无风管自净型储药柜气流组织模拟及优化

　　摘要：通过数值模拟法，研究了传统无风管自净型储药柜的柜内气流组织对柜内体积平均浓度、通风效率、截面平均浓度的影响，进而提出一种优化气流组织形式，运用正交实验设计，研究了该新型气流组织在不同通风量、风道宽度、送风口形式下对柜内污染物的控制效果。优化后的气流组织形式比原气流组织有更好的控污能力。

　　关键词：无风管自净型储药柜气流组织数值模拟体积平均浓度通风效率

　　建筑方向论文范文：绿色建筑设计管理要点

　　绿色建筑设计要求在建筑建设的过程中兼顾生态环境和节约能源的理念，本篇生态建筑论文认为在建筑业不断发展壮大的过程中，要不断秉承绿色建筑设计的理念，遵循绿色建筑设计的原则，采用绿色建筑节能新技术，从而满足建筑业在发展的同时，对生态环境的兼顾和保护，使建筑在发挥功用性的同时能够节约能源，从而提升建筑的经济和社会效能。

　　无风管自净型储药柜是化学实验室中常用设备之一，主要用于储存化学实验中用到的药品等。常规情况下储药柜柜门完全关闭，柜内药瓶盖子紧闭，柜内污染物浓度低，控制风速也较小，但风机不间断运行。目前国外对此类储药柜的研究不多，国内相关研究基本处于空白。在取放药瓶时，柜内有害气体会因为柜门开启而进入室内造成污染。柜内有害气体的浓度分布与柜内气体的气流组织息息相关，需要进行研究。

　　本文首先通过数值模拟，分析了现有某厂家无风管自净型储药柜的气流组织和浓度分布，在此基础上改进储药柜内的结构形式，利用正交实验，对可能影响储药柜内气流组织的关键参数进行设计，再次进行数值模拟，最后提出改进储药柜结构的建议。

　　1模型设置及网格独立性验证

　　1.1模型设置

　　该无风管自净型储药柜由送风口(后板和底板处均有)、顶盖排风口、后板、侧板、隔板、底板、柜门、风机过滤单元、风机过滤单元吸风口等组成，风机过滤单元包括过滤器和风机，柜体为左右两个对称腔体，摆放药瓶。室内空气由送风口和门缝进入，气流自下而上流经柜体内部，然后被吸入风机过滤单元，经过过滤单元内活性炭过滤器吸附后由顶盖排风口排入室内。几何参数：本次模拟的外形几何参数按照该储药柜尺寸设置，高1760mm，长800mm，宽485mm。左右两个腔体内各对称布置五层隔板，隔板上下间距35mm。每层隔板均匀摆放三行三列药瓶，药瓶半径40mm，瓶高160mm，瓶盖半径15mm。靠近柜门的一排药瓶为第一排药瓶，远离柜门、靠近后壁面的一排药瓶称为第三排药瓶。

　　因腔体左右对称，本文以左侧腔体为研究对象，靠近中部挡板的一列为第一列药瓶，靠近左侧板的一列为第三列药瓶。物性参数：参照标准《无风管自净型排风柜》(JG/T385­2012)[1]，本论文的柜内污染物选取异丙醇为代表性污染物。异丙醇(气态)密度2.1kg/m3，物质的分子量60，定压比热容2826J/(kg·K)。边界条件：隔板、壁面和药瓶瓶身设为Wall。吸风口设为速度出口。门缝和底部、后部送风口设为压力入口。药瓶的瓶盖设置为异丙醇体散发源，单位体积散发量设为0.00001123kg/(m3·s()实验粗测得单瓶药瓶散发量为0.001g/h)。数学模型：realizablek-着模型是目前所有k-着模型中最准确的模型[2]，且已被具有分离流和复杂二次流特征的流动实验所验证[3]，故本文采用realizablek-着模型。此外因为柜内有污染物的散发，还需运用species组分传输模型。

　　1.2网格独立性验证

　　选取三种网格尺寸，分别为500万，700万，1000万(转多面体网格后数量分别为100万，150万，200万)。取x=0.49m，y=0.18m平行于z轴的直线上的速度、浓度、压力验证网格独立性。三种网格数量在浓度和密度上相差不大，但在速度分布上，500万网格与700万、1000万网格有明显差距，本次模拟最后选择700万网格数量。

　　2评价指标

　　本文坐标原点为柜体底板最左后方点，以左侧腔体为研究对象例，y截面均为左侧腔体截面，x越大表示越靠近柜门，y越大表示越靠近中部挡板。x=0.17m、0.31m、0.42m、0.45m、0.48m，y=0.13m、0.26m：反映腔内前后部污染物聚集位置。x=0.1m、0.24m、0.38m，y=0.08m、0.2m、0.31m：反映气流组织对污染物散发源的控制能力。获得上述y、y截面的浓度，可分析气流组织对每行每列药瓶散发污染物的的控制效果，以此评估开门污染物泄漏风险。

　　3传统无风管自净型储药柜气流组织模拟

　　现有储药柜工作时，室内空气大部分从中上部门缝进入，少部分从底部送风口进入，主流道为门与柜体间的空腔，只有较少的空气会进入隔板腔内，且会有较大涡流，大部分污染物积聚在隔板间的腔内。

　　3.1流场分析

　　可以看出，储药柜上下左右门缝和下部进风口均可进风，门缝上部进风最多，主流道为门与柜体间的空腔(宽度为20mm)。储药柜柜内气流流速较低，气流会贴附壁面流动，每个隔板腔内的气流沿上隔板进入腔后部，在腔内形成倾斜的环形气流，再回到主流道，倾斜环流与左右门缝的垂直进风有关。每层隔板间腔内均有较大涡流产生，会造成污染物聚集。环形气流受左右门缝垂直进风的影响，向中部挡板倾斜，气流更多地冲刷靠近中部挡板一列的药瓶瓶盖和靠近柜门一行的药瓶瓶盖，故x=0.38m和y=0.31m截面处污染物浓度相对较低。为进一步分析污染物的聚集程度，需要分析各截面处污染物的浓度分布。

　　3.2整体指标

　　根据模拟得到的数值，代入式(1)和(2)，得出传统无风管自净型储药柜整体指标为体积平均浓度0.293ppm，吸风口平均浓度0.159ppm，通风效率54.41%。

　　3.3部分截面浓度分析

　　腔体中后部有大部分污染物聚集，最上层隔板的污染物浓度最低。可以看出，空气大部分从柜门与隔板的主流道流过，小部分以环流的形式在隔板腔内流动，隔板间空腔的中部都有一个较大的涡流，污染物聚集在涡流内部，无法进入风机过滤器，需对储药柜的结构进行优化，以改进柜内气流组织，提高污染物控制效果。

　　4气流组织优化模拟

　　储药柜内部隔板的布置形式对柜内气流组织影响巨大，可对隔板的布置形式进行优化，改变气流组织，使得气流大部分冲刷药瓶瓶盖，并能有效、顺畅地排出。室内空气从后壁面，底板送风口和门缝进入柜内，因气流流速较低，气流会贴附每层隔板腔的上壁面，以S形的形式冲刷药瓶瓶盖，最后进入风机过滤单元。

　　4.1正交实验设计

　　为了充分优化，选取S形风道宽度、通风量、送风口形式三个关键因素，进行正交试验设计，每个因素取四水平，具体为。1)S形风道宽度若超过40mm，隔板可利用面积过小，因此取10mm、20mm、30mm、40mm四个水平，每层隔板交错开设，形成S形气流通道。2)参考原通风量220m3/h，通风量取150m3/h、200m3/h、250m3/h、300m3/h四个水平。3)原风口宽度15mm，模拟发现最底层的气流组织涡流较多，流动不顺畅，优化设计时，改为全部由下底板进风，风口宽度取15mm、20mm、25mm、30mm四个水平。

　　综上，风道宽度和通风量为影响S形气流组织的主要因素，风道宽度影响主流道气流的流畅性，通风量对稀释作用有重要影响。送风口形式对气流组织的影响很小，通过流场及浓度场分析可知，最底层一般不会受上层污染物扩散的影响，所以最底层的气流组织对整体的体积平均浓度和通风效率几乎没有影响。

　　5结论

　　1)传统储药柜主流道为柜门和隔板的空腔，受气流贴附作用的影响，隔板间空腔内会形成环形涡流，使得传统储药柜对中间排、中间列的控制效果最差，污染物主要聚集在腔的中部和后部。

　　2)相同通风量情况下，S形气流组织的风道宽度在10mm以上时，其体积平均浓度均低于传统储药柜的体积平均浓度。

　　3)通风量对S形气流组织的体积平均浓度的影响最大，其次是风道宽度，通风量、风道宽度与体积平均浓度负相关;风道宽度对通风效率的影响最大，与通风效率成正相关，通风量对通风效率的影响很小，对于S形气流组织而言，增加通风量并不能很好地提高通风效率。送风口位置和尺寸对该气流组织影响不大。

　　4)相比于传统储药柜，S形气流组织隔板储药柜在开门时污染物泄漏的可能性降低，安全性提高。

　　参考文献

　　[1]JG/T385­2012无风管自净型排风柜[S].北京:中华人民共和国住房与城乡建设部,2012.

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