隔离器灌装段气流组织优化模拟研究

宋德龙 刘刚 吴文蕾 郁葵 徐文超 严浩

1 东华大学环境科学与工程学院

2 上海东富龙爱瑞思科技有限公司

0 引言

随着科学技术的不断创新与发展，生物医药技术水平得到了有效提升，微电子等技术也得到快速发展，在医药制造过程中，隔离器得到了有效的应用。国内隔离器技术尚属起步阶段，大多用于无菌灌装或分装设备上，自主生产的隔离器设备较少，对装置气流分布情况都未进行系统研究，而隔离器内部气流组织直接影响洁净效果，气流较差时，会造成涡流、乱流等现象，因此隔离器产品内部气流组织不容忽视。

虽然计算流体动力学在气流模拟领域运用比较成熟，但利用CFD 方法对隔离器内部气流模拟的情况较少。于颖[1]等人对底部回风隔离器进行气流模拟研究，主要在回风方式和外壁倾角上进行了改进设计。王华鹏[2]通过模拟研究了具有单侧回风方式的隔离器，并提出在底部架设空层方式，研究主流区气流的影响。目前对隔离器研究侧重于回风方式的选取，与整体结构改造，均未研究分析回风口流量失衡问题以及对回风管内部进行改造的方式。

隔离器可分为不同功能设备单元，结构相似，本文以采用顶送侧回通风方式的隔离器灌装段为对象，利用CFD 方法进行研究，分析隔离器灌装段内部气流分布状况，对局部区域气流组织较差问题进行研究，统计分析该区域回风口流量比例，并提出对相应区域的回风管内架设小隔片、罩板、挡片等方式进行改造，以及考虑管路阻力及能耗问题，最终择优采用加设挡片的方式，通过模拟验证，其能够有效改变回风管上回风口的流量比例，使其趋于理论设计，隔离器灌装段内部达到较好的气流组织，保障制药生产环境，为隔离器的优化提供参考。

1 工程概况

本研究隔离器灌装段顶部铺满 FFU，在底部两侧开设回风口，外部装设有5 个回风管，并在回风管装设过滤器和回风机，一部分回风排出，一部分回到隔离器顶部静压箱与空调处理过的新风进行混合，再送入工作区。并且隔离器灌装段两端与其他功能隔离器单元相连，进行物料传递。其送风风速，以及各回风管回风量均已确定，工作区压力有一定的范围要求，两端相连的其他单元压力已定。在满足参数要求下（见表1），进行模拟计算，发现回风口流量相差较大，局部区域气流组织较差，气流倾斜较大问题。本文将采用对该区域相应的回风管进行改造的方式，以此改善气流组织，达到较好的控制环境。

表1 隔离器灌装段工况参数

2 数值模拟方法

2.1 物理数值及简化

该隔离器灌装段简化后的主体（工作区）的几何尺寸为：长（x）×宽（y）× 高（z）=3.4 m×1 .8 m×1 .37 m，而实际模型比较复杂，为了便于模拟计算以及提高计算速度，忽略了FFU 搭接边缘，认为布满比 100%，以均流膜截面为送风口，不考虑静压箱混合区域等，其基本结构以及布置如图1 所示。

图1 隔离器灌装段几何模型及平面布置示意图

2.2 模拟方法及控制方程

本文使用Fluent 软件，采用Realizablek-ε模型对隔离器内部气流进行模拟，主要控制方程包括连续性方程、动量方程、湍流动能方程、湍流耗散量ε方程、能量方程等，通过数值计算求解代数方程组获得场变量的近似值[3]。针对本研究，作如下假设：1）隔离器内部气流低速流动，且密度变化不大，看作不可压缩流体且符合Boussinesq 假设。2）内部流动为稳态流动。3）除鼠洞外，不考虑漏风影响，认为装置气密性良好。其通用方程[4]可表达为：

式中：φ通量变量速度矢量；Γ 通用方程扩散系数；S通用方程源项。

当φ为不同的物理量时，则上述通用方程演化成对应物理量的控制方程。

2.3 网格生成及边界条件

由于隔离器结构复杂且不规则，故采用非结构化网格，对于回风管进行单独网格划分，采用较小的网格尺寸，对主体网格划分，采用相对较大的尺寸，再进行网格合并，对局部区域如回风口等作加密处理。

顶部采用速度入口，大小为 0.45 m/s，工作区要求风速范围在（0.45±20%）m/s。两端的压力确定，左边单元为10 Pa，右边单元为40 Pa。回风管根据所对应的仓位计算回风量。模型壁面采用无滑移壁面条件。

3 模拟结果分析与讨论

3.1 对原模型进行模拟分析

从图 2 工作面压力，以及断面速度矢量图可以看出，工作区压力26.43～26.90 Pa，压力符合要求，即保证了生产环境的压力，而工作面附近气流流线倾斜较大，平行度较差，从回风管 1 对应的区域可知，k1-3 附近的流线密集。

图2 z=0.6 m 水平面压力云图及y=1 m 截面速度矢量图

从表 2 测点统计数据可以看出，超出风速范围的测点数量较多，不能满足工作区风速要求，速度方差较大，乱流度较大。流线倾角范围较大，与 Z 负轴的夹角最大值为34.4°，即与水平夹角为55.6°，流线的平行度较差。

表2 监测点统计与计算数据

回风口均布两侧，按理论设计，各回风口流量应当均等，比例一致。但从表 3 看出，风管 1（总流量1389 m3/ h）的三个回风口的风量的差别较大，比例极不平衡，距离回风立管较远的 k1-1 流量最小，离立管最近的k1-3 流量最大。这导致流线倾斜较大，也使回风口前区域的速度大小差别较大。

表3 风管管道1 的三个回风口流量比例

3.2 确定风管的优化方式

为解决回风口流量比例相差较大，气流较差等问题，以改善气流组织，保障药品生产环境，本节将采用对回风管改造的方式，并以单个回风管（回风管 1，各回风口尺寸长×宽为510 mm×106 mm）为研究对象。

1）在回风口处增加阻尼，回风口处ξ分别为4.5和100，记为工况1，工况2。

2）由于 k1-1 回风量极小，现只对 k1-2 与 k1-3 进行改变，加小隔片的尺寸为回风口 1.1 倍宽，1/4 倍长，从回风口左处与管道相连，与回风口呈 15° 角，装设在管道内，记为工况 3，见图3（a）。

3）加罩板的形式，其对于回风口呈 15° 角，左连风管，以及上下与风管封闭，仅右侧与管道相通，对于口k1-3 前的罩板，其正投影面的最右边线与口k1-3 最右边线重合，而口 k1-2 前的罩板到口 4/5 处，记为工况4，见图3（b）。

4）对于加挡片的形式，其与风口平行，较风口 1.5倍宽，1.1 倍长，与口 k1-3 相距 15 mm，与 k1-2 相距20 mm，记为工况5，见图3（c）。

进行模拟并统计，根据管道总压差，与管道流量，以及通过公式：ΔP=ξρv2/ 2，计算管路平均阻尼ξ值 。其统计计算结果见表4。

图3 管道1 不同的结构形式示意图

从表 4 可以看出，工况 1，2 增加风口处阻尼的方式，对回风流量比例有所改善，随着风口的阻尼增加，流量比例趋于一致，但是管路阻尼增加较大。工况 3，虽然对管路阻力的影响较小，但是改善作用很小。工况 4，改善作用明显，但是造成管路不小的阻力损失。综合来看，方式5 不仅能够明显改善回风流量比例，管道ξ增加不大，而且在实际项目当中较好实现，只需调整挡片的距离即可灵活改变回风口流量比例，当与口k1-3 相距10 mm，与 k1-2 相距15 mm，由表5 可知，各回风口流量比例接近一致。

表4 管道1 不同形式下回风口流量比例及管路阻尼系数

表5 调整后回风口流量比例及管路阻尼系数

3.3 对结构优化后的模型进行模拟分析

采用加挡片的方式优化后，对隔离器灌装段整体模拟分析。从图 4 可知，工作面的压力在 26.24～26.53 Pa，满足压力要求，从速度矢量图看出，工作面附近速度方向基本保持竖直向下，流线密集程度均匀，气流组织较好。从表6，7 可以看出，回风流量比例基本接近，超出速度范围的测点数量为 0，速度方差较小，乱流度较小。与 Z 负轴的夹角范围较小，且最大值为19.63°，即与水平夹角最小值为70.37°，角度方差较小，平行度较好。从测点速度大小及流线倾角的对比图（如图5）可知，采用管道内部加挡片的形式，速度大小波动较小，速度较为平均，并且完全满足速度要求，角度差异较小，均基本接近竖直方向。总体来看，隔离器灌装段优化后，明显改善回风管上各回风口的流量比例，使各回风口流量趋于一致，接近理论设计，进而改善工作区气流组织，保证了药品生产环境。

表6 优化后监测点统计与计算数据

图4 优化后z=0.6 m 水平面压力云图及y=1 m 截面速度矢量图

表7 优化后风管管道1 的三个回风口流量比例

图5 优化前后测点速度值与角度值对比图

4 结论

以上数值模拟分析比较了不同结构的回风管形式情况，以及隔离器灌装段采用这种优化方式前后的情况，可以得出以下结论：

1）在对回风管改造时，采用在回风管内部加挡片的形式，能够有效改变回风口流量比例，并且不会造成过大的阻力损失，是一种很好的改进措施。

2）即便隔离器灌装段底部两侧开设回风口，但因回风管的布置与结构，各回风口流量相差较大，偏离理论设计，导致气流倾斜较大，也导致该区域附近速度差异较大，气流组织较差。在采用管道内加挡片的形式对隔离器灌装段优化后，不会带来过多管路阻力损失而增加不必要能耗，能使各回风口流量比例接近一致，趋于理论设计，腔内气流就近排出，速度满足工作区要求，气流接近竖直方向，速度大小与流线倾角波动范围较小，乱流度较小，平行度较好，有较好的气流组织，能够保证药品灌装时的控制环境。