【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)空調(diào)；實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)；CFD；實(shí)驗(yàn)室氣流控制

正文：

從暖通空調(diào)的專(zhuān)業(yè)角度考慮，封閉空間氣流控制的目的：一是為保證空間內(nèi)人員的安全，需要維持可接受的氧氣濃度并稀釋和去除二氧化碳及其它污染物；二是為營(yíng)造可以接受的受控制的熱環(huán)境。然而值得一提的是，在整個(gè)通風(fēng)區(qū)域，如果空氣不能均勻分布的話，規(guī)定的或者要求的通風(fēng)量并不能保證充分的稀釋或者去除污染物。當(dāng)氣流組織和“塞狀流”或“活塞流”的差別越大時(shí)，對(duì)污染物的稀釋效果就越差。同樣道理，熱分布的均勻性也反映了受控環(huán)境的熱舒適程度。因此，應(yīng)該根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣流分布控制進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝，以達(dá)到安全與舒適或者工藝的要求，滿足生活或生產(chǎn)對(duì)空氣品質(zhì)的要求。

氣流控制設(shè)計(jì)在暖通空調(diào)工程實(shí)踐中采用的方法主要有四種：射流公式、區(qū)域模型、CFD以及模型實(shí)驗(yàn)。其中CFD分析有如下優(yōu)勢(shì)：具有模擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的能力；具有為CFD模型邊界設(shè)定精確和理想條件的能力；避免了測(cè)量?jī)x器的干擾問(wèn)題，能夠揭示物理實(shí)驗(yàn)所不能展示的重要的流動(dòng)特征；CFD分析的費(fèi)用與進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用相比少得多；具有處理有害環(huán)境的能力；對(duì)于CFD，不存在有毒性、不宜人員停留等問(wèn)題；參數(shù)研究可以輕而易舉地通過(guò)CFD完成；在建立設(shè)計(jì)原型之前，能夠迅速而系統(tǒng)地篩選許多設(shè)計(jì)思想；能夠提供詳細(xì)的局部點(diǎn)信息和全面信息，而傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)只能在選定的有限點(diǎn)上提供數(shù)據(jù)。因此，CFD方法應(yīng)用于對(duì)室內(nèi)空氣分布情況進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，得到房間內(nèi)風(fēng)速、溫度、濕度以及有害物濃度等物理量的詳細(xì)情況，具有成本低、速度快、資料完備且可模擬各種不同的工況等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，逐漸受到行業(yè)從業(yè)人員的青睞。

CFD是英文Computational Fluid Dynamics(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))的簡(jiǎn)稱，其研究通常包含如下幾個(gè)主要環(huán)節(jié)：建立數(shù)學(xué)物理模型、數(shù)值算法求解、可視化結(jié)果與輸出。暖通空調(diào)領(lǐng)域的流體的數(shù)學(xué)模型，通常按不可壓縮的黏性流體流動(dòng)的微分方程求解，流態(tài)為亂流流動(dòng)。該數(shù)學(xué)模型具有很強(qiáng)的非線性特征，可利用數(shù)值方法求解，數(shù)值算法中常用的離散形式有：有限容積、有限差分、有限元；暖通空調(diào)的氣流為低速不可壓縮流體，采用有限容積法進(jìn)行離散的情形較多。求解結(jié)果的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)等通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)表達(dá)出來(lái)，可以將單調(diào)繁雜的數(shù)值更形象直觀，便于非專(zhuān)業(yè)人士理解。

CFD如何應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)空調(diào)工程呢？CFD主要可用于解決以下實(shí)驗(yàn)室暖通空調(diào)工程設(shè)計(jì)的問(wèn)題：

一、實(shí)驗(yàn)室空間氣流組織設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域氣流組織要求最嚴(yán)格的當(dāng)屬潔凈室和恒溫恒濕室，其中潔凈室氣流組織設(shè)計(jì)的原則包括：凈化空調(diào)的末端高效過(guò)濾器送風(fēng)氣流應(yīng)以最短的距離，不受污染的直接送到工作區(qū)，并且盡可能覆蓋工作區(qū)，使污染物在擴(kuò)散之前就被攜帶到回風(fēng)或排風(fēng)口；盡量減少渦流，避免把工作區(qū)之外的污染物帶入工作區(qū)；盡量控制上升氣流的產(chǎn)生，防止灰塵的二次飛揚(yáng)；工作區(qū)的氣流力求均勻，滿足生產(chǎn)工藝、節(jié)能及衛(wèi)生要求。恒溫恒濕空間氣流組織設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下原則：合理地組織氣流流程，充分發(fā)揮送風(fēng)氣流的冷卻或加熱作用；建立一個(gè)穩(wěn)定均勻的溫度場(chǎng)，以保證在氣流到達(dá)工作區(qū)時(shí)，其平均溫度與工作區(qū)的溫度差不超過(guò)允許的溫度波動(dòng)值；根據(jù)室內(nèi)工作人員的衛(wèi)生要求，在氣流到達(dá)工作區(qū)時(shí)，其流動(dòng)速度為0.25m/s左右；對(duì)于熱源分布很不均勻，或房間比較高大時(shí)，恒溫恒濕車(chē)間如果采用一個(gè)統(tǒng)一的空氣參數(shù)，同時(shí)又均勻地分配風(fēng)量，就會(huì)在室內(nèi)產(chǎn)生相差懸殊的溫度場(chǎng)，將影響恒溫精度；這時(shí)，如工藝允許，應(yīng)盡量將發(fā)熱量較大的設(shè)備部件，移至恒溫恒濕車(chē)間外面或套間里，或者采用分區(qū)空調(diào)，即對(duì)不同區(qū)域根據(jù)其負(fù)荷情況或工藝要求，采取不同的送風(fēng)參數(shù)和送風(fēng)量。由此可見(jiàn)，受控空間的氣流組織直接決定了工藝空調(diào)的設(shè)計(jì)效果甚至成敗，而借助CFD可以預(yù)測(cè)仿真其中的空氣速度分布和溫度分布詳細(xì)情況，色調(diào)的冷暖表示溫度的高低，矢量箭頭的長(zhǎng)短表示速度的大小，將空調(diào)空間內(nèi)的流場(chǎng)形象直觀地表示出來(lái)，及時(shí)調(diào)整通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的參數(shù)(冷熱量、風(fēng)量、風(fēng)壓)、送/回/排風(fēng)口布局等，從而指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)空調(diào)的設(shè)計(jì)和施工。

二、實(shí)驗(yàn)室建筑外環(huán)境分析設(shè)計(jì)。建筑外環(huán)境，如風(fēng)壓氣流的沖擊、室外塵源的分布、毗鄰熱環(huán)境等，對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部受控環(huán)境的設(shè)計(jì)有著重要的影響，采用CFD可以方便地對(duì)建筑外環(huán)境進(jìn)行模擬分析，從而設(shè)計(jì)出合理的實(shí)驗(yàn)室風(fēng)環(huán)境。舉例風(fēng)壓氣流的沖擊影響：室外氣流在遇到建筑物時(shí)會(huì)發(fā)生繞流流動(dòng)，而在氣流離開(kāi)建筑物一段距離后才恢復(fù)平行流動(dòng)，按照邊界層流動(dòng)的特性，在迎風(fēng)面將形成滯留區(qū)，產(chǎn)生正壓壓力；而在建筑物頂部和背風(fēng)面將分別形成回流空腔和回旋氣流區(qū)，總稱為空氣動(dòng)力陰影區(qū)，產(chǎn)生負(fù)壓壓力；如果實(shí)驗(yàn)室廢氣排放入空氣動(dòng)力陰影區(qū)，有害物質(zhì)會(huì)逐漸積聚，如本區(qū)內(nèi)有新風(fēng)口，則有害物將隨新風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)；當(dāng)室外風(fēng)速大于3m/s時(shí)，產(chǎn)生的風(fēng)壓力約5Pa，此時(shí)與迎風(fēng)面室外相鄰的潔凈室正壓值應(yīng)考慮風(fēng)壓的影響，否則室外的含塵氣流可能滲漏到室內(nèi)。由此可見(jiàn)，建筑外環(huán)境的分析設(shè)計(jì)對(duì)內(nèi)環(huán)境的設(shè)計(jì)尤為重要，通過(guò)模擬建筑外環(huán)境的風(fēng)流動(dòng)情況，進(jìn)一步指導(dǎo)廠區(qū)總圖布局、實(shí)驗(yàn)樓的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)、潔凈室與恒溫恒濕室的選址、工藝空調(diào)空間壓力塵埃粒子控制、廢氣處理與達(dá)標(biāo)排放方案比選等。

三、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備性能的研究改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)室暖通空調(diào)工程的許多設(shè)備，如凈化風(fēng)柜、空調(diào)器等，都是通過(guò)流體工質(zhì)的流動(dòng)而工作的，流動(dòng)情況對(duì)設(shè)備性能有著重要的影響。通過(guò)CFD模擬計(jì)算設(shè)備內(nèi)部的流體流動(dòng)情況，可以研究設(shè)備性能，從而改進(jìn)其更好地工作，降低建筑能耗，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

四、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境空氣質(zhì)量的提高。暖通設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分了解實(shí)驗(yàn)室建筑功能特點(diǎn)和技術(shù)要求，與時(shí)俱進(jìn)，精心設(shè)計(jì)，才能為科研人員營(yíng)造一個(gè)安全、衛(wèi)生、舒適的工作環(huán)境。環(huán)境空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)應(yīng)采用客觀的方式，通過(guò)模擬各種污染物濃度、發(fā)生量、種類(lèi)、作用時(shí)間的關(guān)系，CFD通過(guò)求解偏微分方程，得到室內(nèi)各個(gè)位置的風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度、污染物濃度、空氣齡等參數(shù)，從而客觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)換氣的效率、熱舒適以及污染物排放效率等指標(biāo)，切實(shí)有效地提高實(shí)驗(yàn)室環(huán)境空氣質(zhì)量。

綜上所述，使用CFD最大的意義就在于節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本與預(yù)測(cè)結(jié)果，是理論設(shè)計(jì)與實(shí)踐相結(jié)合的紐帶，如果能夠保證CFD模擬的精度，就可以減少大量的實(shí)驗(yàn)，而且可以完成一些現(xiàn)實(shí)中不可能完成、或是事先不能做的實(shí)驗(yàn)，是后期施工質(zhì)量的技術(shù)保證。可以預(yù)見(jiàn)：類(lèi)似CAD替代傳統(tǒng)圖板制圖那一樣，CFD技術(shù)將成為未來(lái)暖通空調(diào)設(shè)計(jì)工程師的必備工具。

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