基于CFD模拟不同流道结构对通风柜安全性能的影响

任冰冰 郑大为

摘 要：通风柜是实验室中最容易被误解和被滥用的装置，增大排风量和面风速保持0.5m/s与通风安全性能呈弱相关性，将CFD模拟的方法融入并研究现有标准通风柜流道对以后通风柜的设计合理化具有重要的意义。利用该方法，我们获得了一种可靠的通风柜流道结构。本研究将三种标准通风柜流道结构和一种自设新型的流道结构进行CFD分析，数值分析内容从流速迹线、截面流速云图、截面压力云图和截面空气龄云图四个指标综合对通风柜的保护性能进行评估，并得出以下结论：流道1号，3号涡流存在于前视窗面且空气龄为22.5s和20s，涡流圈数为3圈和2圈，有害气体逃逸率较高；流道2号涡流存在于腔内上中部，圈数3圈，空气龄为13s，流道4号涡流存在于上中两侧，远离视窗面，涡流圈数为1圈，最大空气龄为8.2s。安全保护性能排序为4号＞2号＞3号≥1号，最终，设计的新型流道结构4号呈现优越的通风性能和保护性能，得到了一种可靠的新型通风柜流道结构，旨在对通风柜流道结构设计合理化的提供参考。

关键词：通风柜；流道结构；CFD数值模拟；湍流；空气龄（SVES）

通风柜作为重要的安全捕集有害气体的装置，对于维持可接受的实验室空气质量和防止科研人员接触潜在的有害物质至关重要，然而，通风柜却是实验室中最容易被误解和滥用的装置。

随着面风速概念的提出，就与通风柜安全性能画上了极强的相关性，长期以来，在生产者和使用者的惯性思维中，测试到安全范围内的平均面风速即可定义该通风柜是安全的［12］，随着该领域研究的不断深入，面风速和通风柜之间极强的关联性被质疑，研究结果表明：通风柜的面风速与实验人员缺乏关聯性，继而，通风柜安全性能的好坏不能只由面风速来评判［3］。通风柜工作腔内和视窗之间存在大量的湍流，并且产生边界层，大尺度的柜内涡流会增加气体的弥散，柜内流道结构会导致强涡流的产生，因此有害气体的泄漏率也会相应增大［4］。在通风柜工作腔内，边界层分离是局部区域气流的复杂流动现象。气流经过具有非流线型表面或边缘的结构时，产生的逆压可能导致靠近壁面的气流向上游移动，由此导致了最初附着在结构表面的附面层与表面分离［5］。导流板是常规用到的工作腔内部流道的设计元素，可以减少泄漏和边界层分离的影响［6］。以空气动力学原理，结合CFD数值模拟的方法，设计出新型门框结构可以有效地减少空气边界层的分离，避免视窗后涡旋产生，通风柜通风效率和安全性也得到了提升［7］。空气年龄（SVE3）、净逸出速度（NEV）和局部吹扫流量（LPFR），通过这三个指标，可以定量评价通风柜内形成的污染物浓度的分布，并且在通风柜前仅有一名研究人员时，研究人员的存在并不会显著影响通风柜开口面的有害气体的捕获效率，而循环气流流量和方式，对于空气龄的和有害气体的分布形成起主导作用［8］。此外，在Chip Allbright所著Laboratory Fume Hoods Explained一书中也提及，评价一个优质通风柜的重要指标之一就是湍流圈数，导流结构对于排风性能起到关键的作用。

本文将基于CFD数值模拟的方式，对通风柜工作腔内湍流特性、边界层和空气龄等参数进行比对分析，比对对象为不同通风柜3款标准和1款新型的流道结构设计，旨在对通风柜流道结构设计的合理化提供参考。

1 通风柜数值模型

流道模型建立。本次选取的研究对象为市面上3个标准通风柜流道结构和1个设计新型流道结构，标准外形尺寸（L×W×H）为1.8m×1.0m×2.4m，因生产工艺不同或有微小偏差。利用CAD三维建模软件，进行模型建立，如图1所示。

对于通风柜，气流从前置1.72m×0.5m的操作口进入柜体，从柜顶排风口排出。其柜内气流满足流体动力学定律，故可以根据流体力学相关的理论知识区分析其动态模型。流体力学基本的方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。根据各种形式的方程对柜内气流状态进行描述，并用element quality法对网格质量进行检查，网格划分满足基准结果和指南的标准，网格划分质量良好，网格数分别为5225462、5251102、5473921、5466559个。

（a）1号柜模       （b）2号柜模型       （c）3号柜模型       （d）4号柜模型

图1

2 对比结果分析

数值分析。本次数值模拟不包含温度场分析，也不存在冷热源，故将整个模型研究条件设置为常温常压，设置常压压力101325Pa，常温环境温度为298K。依据正常实验室设计条件设置初始条件，排风口管道压力150Pa，排风风量为1620m3/h，方向垂直于排风口，送风口送风风速为0.5m/s，模型视窗最大开合高度0.5m。模拟计算结果提取工作腔内流速迹线图2，如下所示：

（a）1号       （b）2号       （c）3号       （d）4号

图2 腔内流速迹线图

观察整体流速迹线图中涡旋圈数，流道14的圈数分别为3、3、2、1圈；对比模型14号腔内流速迹线图，我们可以发现，工作腔内导流结构虽为对称结构，但其中产生的湍流大小和位置均显示为随机性分布，高度分布在距工作平面高0.9m的截面上，与结构对称性联系呈相关分布，由此我们可以得出以下结论：

（a）流道1号工作腔右侧存在积聚较重的湍流涡旋，且观察视窗面，有较多气流从上往下流经视窗壁面。

（b）流道2号湍流分布虽比较均匀，但涡流呈纵向分布，横向气流旋转的同时接触视窗面。

（c）流道3号整体气流分布均匀，中心存在纵向涡流，左侧存在横向涡流，接触视窗面的气流呈现在中部和左侧。

（d）流道4号整体气流分布均匀，左边大涡流和右边小涡流呈后倾趋势，与视窗接触较少。

结合腔内整体速度迹线图和分析结果粗略来看，流道1号和2号湍流影响较大，3号和4号湍流影响较小。带着暴露的问题，我们具体分析流速迹线截面分布图，如图3所示：

（a）1号       （b）2号       （c）3号       （d）4号

图3 流速截面图

经过4张流速截面S1、S2的数据对比显示，我们可以得出：流道1号和3号，在柜前视窗面前地区流速有几近于0m/s的涡旋中心存在，有可能造成有害气体在视窗部位逃逸，流道2号在视窗卡角处存在流速较小区域，对于有害气体逃逸影响较小，流道4号的涡旋主要分布在柜体靠后的2端，涡旋远离视窗面，有害气体逃逸影响较小。

单纯地看涡旋的速度场不足以全面解释柜内有害气体逃逸的可能，还需结合柜内的空气龄指标印证通风柜流道的安全性能，在相同的对比条件下，依然取相同参考平面，观察柜体内部空气龄的分布如图4所示：

（a）1号 （b）2号 （c）3号 （d）4号

图4 空气龄截面图

观察图4流道4个不同空气龄截面分布显示，我们可以得出以下结论：

（1）流道1号较长的空气龄聚集在了前端视窗壁面处，其空气龄长达22.5s。

（2）流道2号较长的空气龄聚集在了后端，其空气龄长达13s。

（3）流道3号较长的空气龄聚集在了前端视窗壁面处，其空气龄长达20s。

（4）流道4号较长的空气龄聚集在了腔内左右两处，并未贴合视窗壁面，其空气龄长达8.2s。

综上所述，对比通过对流速迹线图、速度云图、压力云图和空气龄云图的数据结果，分析归纳后得出数据如下表所示：

3 结论与展望

本研究将三种标准通风柜流道结构和一种新型的流道结构进行CFD分析，数值分析内容从流速迹线、截面流速云图、截面压力云图和截面空气龄四个层面指标综合对通风柜的保护性能进行评估，并得出以下结论：

（1）从气流分布均匀程度来看，流道1号和流道3号均呈现“前小后大”，不利于有害气体排出的反向流速分布，工作腔前部贴合视窗部位流速较小，有助于有害气体逃逸；流道2号和流道4号速度云图呈现前后均匀分布，性能良好。

（2）从流速和压力云图来看，流道1号和3号在靠近视窗区域存在着较大涡旋，涡旋的产生降低了通风柜的保护性能，增大了有害气体的泄漏率；流道2号涡旋存在于腔内上中部，流道4号涡旋存在于腔内上中两侧，均离视窗较远，有害气体前视窗的泄漏率较低。

（3）从空气龄云图来看，流道1～4号呈现窗面时间分别为15.7s、11s、12.5s、7.2s，最长时间为22.5s、13s、20s、8.2s；流道1号和3号长龄分布位置为贴合视窗前部，流道2号存在于上中后部，流道4號存在于上中两侧。

综上所述，分析以上参数对比后，可以得出保护性能排序：4号＞2号＞3号≥1号，设计的新型流道结构4号呈现了优越的通风性能和保护性能；本文在同条件下对比了3种标准通风柜后，得到了一种可靠的新型通风柜流道结构，旨在对通风柜流道结构设计的合理化提供参考。

参考文献：

［1］Caplan KJ Knutson GW.（1982）A performance test for laboratory fume hoods.Am Ind Hyg Assoc J，43：722728.

［2］Maupins，Karen，and Dale T.Hitchings."Reducing employee exposure potential using the ANSI/ASHRAE 110 method of testing performance of laboratory fume hoods as a diagnostic tool."American Industrial Hygiene Association Journal59.2（1998）：133138.

［3］First，Melvin W.Laboratory chemical hoods：a historical perspective.AIHA Journal64.2（2003）：251259.