洁净室气流组织.docx

摘要：洁净室为了达到其所要求的洁净度级别需要三个条件：一是性能良好的高效过滤器，二是足够的送风量，三是合理的气流流型；而使用合理的气流流型能够有效地减少送风量。本文主要叙述洁净室涉及到的气流组织，以及矢流洁净室用于医院洁净病房空调的可行性，并阐述了空态下矢流洁净室内洁净度的测量结果、矢流洁净病房静态下气流场的测量结果和矢流洁净病房点污染源散发实验结果。

关键词：洁净室、气流组织、矢流洁净室

洁净室就其控制的对象来说,分工业洁净室和生物洁净室两大类。各类洁净室控制微粒污染的途径是相同的,这类途径主要体现在以下几方面[1]：1、有效地阻止室外的污染侵入室内或有效地防止室内污染物扩散至室外。这是洁净室控制污染的最主要途径,主要涉及空气净化处理的方法、室内的正压等。2、迅速有效地排除室内已经发生的污染,这主要涉及室内的气流组织,也是体现洁净室功能的关键。3、控制污染源,减少污染发生量,这主要涉及发生污染的设备的设置与管理和进入洁净室的人与物的净化。

洁净室气流组织的类型按其气流状态来区分,主要分为非单向流洁净室、单向流洁净室和矢流洁净室（也称辐流洁净室）[2]。

1、非单向流洁净室的工作原理（也称乱流洁净室原理）

非单向流洁净室的主要特点是从来流到出流从送风口到回风口之间气流的流通截面是变化的,洁净室截面比送风口截面大得多,因而不能在全室截面或者在全室工作区截面形成匀速气流。所以,送风口以后的流线彼此有很大或者越来越大的夹角,曲率半径很小,气流在室内不可能以单一方向流动,将会彼此撞击,将有回流、涡旋产生。这就决定非单向流洁净室的流态实质是突变流非均匀流。所以,概括地说,非单向流洁净室的作用原理是当一股干净气流从送风口送入室内时,迅速向四周扩散、混合,同时把差不多同样数量的气流从回风口排走,这股干净气流稀释着室内污染的空气,把原来含尘浓度很高的室内空气冲淡了,一直达到平衡。所以,气流扩散得越快,越均匀,稀释的效果就越好。非单向流洁净室的原理就是稀释作用。 2、单向流洁净室的工作原理（曾被称做层流洁净室）

在洁净室内,从送风口到回风口,气流流经途中的断面几乎没有什么变化,加上送风静压箱和高效过滤器的均压均流作用,全室断面上的流速比较均匀,在工作区内流线单向平行,没有涡

流，这些被称作单向流洁净室的三大特点[3]。这里的流线单向平行,是指时均流线彼此平行,方向单一。在单向流洁净室内,干净气流不是一股或几股,而是充满全室断面,所以这种洁净室不是靠洁净气流对室内脏空气的掺混稀释作用,而是靠洁净气流推出作用将室内脏空气沿整个断面排至室外,达到净化室内空气的目的。所以,前联邦德国有人称单向流洁净室的气流为“活塞流”、“平推流”,前苏联称之为“被挤压的弱空气射流”。干净空气就好比一个空气活塞,沿着房间这个“气缸”,向前下进,没有返回,把原有的含尘浓度高的空气挤压出房间。 3、矢流洁净室的工作原理（也称辐流洁净室）

矢流洁净室是晚于非单向流洁净室和单向流洁净室多年后出现的一种具有节能意义的新型洁净室。它是在世界能源供应矛盾日趋尖锐的情况下应运而生的。目前在国外有所应用,而国内几乎为空白。所谓矢流洁净室,就是因为送风气流不是单一的方向,而是任何方向都有。其净化机理既不同于非单向流洁净室的稀释掺混作用,也不同于单向流洁净室时均流线平行的活塞作用。它的流线既不平行,这一点和非单向流洁净室相同,但不同的是流线不发生交叉,因此不是靠掺混作用,仍然靠推出作用,只是不同于单向流的平推,而是斜推,它是靠气流的“斜推”,将室内空气排至室外以达到净化空气的目的。可见,矢流洁净室与单向流洁净室净化的原理虽不相同,但作用原理相似,这就为矢流洁净室达到较高级别的洁净度提供了保证。目前大量的研究表明,这种洁净室的洁净度级别能达到100级。在某些特定场合,如手术室等,这种送风流型可以克服顶棚灯具或顶棚上其它设备、工作台等对气流的阻碍作用,优化了洁净室的可用空间。

目前国内外的研究现状是矢流洁净室在美、日等国已有较长的历史，1977年美国在建造月球岩石实验室时首次安装使用了这种洁净室,并取得了满意的效果,欧洲和亚洲的一些国家也相继使用了这种洁净室。在国内,最早研究矢流的是哈尔滨建筑大学的魏学孟老师[4, 5]，他们搭建了模型是烟台（1.0m╳1.5m1.5m），对矢流洁净室进行了数值模拟和模型实验研究；在哈尔滨建筑大学的魏学孟老师等人之后，天津净化工程公司和烟台净化设备厂等单位也对矢流进行了一些有益的研究工作[6]。

针对矢流技术目前的研究现状，建立矢流洁净病房气流运动的物理模型,对洁净病房在空态和静态两种工况下室内气流场进行模拟,探讨在室内加装扇型散流孔板后室内流场的变化、散流孔板合理开孔率、及室内流场与房间长度的关系,还有当在房间内摆放病床、床头柜、沙发、灯和增加人员的情况下,室内流场的变化。在与计算条件相同的情况下,对矢流洁净病房在静态下的流场进行测试,并与计算结果进行比较,检验数值模拟的正确性。

在模型实验室搭建完成之后，首先进行空态下矢流洁净室内洁净度的测量，此实验目的是

为了验证矢流洁净室内的洁净度级别是否满足设计要求以及观察矢流洁净室内洁净度分布情况和探索换气次数和所达到的洁净度级别的关系。实验结果表明，在换气次数在83次/h,室内洁净度满足千级设计要求,个别地方能达到百级,证明如果提高换气次数,矢流洁净室有可能达到百级；送风口处洁净度较高,回风口处洁净度较低,符合室内气流运动规律；回风口靠近门的地方浓度较高,可能是测试时人员进出的影响，室内洁净度和换气次数有关,换气次数越大,室内洁净度越高,在换气次数在146次/h时,矢流洁净室在空态下可以达到百级,但效果不如单向流。其次进行矢流洁净病房静态下气流场的测量，此实验是验证实验，具体内容是对矢流洁净病房内的速度场进行测试,将测试结果和CFD数值模拟结果相对比,以验证数值模拟的正确性；实验结果通过CFD模拟计算与实测结果对比可知,实测特征断面速度曲线与模拟曲线趋势基本一致,有着较高的吻合度,说明所建矢流洁净室模型基本适合于矢流洁净室内气流场的模拟,但实测速度值较CFD模拟计算值分散,并且CFD模拟速度值和实测速度值还有一定差距,这种现象在其他的文献[7-9]中也存在,其原因可能是在CFD模拟计算时矢流高效过滤器送风口模型建立与实际风口还存在着差别,以及实测中受到外界的不确定因素的影响。而后进行了矢流洁净病房点污染源散发实验，此实验目的是为了观察矢流洁净病房内点污染源散发的有害物排除情况；实验结果为由于大致单向气流抑制作用，尘埃粒子很难逆向扩散，可以看到在污染源前方基本未受到污染，所以将矢流用于一些呼吸性传染病病房，让医护人员位于病人的上风侧，可以保护医护人员的安全。污染源出口处浓度值较高,尘粒随着气流向下风侧移动,越靠近回风口污染物浓度越高,污染物可以顺利排出。这种气流组织,横向扩散较小,污染物可以迅速排除,是一种比较理想的气流流型。通过点污染源的散发实验还可以得出随着房间高度增加,污染源影响范围变小,当污染源位于房间高度0.8m处,在房间1.5m处,基本未受到污染。

本人从上述实验结果可以得出矢流洁净室作为一种新型、节能的洁净室用于医院洁净病房空调的是可行的，在某些对洁净度级别要求不是十分高的医院的洁净病房可以采用矢流的气流方案。以上未进行气流组织的对比，可以考虑在送风量和过滤器面积相同,回风的方式也一致的情况下,把洁净病房内气流组织形式改为乱流,对室内的浓度场进行测试,也即对非单向流洁净病房内洁净度测量，比较乱流和矢流气流组织方案。因为要对矢流气流组织和非单向流气流组织对比,所以回风方案要求一致,但是对非单向流洁净室来讲可能采用双侧回风的效果更好。为了验证双侧回风的效果，可以对矢流和非单向流顶送、双侧回风的方案进行对比[10]。

结论：采用新的送风口型式及气流组织方案,可以达到用尽可能少的洁净空气满足洁净室所需的洁净度级别,是节能和降低造价的一项重要措施。

1、通过CFD数值计算,在特征断面上的速度场曲线与实测曲线吻合较好,说明采用fluent商业软件,选择标准k-ε双方程模型,使用动量法风口模型,建立的数学和物理模型,用于模拟矢流洁净室内的气流分布的方法是正确的。

2、矢流洁净病房内气流及污染物的分布具有下列特性:

（1）.矢流的流线间不交叉,靠气流推出作用,将污染物迅速排出室外,是一种比较合理的气流流型。当在顶棚一侧满布高效过滤器,对侧回风,回风口均布时,在室内可以近似形成二维流场的效果；

（2）.通过点污染源的散发实验得出由于大致单向气流的抑制作用,尘埃粒子很难逆向扩散,可以看到在点污染源前方基本未受到污染。这种气流组织的污染物横向扩散较小,污染物可以从回风口迅速排除,是一种比较理想的气流流型；

（3）.矢流洁净室内没有加装扇型的散流孔板,直接由高效过滤器送风,速度场模拟图可以清晰地看到在房间的前半部,送风口下面由于气流的诱导作用有一个大的涡旋,靠近送风口的地方还有回流。而且通过模拟还发现房间的长度越短,高效的送风速度越大,涡旋越明显。因而得出加装扇型的散流孔板后的气流组织效果要明显优于直接由高效过滤器送风的气流组织；

（4）.高效过滤器根据现场条件可以设置在侧墙或者在顶棚上,但是高效过滤器设置在侧墙时的室内流场与高效设置在顶棚时还有些区别,在房间的中部和后部流场基本一样,只是在送风口下面,设置在侧墙时气流有偏流,效果不如设置在顶棚的,再考虑到密封、施工的方便,建议条件许可的话,尽量把高效设置在顶棚上；

（5）.扇型散流孔板的开孔率根据模拟发现扇型散流孔板的开孔率应在0.15-0.3之间,不同的开孔率下,室内流场分布基本相同,只不过开孔率越大在工作区的风速稍大；

（6）. 室内洁净度和换气次数有关,换气次数越高,室内洁净度越高,在换气次数146次/h时,矢流洁净室在空态下可以达到百级,但是室内洁净度要比单向流低。

参考文献：

[1] 许为全, 曹莉. 生物洁净室的污染控制 [J]. 洁净与空调技术, 2002, ( 04): 7-9+22. [2] 《空气洁净技术原理》(第3版) [J]. 暖通空调, 2003, ( 05): 43. [3] 吴鹏. 垂直单向流洁净室 [J]. 黑龙江纺织, 2009, (02): 28-30.

[4] 魏学孟，张维功，樊洪明. 矢流洁净室的模型实验与数值模拟 [J]. 通风除尘, 1994, (02): 10-2.

[5] 魏学孟, 张维功. 矢流洁净室的模型实验研究 [J]. 通风除尘, 1992, (03): 5-7.

[6] 涂光备, 陈文浩, 王莱. 矢流洁净室的数学模拟和实验研究(英文) [J]. Transactions of Tianjin University, 2000, (01): 50-4.

[7] 任艳莉. 高大空间气流组织的数值模拟与实验研究 [D]; 天津大学, 2012.

[8] 董玉平, 由世俊, 汪洪军等. 高大空间建筑空调气流CFD模拟研究 [J]. 河北建筑科技学院学报, 2003, (03): 23-7.

[9] 邢金城, 涂光备, 那艳玲等. 地铁站台气流状况现场测试及CFD模拟 [J]. 暖通空调, 2005, (06): 114-7+94.

[10] 朱明明, 宣永梅, 贡欣等. 不同气流组织下某洁净室内流场研究 [J]. 节能, 2016, (11): 19-23+2.