無風(fēng)管自凈型儲(chǔ)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(fēng)管自凈型儲(chǔ)藥柜的柜內(nèi)氣流組織對柜內(nèi)體積平均濃度、通風(fēng)效率、截面平均濃度的影響，進(jìn)而提出一種優(yōu)化氣流組織形式，運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究了該新型氣流組織在不同通風(fēng)量、風(fēng)道寬度、送風(fēng)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(fēng)管自凈型儲(chǔ)藥柜氣流組織數(shù)值模擬體積平均濃度通風(fēng)效率

　　建筑方向論文范文：綠色建筑設(shè)計(jì)管理要點(diǎn)

　　綠色建筑設(shè)計(jì)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(rèn)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(jì)的理念，遵循綠色建筑設(shè)計(jì)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(shí)，對生態(tài)環(huán)境的兼顧和保護(hù)，使建筑在發(fā)揮功用性的同時(shí)能夠節(jié)約能源，從而提升建筑的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效能。

　　無風(fēng)管自凈型儲(chǔ)藥柜是化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中常用設(shè)備之一，主要用于儲(chǔ)存化學(xué)實(shí)驗(yàn)中用到的藥品等。常規(guī)情況下儲(chǔ)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(fēng)速也較小，但風(fēng)機(jī)不間斷運(yùn)行。目前國外對此類儲(chǔ)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(shí)，柜內(nèi)有害氣體會(huì)因?yàn)楣耖T開啟而進(jìn)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(jìn)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(fēng)管自凈型儲(chǔ)藥柜的氣流組織和濃度分布，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)儲(chǔ)藥柜內(nèi)的結(jié)構(gòu)形式，利用正交實(shí)驗(yàn)，對可能影響儲(chǔ)藥柜內(nèi)氣流組織的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，再次進(jìn)行數(shù)值模擬，最后提出改進(jìn)儲(chǔ)藥柜結(jié)構(gòu)的建議。

　　1模型設(shè)置及網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

　　1.1模型設(shè)置

　　該無風(fēng)管自凈型儲(chǔ)藥柜由送風(fēng)口(后板和底板處均有)、頂蓋排風(fēng)口、后板、側(cè)板、隔板、底板、柜門、風(fēng)機(jī)過濾單元、風(fēng)機(jī)過濾單元吸風(fēng)口等組成，風(fēng)機(jī)過濾單元包括過濾器和風(fēng)機(jī)，柜體為左右兩個(gè)對稱腔體，擺放藥瓶。室內(nèi)空氣由送風(fēng)口和門縫進(jìn)入，氣流自下而上流經(jīng)柜體內(nèi)部，然后被吸入風(fēng)機(jī)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(fēng)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(chǔ)藥柜尺寸設(shè)置，高1760mm，長800mm，寬485mm。左右兩個(gè)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。靠近柜門的一排藥瓶為第一排藥瓶，遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)《無風(fēng)管自凈型排風(fēng)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(fēng)口設(shè)為速度出口。門縫和底部、后部送風(fēng)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(shí)驗(yàn)粗測得單瓶藥瓶散發(fā)量為0.001g/h)。數(shù)學(xué)模型：realizablek-著模型是目前所有k-著模型中最準(zhǔn)確的模型[2]，且已被具有分離流和復(fù)雜二次流特征的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證[3]，故本文采用realizablek-著模型。此外因?yàn)楣駜?nèi)有污染物的散發(fā)，還需運(yùn)用species組分傳輸模型。

　　1.2網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)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(yàn)證網(wǎng)格獨(dú)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(jià)指標(biāo)

　　本文坐標(biāo)原點(diǎn)為柜體底板最左后方點(diǎn)，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(fēng)險(xiǎn)。

　　3傳統(tǒng)無風(fēng)管自凈型儲(chǔ)藥柜氣流組織模擬

　　現(xiàn)有儲(chǔ)藥柜工作時(shí)，室內(nèi)空氣大部分從中上部門縫進(jìn)入，少部分從底部送風(fēng)口進(jìn)入，主流道為門與柜體間的空腔，只有較少的空氣會(huì)進(jìn)入隔板腔內(nèi)，且會(huì)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(chǔ)藥柜上下左右門縫和下部進(jìn)風(fēng)口均可進(jìn)風(fēng)，門縫上部進(jìn)風(fēng)最多，主流道為門與柜體間的空腔(寬度為20mm)。儲(chǔ)藥柜柜內(nèi)氣流流速較低，氣流會(huì)貼附壁面流動(dòng)，每個(gè)隔板腔內(nèi)的氣流沿上隔板進(jìn)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(jìn)風(fēng)有關(guān)。每層隔板間腔內(nèi)均有較大渦流產(chǎn)生，會(huì)造成污染物聚集。環(huán)形氣流受左右門縫垂直進(jìn)風(fēng)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(jìn)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(biāo)

　　根據(jù)模擬得到的數(shù)值，代入式(1)和(2)，得出傳統(tǒng)無風(fēng)管自凈型儲(chǔ)藥柜整體指標(biāo)為體積平均濃度0.293ppm，吸風(fēng)口平均濃度0.159ppm，通風(fēng)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。可以看出，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(dòng)，隔板間空腔的中部都有一個(gè)較大的渦流，污染物聚集在渦流內(nèi)部，無法進(jìn)入風(fēng)機(jī)過濾器，需對儲(chǔ)藥柜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以改進(jìn)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(chǔ)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(jìn)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(fēng)口和門縫進(jìn)入柜內(nèi)，因氣流流速較低，氣流會(huì)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(jìn)入風(fēng)機(jī)過濾單元。

　　4.1正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　為了充分優(yōu)化，選取S形風(fēng)道寬度、通風(fēng)量、送風(fēng)口形式三個(gè)關(guān)鍵因素，進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個(gè)因素取四水平，具體為。1)S形風(fēng)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(gè)水平，每層隔板交錯(cuò)開設(shè)，形成S形氣流通道。2)參考原通風(fēng)量220m3/h，通風(fēng)量取150m3/h、200m3/h、250m3/h、300m3/h四個(gè)水平。3)原風(fēng)口寬度15mm，模擬發(fā)現(xiàn)最底層的氣流組織渦流較多，流動(dòng)不順暢，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，改為全部由下底板進(jìn)風(fēng)，風(fēng)口寬度取15mm、20mm、25mm、30mm四個(gè)水平。

　　綜上，風(fēng)道寬度和通風(fēng)量為影響S形氣流組織的主要因素，風(fēng)道寬度影響主流道氣流的流暢性，通風(fēng)量對稀釋作用有重要影響。送風(fēng)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(huì)受上層污染物擴(kuò)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(fēng)效率幾乎沒有影響。

　　5結(jié)論

　　1)傳統(tǒng)儲(chǔ)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(huì)形成環(huán)形渦流，使得傳統(tǒng)儲(chǔ)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(fēng)量情況下，S形氣流組織的風(fēng)道寬度在10mm以上時(shí)，其體積平均濃度均低于傳統(tǒng)儲(chǔ)藥柜的體積平均濃度。

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

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

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]JG/T385­2012無風(fēng)管自凈型排風(fēng)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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