 是水平开度1200 mm，面风速0.4 m/s 工况下下，房间中部纵截面上（X=0）排风柜内外的气流矢量图。在排风柜外，由于柜前模拟假人的存在，在假人遮挡区域，气流上下两个方向流入。从下方吸入的气流，在向上流入过程中，垂直操作窗口方向（Z 方向）的速度逐渐增大，平行操作窗口方向（Y 方向）速度逐渐减小，在工作台面上形成了明显的小型涡流。从上方吸入的气流，在向下过程中，同样Z 方向的速度逐渐增大，Y 方向的速度逐渐减小。两股气流最终在操作窗口上交汇，并向排风柜的后上方流动。通过操作窗口的气流速度方向并不再垂直于操作窗口，而是向上倾斜。这意味着在该截面上，柜内污染源至操作窗口区域内Z 方向的速度被弱化了。从图中可以看出，随着柜门上移，受到人体遮挡影响而被弱化了Z 方向速度的区域逐渐扩大，并靠近人体呼吸区。

图5 不同竖直开度柜内外流场

2.3 不同柜门开度污染物控制效果对比分析

本文将操作窗口最大浓度Cw,max和呼吸区浓度C作为评价指标，模拟计算不同柜门开度和面风速下的Cw,max和C，采用正交实验方法设置计算工况分析柜门水平开度，柜门竖直开度以及面风速三个因子对排风柜污染物控制效果的影响。每个因子取三个水平，因子水平表如表2 所示。考虑因子间的两两交互作用，选用正交表L27（313）设置计算工况并对计算结果进行分析，计算结果如表3 所示。

表2 因子水平表

表3 各因子水平计算结果

图6 各因子对Cw,max 影响的趋势图

图7 各因子对C 影响的趋势图

观察各因子的R 值可以看出，对于指标Cw,max，柜门水平开度的影响最为显著，面风速的影响次之，竖直开度的影响最小。对于指标C，柜门竖直开度的影响最为显著，水平开度的影响次之，面风速的影响最小。图6、图7 分别为各因子对指标Cw,max和指标C 的影响趋势图。随着柜门水平开度和竖直开度的增大，Cw,max减小，C 增大。随着面风速的增大，Cw,max减小，C 减小。

随着水平开度增大，Cw,max下降明显，C 也显著上升。可见，降低柜门的水平开度虽然能够降低C，提升排风柜对呼吸区污染物控制效果，但是Cw,max也增大了，污染物在干扰条件下从柜内逸出的风险随之提高。竖直开度对Cw,max和C 虽然有着与水平开度相似的影响趋势，但竖直开度对Cw,max的影响相对更弱，且当柜门竖直开度由600 mm 下降至500 mm，Cw,max没有明显变化，C 出现了显著下降。因此，在本例中将柜门竖直开度控制在500 mm 是较优的控制方案。综合考虑Cw,max与C 两项指标，在变风量排风柜运行过程中不建议对柜门水平开度进行调节，建议将柜门竖直开度控制在最优开度500 mm 附近。

3 结论

本文基于CFD 对变风量排风柜的气流组织形式进行了三维仿真分析，分析了柜门水平开度和柜门竖直开度对排风柜气流场的影响，并采用柜门最大浓度Cw,max和呼吸区浓度C 两个指标对比分析了柜门水平开度，柜门竖直开度和面风速对排风柜污染物控制效果的影响规律，主要结论如下：

1）定面风速条件下，增大柜门水平开度会恶化排风柜对呼吸区的污染物控制效果。水平开度的变化引起柜内气流速度方向发生改变。随着水平开度的增大，人体前方的Z 方向（垂直操作窗口方向）速度减弱，是导致排风柜对呼吸区污染物控制效果随着水平开度的增大而减弱的原因。

2）定面风速条件下，增大柜门竖直开度会恶化排风柜对呼吸区的污染物控制效果。随着柜门上移，操作窗口被人体遮挡的区域逐渐扩大，并靠近人体呼吸，是导致排风柜对呼吸区污染物控制效果随着竖直开度的增大而减弱的原因。

3）对于指标Cw,max，柜门水平开度的影响最为显著，面风速的影响次之，竖直开度的影响最小。对于指标C，柜门竖直开度的影响最为显著，水平开度的影响次之，面风速的影响最小。综合呼吸区的控制浓度（C）和操作窗口最大浓度（Cw,max）两项指标，变风量排风柜运行过程中建议优先考虑对柜门竖直开度进行控制，并将柜门竖直开度控制在最优位置（500 mm 附近）。