基于CFD的高校实验室通风优化模拟研究

谢 锋

(1.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018；2.浙江省农村水利水电资源配置与调控 关键技术重点实验室，浙江 杭州 310018)

0 引言

高校实验室作为科研教学的实践基地，既是研究人员开展科学研究，也是培训本科生、研究生实验能力及专业技能的重要场所。实验室安全直接影响着实验室的发展速度和规模，影响着实验室教学科研的研究成果和水平[1]。实验室安全涉及人身、设备、危化品、病原体、防火、防爆、辐射、保密等诸多方面。随着高校的快速发展，办学规模的不断扩大，实验室安全问题也日益严峻。近年来，高校实验室安全事故频出，轻者造成实验仪器、设施损毁，实验进展终止，重者造成实验人员伤亡。统计分析表明，实验室发生事故往往都是管理不善、措施不力、操作不当或认识不够所致[2]。为了提高实验室安全，学者们从管理制度[3]、技术手段[4]、实验室设计[5]等方面开展研究。本文从节能环保的角度，通过CFD数值模拟方法研究自然通风条件下，实验室内部空气流动的改善方法，为实验室安全设计提供参考依据。

1 通风设计方案

本研究的对象是浙江省农村水利水电资源配置与调控关键技术重点实验室下设的河湖水生态修复实验室。实验室总面积约90 m2，包括前处理室、称量室、理化室和精密分析室，如图1所示。

图1 实验室功能划分和监测点布置

通风主要的目的是提供安全、舒适的工作环境。设计主要采用自然通风，利用室内、室外空气压差形成气流。为了验证通风设计方案的有效性，在实验室内设置6个监测点，如图1所示。实验室通风方案共设置4组，方案对比如表1所示，主要考虑门、窗和实验台的布置方式对实验室内部空气流动的影响。

表1 实验室通风设计方案对比

2 CFD模型的建立

2.1 求解控制方程

当实验室内风速不高时，空气流动处于低雷诺数工作区域，此时空气可假设为不可压缩流体，且在流动过程中不与外界发生热量交换，即不考虑能量方程。所以本次研究主要采用的控制方程如下:

(1)

动力方程:

(2)

紊流方程:

(3)

主要参数意义:u、v、w分别为x、y、z方向速度；υh、υt分别为水平方向和垂向紊动黏性系数；ρ为密度；p为压强；fx、fy、fz分别为x、y、z方向的体积力分量；k为紊动动能；ε为紊动动能耗散率。

2.2 计算条件及网格划分

当通风量恒定时，实验室内部的空气流动状态基本恒定。初始状态时，实验室内部没有扰动，空气的流动最终会趋于稳定。对于入口处的边界条件，需要考虑空气的流动速度对人体和实验样本的影响。

一般来说，夏季的自然风速度在1.0～5.0 m/s，室内风速度在0.5～3.0 m/s，人体感到比较舒适，实验样本表面的空气交换充分，所以入口风速设为1.5 m/s，出口或开窗的边界设为大气压，其他位置边界设置为壁面。

考虑到要兼顾效率和精度，研究采用三角网格，基础网格尺寸0.05 m，目标网格尺寸0.05 m，最小网格尺寸0.005 m，相邻网格增长率1.2，边界层数量3，边界层增长率1.15，边界层总厚度0.016 65 m。经过三轮迭代，网格质量大于0.8的网格约占总数的95.3%。最终，网格面42 966个、向量17 818个、网格27 319个。

3 模拟结果分析

方案1见图2(a)。空气由入口进入前处理室，监测点1速度为1.70 m/s，由于窗都未开启，监测点4和监测点2的速度分别为0.04 m/s和0.02 m/s，说明空气在精密分析室和称量室中几乎没有流动。空气进入理化室后，分为两股沿着实验台以南北方向流动，最后两股空气在出口处汇合流出实验室。

图2 实验室通风设计方案CFD模拟结果

方案2见图2(b)。相比方案1，除了3个房门都处于45°半开启状态，其他条件一样。前处理室、称量室、精密分析室流动状态与方案1相似。由于理化室进入口面积减小，所以空气速度就会变大，监测点5的速度为6.44 m/s，比方案1的速度高出近一倍。说明仅通过改变室内门的开启角度，不能有效改善实验室内部空气环境。

方案3见图2(c)。称量室北面新开设一个窗，室门45°半开启，打开精密分析室小窗和理化室窗。实验室内部最大风速虽仅为2.00 m/s，但是流动并不均匀。空气进入精密分析室后，没有在内部循环，直接由小窗流出。空气进入理化室主要向南流动，监测点6速度却为0.34 m/s，说明流动靠近实验室南部墙面。

方案4见图2(d)。当精密分析室和称量室门以30°半开启时，对空气具有引导作用，室内空气流动改善。理化室实验台相距0.25 m时，空气分为三股。通过调整，实验室内空气流动均匀，空气最大流速2.41 m/s，监测点速度在0.66～1.72 m/s，都在0.5～3.0 m/s，实验人员体感舒适，实验样本表面的空气交换充分。

4 结语

从节能环保的角度，考虑使用自然通风方式，通过改变室内门窗开闭角度和实验设备布置方式，可以优化实验室内的空气环境。门窗的开启并不是越大越好，需要验证确定布置方式。当精密分析室门30°半开启、称量室门30°半开启、理化室门90°全开启、精密分析室小窗关闭、精密分析室大窗开启、称量室窗开启、理化室窗关闭、实验台间距0.25 m时，监测点风速由0.01～6.82 m/s调整为0.66～1.72 m/s，空气流动更为均匀，各房间内空气循环良好，保证了实验室的通风安全。