無風管自凈型儲藥柜氣流組織模擬及優(yōu)化

　　摘要：通過數(shù)值模擬法，研究了傳統(tǒng)無風管自凈型儲藥柜的柜內(nèi)氣流組織對柜內(nèi)體積平均濃度、通風效率、截面平均濃度的影響，進而提出一種優(yōu)化氣流組織形式，運用正交實驗設(shè)計，研究了該新型氣流組織在不同通風量、風道寬度、送風口形式下對柜內(nèi)污染物的控制效果。優(yōu)化后的氣流組織形式比原氣流組織有更好的控污能力。

　　關(guān)鍵詞：無風管自凈型儲藥柜氣流組織數(shù)值模擬體積平均濃度通風效率

　　建筑方向論文范文：綠色建筑設(shè)計管理要點

　　綠色建筑設(shè)計要求在建筑建設(shè)的過程中兼顧生態(tài)環(huán)境和節(jié)約能源的理念，本篇生態(tài)建筑論文認為在建筑業(yè)不斷發(fā)展壯大的過程中，要不斷秉承綠色建筑設(shè)計的理念，遵循綠色建筑設(shè)計的原則，采用綠色建筑節(jié)能新技術(shù)，從而滿足建筑業(yè)在發(fā)展的同時，對生態(tài)環(huán)境的兼顧和保護，使建筑在發(fā)揮功用性的同時能夠節(jié)約能源，從而提升建筑的經(jīng)濟和社會效能。

　　無風管自凈型儲藥柜是化學實驗室中常用設(shè)備之一，主要用于儲存化學實驗中用到的藥品等。常規(guī)情況下儲藥柜柜門完全關(guān)閉，柜內(nèi)藥瓶蓋子緊閉，柜內(nèi)污染物濃度低，控制風速也較小，但風機不間斷運行。目前國外對此類儲藥柜的研究不多，國內(nèi)相關(guān)研究基本處于空白。在取放藥瓶時，柜內(nèi)有害氣體會因為柜門開啟而進入室內(nèi)造成污染。柜內(nèi)有害氣體的濃度分布與柜內(nèi)氣體的氣流組織息息相關(guān)，需要進行研究。

　　本文首先通過數(shù)值模擬，分析了現(xiàn)有某廠家無風管自凈型儲藥柜的氣流組織和濃度分布，在此基礎(chǔ)上改進儲藥柜內(nèi)的結(jié)構(gòu)形式，利用正交實驗，對可能影響儲藥柜內(nèi)氣流組織的關(guān)鍵參數(shù)進行設(shè)計，再次進行數(shù)值模擬，最后提出改進儲藥柜結(jié)構(gòu)的建議。

　　1模型設(shè)置及網(wǎng)格獨立性驗證

　　1.1模型設(shè)置

　　該無風管自凈型儲藥柜由送風口(后板和底板處均有)、頂蓋排風口、后板、側(cè)板、隔板、底板、柜門、風機過濾單元、風機過濾單元吸風口等組成，風機過濾單元包括過濾器和風機，柜體為左右兩個對稱腔體，擺放藥瓶。室內(nèi)空氣由送風口和門縫進入，氣流自下而上流經(jīng)柜體內(nèi)部，然后被吸入風機過濾單元，經(jīng)過過濾單元內(nèi)活性炭過濾器吸附后由頂蓋排風口排入室內(nèi)。幾何參數(shù)：本次模擬的外形幾何參數(shù)按照該儲藥柜尺寸設(shè)置，高1760mm，長800mm，寬485mm。左右兩個腔體內(nèi)各對稱布置五層隔板，隔板上下間距35mm。每層隔板均勻擺放三行三列藥瓶，藥瓶半徑40mm，瓶高160mm，瓶蓋半徑15mm�？拷�柜門的一排藥瓶為第一排藥瓶，遠離柜門、靠近后壁面的一排藥瓶稱為第三排藥瓶。

　　因腔體左右對稱，本文以左側(cè)腔體為研究對象，靠近中部擋板的一列為第一列藥瓶，靠近左側(cè)板的一列為第三列藥瓶。物性參數(shù)：參照標準《無風管自凈型排風柜》(JG/T385­2012)[1]，本論文的柜內(nèi)污染物選取異丙醇為代表性污染物。異丙醇(氣態(tài))密度2.1kg/m3，物質(zhì)的分子量60，定壓比熱容2826J/(kg·K)。邊界條件：隔板、壁面和藥瓶瓶身設(shè)為Wall。吸風口設(shè)為速度出口。門縫和底部、后部送風口設(shè)為壓力入口。藥瓶的瓶蓋設(shè)置為異丙醇體散發(fā)源，單位體積散發(fā)量設(shè)為0.00001123kg/(m3·s()實驗粗測得單瓶藥瓶散發(fā)量為0.001g/h)。數(shù)學模型：realizablek-著模型是目前所有k-著模型中最準確的模型[2]，且已被具有分離流和復雜二次流特征的流動實驗所驗證[3]，故本文采用realizablek-著模型。此外因為柜內(nèi)有污染物的散發(fā)，還需運用species組分傳輸模型。

　　1.2網(wǎng)格獨立性驗證

　　選取三種網(wǎng)格尺寸，分別為500萬，700萬，1000萬(轉(zhuǎn)多面體網(wǎng)格后數(shù)量分別為100萬，150萬，200萬)。取x=0.49m，y=0.18m平行于z軸的直線上的速度、濃度、壓力驗證網(wǎng)格獨立性。三種網(wǎng)格數(shù)量在濃度和密度上相差不大，但在速度分布上，500萬網(wǎng)格與700萬、1000萬網(wǎng)格有明顯差距，本次模擬最后選擇700萬網(wǎng)格數(shù)量。

　　2評價指標

　　本文坐標原點為柜體底板最左后方點，以左側(cè)腔體為研究對象例，y截面均為左側(cè)腔體截面，x越大表示越靠近柜門，y越大表示越靠近中部擋板。x=0.17m、0.31m、0.42m、0.45m、0.48m，y=0.13m、0.26m：反映腔內(nèi)前后部污染物聚集位置。x=0.1m、0.24m、0.38m，y=0.08m、0.2m、0.31m：反映氣流組織對污染物散發(fā)源的控制能力。獲得上述y、y截面的濃度，可分析氣流組織對每行每列藥瓶散發(fā)污染物的的控制效果，以此評估開門污染物泄漏風險。

　　3傳統(tǒng)無風管自凈型儲藥柜氣流組織模擬

　　現(xiàn)有儲藥柜工作時，室內(nèi)空氣大部分從中上部門縫進入，少部分從底部送風口進入，主流道為門與柜體間的空腔，只有較少的空氣會進入隔板腔內(nèi)，且會有較大渦流，大部分污染物積聚在隔板間的腔內(nèi)。

　　3.1流場分析

　　可以看出，儲藥柜上下左右門縫和下部進風口均可進風，門縫上部進風最多，主流道為門與柜體間的空腔(寬度為20mm)。儲藥柜柜內(nèi)氣流流速較低，氣流會貼附壁面流動，每個隔板腔內(nèi)的氣流沿上隔板進入腔后部，在腔內(nèi)形成傾斜的環(huán)形氣流，再回到主流道，傾斜環(huán)流與左右門縫的垂直進風有關(guān)。每層隔板間腔內(nèi)均有較大渦流產(chǎn)生，會造成污染物聚集。環(huán)形氣流受左右門縫垂直進風的影響，向中部擋板傾斜，氣流更多地沖刷靠近中部擋板一列的藥瓶瓶蓋和靠近柜門一行的藥瓶瓶蓋，故x=0.38m和y=0.31m截面處污染物濃度相對較低。為進一步分析污染物的聚集程度，需要分析各截面處污染物的濃度分布。

　　3.2整體指標

　　根據(jù)模擬得到的數(shù)值，代入式(1)和(2)，得出傳統(tǒng)無風管自凈型儲藥柜整體指標為體積平均濃度0.293ppm，吸風口平均濃度0.159ppm，通風效率54.41%。

　　3.3部分截面濃度分析

　　腔體中后部有大部分污染物聚集，最上層隔板的污染物濃度最低�？梢钥闯觯�空氣大部分從柜門與隔板的主流道流過，小部分以環(huán)流的形式在隔板腔內(nèi)流動，隔板間空腔的中部都有一個較大的渦流，污染物聚集在渦流內(nèi)部，無法進入風機過濾器，需對儲藥柜的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以改進柜內(nèi)氣流組織，提高污染物控制效果。

　　4氣流組織優(yōu)化模擬

　　儲藥柜內(nèi)部隔板的布置形式對柜內(nèi)氣流組織影響巨大，可對隔板的布置形式進行優(yōu)化，改變氣流組織，使得氣流大部分沖刷藥瓶瓶蓋，并能有效、順暢地排出。室內(nèi)空氣從后壁面，底板送風口和門縫進入柜內(nèi)，因氣流流速較低，氣流會貼附每層隔板腔的上壁面，以S形的形式?jīng)_刷藥瓶瓶蓋，最后進入風機過濾單元。

　　4.1正交實驗設(shè)計

　　為了充分優(yōu)化，選取S形風道寬度、通風量、送風口形式三個關(guān)鍵因素，進行正交試驗設(shè)計，每個因素取四水平，具體為。1)S形風道寬度若超過40mm，隔板可利用面積過小，因此取10mm、20mm、30mm、40mm四個水平，每層隔板交錯開設(shè)，形成S形氣流通道。2)參考原通風量220m3/h，通風量取150m3/h、200m3/h、250m3/h、300m3/h四個水平。3)原風口寬度15mm，模擬發(fā)現(xiàn)最底層的氣流組織渦流較多，流動不順暢，優(yōu)化設(shè)計時，改為全部由下底板進風，風口寬度取15mm、20mm、25mm、30mm四個水平。

　　綜上，風道寬度和通風量為影響S形氣流組織的主要因素，風道寬度影響主流道氣流的流暢性，通風量對稀釋作用有重要影響。送風口形式對氣流組織的影響很小，通過流場及濃度場分析可知，最底層一般不會受上層污染物擴散的影響，所以最底層的氣流組織對整體的體積平均濃度和通風效率幾乎沒有影響。

　　5結(jié)論

　　1)傳統(tǒng)儲藥柜主流道為柜門和隔板的空腔，受氣流貼附作用的影響，隔板間空腔內(nèi)會形成環(huán)形渦流，使得傳統(tǒng)儲藥柜對中間排、中間列的控制效果最差，污染物主要聚集在腔的中部和后部。

　　2)相同通風量情況下，S形氣流組織的風道寬度在10mm以上時，其體積平均濃度均低于傳統(tǒng)儲藥柜的體積平均濃度。

　　3)通風量對S形氣流組織的體積平均濃度的影響最大，其次是風道寬度，通風量、風道寬度與體積平均濃度負相關(guān);風道寬度對通風效率的影響最大，與通風效率成正相關(guān)，通風量對通風效率的影響很小，對于S形氣流組織而言，增加通風量并不能很好地提高通風效率。送風口位置和尺寸對該氣流組織影響不大。

　　4)相比于傳統(tǒng)儲藥柜，S形氣流組織隔板儲藥柜在開門時污染物泄漏的可能性降低，安全性提高。

　　參考文獻

　　[1]JG/T385­2012無風管自凈型排風柜[S].北京:中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部,2012.

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