基于有限元模拟的超净工作台最优通风截面研究.pdf
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1、窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 2024基于有限元模拟的超净工作台最优通风截面研究杜晶晶1,于思源2*,杨昀硕3(1.神州细胞工程有限公司,北京100176;2.北京民利储能技术有限公司,北京100176;3.华北理工大学轻工学院,河北唐山063000)摘要目的院利用有限元模拟仿真软件探究超净工作台满足实验人员正常使用条件下的最优通风截面数据。方法院首先,采用SolidWorks软件构建垂直流超净工作台有限元模型。其次,采用Flow Simulatio
2、n软件对超净工作台有限元模型进行流体力学模拟,分析超净工作台可升降挡板不同开度(挡板下沿距洁净桌面的距离)时通风截面的气体流速、通风量及通风干扰度。最后,通过综合分析,推导出相对适宜的挡板开度。结果院模拟仿真综合结果显示,随着挡板开度尺寸的增加,超净工作台通风截面的气体流速及通风干扰度降低,而通风量在挡板开度尺寸为225 mm时出现峰值,通风量均值达到376.002 m3/h。结论院挡板开度尺寸控制在225 mm,即通风截面面积为0.248 m2时通风干扰相对较小,气体流速适中,通风量最佳。关键词有限元模拟;超净工作台;挡板开度;气体流速;通风量;通风干扰度中国图书资料分类号R318曰R319
3、文献标志码A文章编号1003-8868渊2024冤02-0028-07DOI院10.19745/j.1003-8868.2024025Study on optimum ventilation cross section of ultra-clean bench based onfinite element simulationDU Jing-jing1,YU Si-yuan2*,YANG Yun-shuo3(1.Sinocelltech Ltd.,Beijing 100176,China;2.Beijing Minli Energy Storage Technology Co.,Ltd.,Be
4、ijing 100176,China;3.Qing Gong College,North China University of Science and Technology,Tangshan 063000,Hebei Province,China)AbstractTo explore the data on the optimum ventilation cross section for the ultra-clean bench with finiteelement simulation software to meet the requirements of experimental
5、personnel in normal conditions.Firstly,afinite element model for the vertical flow ultra-clean bench was constructed with SolidWorks software,then fluid dynamicssimulation for the model was carried out with Flow Simulation software to analyze the gas flow rate,ventilation volume andventilation inter
6、ference of the cross section in case of different openings of the adjustable baffle(thedistanceofthelower edge ofthe baffle from the clean desktop),finally the suitable baffle openning was determined through comprehensive analysis.Simulation results showed that the gas flow rate and ventilation inte
7、rfence decreased with the increase of th baffle openning,and the ventilation volume peaked when the baffle openning was 225 mm and had the average value being 376.002 m3/h.The ventilation interference,gas flow rate and ventilation volume prove to have optimum results in case the baffleopenning is 22
8、5 mm and the ventilation cross-sectional area is 0.248 m2.悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造袁2024袁45渊2冤院28-34Key wordsfinite element simulation;ultra-clean bench;baffle openning;gas flow rate;ventilation volume;ventilationinterference0引言超净工作台又称为洁净工作台,其利用风机对空气进行流速控制,从而形成一个正压流通的有限作业空间。流通空气经过滤通道后形成的洁净空气
9、作为工作空间内的过滤气体,对工作空间进行不间断过滤吹扫,在工作状态下保持工作空间内的风速、空气洁净度、噪声、振动和照明等性能参数满足实验人员的要求1,为实验人员提供一个局部无尘、无菌的工作平台。超净工作台广泛应用于生物研发、医疗卫生、电子工业、食品加工等相关行业2,根据其出风位置不同大体分为垂直流超净工作台和水平流超净工作台。垂直流超净工作台风力场为垂直分布,经过预过滤和高效过滤后的洁净空气自上而下吹向工作空间台面,然后向设备两侧与环境大气交界处流动;水平作者简介院杜晶晶(1995),女,研究实习员,主要从事生物医学技术开发及应用方面的研究工作,E-mail:。通信作者院于思源,E-mail:
10、yusiyuanminli-栽澡藻泽蚤泽论著杜晶晶,于思源,杨昀硕.基于有限元模拟的超净工作台最优通风截面研究J.医疗卫生装备,2024,45(2):28-34.28 窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 2024流超净工作台风力场为水平分布,洁净空气自后向前或自前向后水平吹出。超净工作台截面风速的大小及均匀性影响着超净工作台的气流流场形态和对微粒的控制能力,对控制操作区洁净度、保护操作对象免受污染具有重要作用3,且截面风速对实验人员操作也存在影响。垂直流超
11、净工作台操作面侧有可升降玻璃挡板或有机玻璃挡板,在实验人员受最小冷风影响下,可降低实验气溶胶与实验人员接触的概率,所以在生物实验室中使用较为广泛。有研究对超净工作台进行过通风实验,通过落菌实验来测定洁净空间内的最优风速,但只考虑了通入风速,并未考虑出风口对其实验结果的影响3。为进一步研究超净工作台的不同通风截面面积下的气流状态,获得挡板的最佳升降高度,本文利用有限元模拟仿真软件探究超净工作台满足实验人员正常使用条件下的最优通风截面数据,采用SolidWorks软件进行建模,通过Flow Simulation仿真软件对垂直流超净工作台不同开口高度进行流体力学模拟,分析其工作过程中气流动力的变化,
12、并通过数值计算和图像显示的方法,在空间和平面上定量描述,模拟出在提供足够手臂操作空间的基础上保证洁净作业空间内的最佳通风截面面积4-5。1超净工作台有限元模型构建本研究以实验室中通用的双人单面式垂直流超净工作台为参考设备,使用SolidWorks软件进行有限元模型构建。为便于后续模拟中不同零部件的不同边界收敛条件的控制,将垂直流超净工作台划分为工作台支撑外壳、升降玻璃挡板、送风机组及高效过滤器四大部件。因垂直流超净工作台中的紫外线灯、照明灯及初级过滤器对工作空间内的洁净气体流动影响较小,故不单独对其进行有限元模型构建。确定好需要建模的四大部件之后,利用SolidWorks软件对其分别进行模型构
13、建。1.1工作台支撑外壳的设计建模垂直流超净工作台支撑外壳作为整个工作台的骨架部分,其所有部件均以工作台支撑外壳为撬装基础。本研究中的工作台为双人单面垂直流超净工作台,其工作台支撑外壳尺寸为1 300 mm伊580 mm伊1 600 mm(长伊宽伊高),洁净工作区域空间尺寸为1 140 mm伊400 mm伊600 mm(长伊宽伊高),送风机组进风口尺寸为400 mm伊400 mm(长伊宽)。将材料设定为不锈钢材质,并在工作台后背板外壳开33个单个面积为929.23mm2的通风口。工作台支撑外壳顶部为空心结构,需将后续建模的送风机组和高效过滤器配合放置于其内部。工作台支撑外壳模型如图1所示。工作
14、台支撑外壳作为垂直流超净工作台的主要支撑部件,在其建模设计过程中需按照设备实际尺寸进行空间尺寸还原,以免在后续气流动力分析中受影响。将外壳尺寸、洁净工作区域空间尺寸和送风机组进风口尺寸进行约束控制,对于不作为本次约束边界条件的模型,仅凸显其空间位置和装配形态即可。1.2升降玻璃挡板的设计建模升降玻璃挡板的设计建模是本研究的重点,其主要作用是控制洁净工作空间内洁净气体与外部大气的通风截面,保证实验人员在洁净工作空间内进行操作,进而控制内部通风量和气流运动状态。升降玻璃挡板的结构虽然简单,但其对于实验人员和洁净工作空间内的洁净气流动力有着至关重要的作用。升降玻璃挡板设计尺寸为1 160 mm伊42
15、0 mm伊3 mm(长伊宽伊厚),设定其为透明钢化玻璃材质。外形尺寸设计完成后,着重对玻璃挡板的开度尺寸进行设计,在软件中使用固定间距尺寸功能对其进行开度约束。不同开度的升降玻璃挡板如图2所示。1.3送风机组的设计建模送风机组的作用就是进行空气的强制循环,以确保气流通过下方的高效过滤器进入洁净工作空间。在后续模拟中,送风机组较为关键的约束条件为顶部送风开口大小,作为工作台整体唯一持续进风部件,需要对顶部送风开口的尺寸进行约束,约束尺寸为400 mm伊400 mm(长伊宽)。垂直流超净工作台送风机组模型如图3所示。1.4高效过滤器的设计建模高效过滤器为工作台的最后一道也是最重要的空气过滤装置,其
16、可将送风机组送入的空气进行过滤,滤去空气中的尘埃粒子,并消除病菌、病毒的活动载体和滋生环境6,所以高效过滤器具有一定的通透性。在高效过滤器的设计建模过程中,设计尺寸为图1垂直流超净工作台支撑外壳模型(a)开度为150 mm的升降玻璃挡板(b)开度为275 mm的升降玻璃挡板图2垂直流超净工作台升降玻璃挡板模型栽澡藻泽蚤泽论著杜晶晶,于思源,杨昀硕.基于有限元模拟的超净工作台最优通风截面研究J.医疗卫生装备,2024,45(2):28-34.29 窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2
17、窑 February 窑 20241 135 mm伊460 mm伊50 mm(长伊宽伊高)。垂直流超净工作台高效过滤器模型如图4所示。依据ISO 16890标准规定的颗粒物质量过滤效率7-8,选用Flow Si-mulation仿真软件中的多孔介质项,赋予其等同于100级过滤精度、洁净度99.99%的高效过滤器特性。1.5垂直流超净工作台整体建模装配将完成设计建模后的4块相互独立的零件插入至SolidWorks软件的装配图中,以垂直流超净工作台支撑外壳模型为基础零件,并予以空间固定,将其余3个零件进行空间装配,组合成完整的模型。整体模型中最为关键的是升降玻璃挡板与工作台面的距离配合参数。垂直流
18、超净工作台装配体及渲染模型如图5所示。2气流动力模拟分析在垂直流超净工作台模型构建过程中,通过可升降玻璃挡板控制洁净工作空间与大气接触的面积。截面开口大小对空腔通风量的影响是综合的9,因模拟过程中需要给予模型一个求解目标,故使用密封端口功能在升降挡板与桌面的开口位置建立1个密封端面,密封端面的长度、厚度为固定尺寸,高度尺寸为变化值。以此挡板内表面为模拟分析求解面,控制挡板高度尺寸(等同于玻璃挡板与桌面的配合开口尺寸)进行不同变量的数值模拟,以150 mm为初始分析高度,依次递增25 mm至开口高度为275 mm位置终止。2.1垂直流超净工作台有限元通用基础条件设置2.1.1有限元模型基础常规条
19、件预设在使用仿真模拟软件对模型进行动态模拟前,需要预先设置基础常规条件:(1)本研究主要探究超净工作台内部洁净工作区域的气流流动特性,故预设分析类型为有限元空间内部。(2)在超净工作台初始模型中,需要排除可能存在无气流流动的空腔,故预设排除装配体内不具备流动条件的腔室。(3)为让仿真数据更贴近现实,需要赋予气体重力加速度,故预设气体重力加速度为y轴方向分量(-9.81 m/s2)。(4)需要对仿真的工质进行物性设定,故预设模拟流体工质为空气,比热比为1.399,分子质量为0.028 96 kg/mol,空气温度设定为室温21 益,动力黏度、比热容及热导率如图6所示。(5)考虑气体在空间内的流动
20、规则要贴近现实,气流流动应该为不规则运动,故预设流体特征为湍流。2.1.2有限元模型基础边界条件预设设置有限元模型基础边界条件可以控制仿真模拟的有效收敛,确保模拟数据的有效性和准确性。(1)预设送风机组进风口风向垂直于风机平面,进风口空气速度为设备通用的最大风速0.6 m/s,空气湍流强度为10%、湍流长度为0.006 25 m。(2)湍流强度(I)确定:I=0.16伊(Re)-1/8式中,Re为进风口空气雷诺系数,Re=d伊v伊籽/滋。其中,d为当量直径,d=4S/L,S为空气进风口截面面积,L为空气进风口截面周长;v为空气流速;籽为室温21 益时的空气密度;滋为室温21 益时的空气运动黏度
21、系数。将各参数代入公式,计算得出I:I=0.16伊(4伊0.16/1.6伊0.6伊0.001 29)/0.000 015-1/8=0.10根据计算所得数据,取模型湍流强度为10%。(3)预设密封端面为压力开口,压力为环境压力101 325 Pa(密封端面的尺寸变量只改变其洁净工作区域与大气环境的接触面积,不影响其预设的边界条件)。(4)预设模型工作台后背板外壳开33个单个面积为929.23 mm2的通风口为统一边界条件,设定为压力开口,压力为环境压力101 325 Pa。2.1.3有限元模型网格无关性验证从有限元分析的原理上看,网格划分得越细密,(a)送风机组进风口侧(b)送风机组出风口侧图3
22、垂直流超净工作台送风机组模型图4垂直流超净工作台高效过滤器模型(a)装配体模型(b)装配体渲染模型图5垂直流超净工作台装配体模型及渲染模型栽澡藻泽蚤泽论著杜晶晶,于思源,杨昀硕.基于有限元模拟的超净工作台最优通风截面研究J.医疗卫生装备,2024,45(2):28-34.30 窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 2024求解结果的精度越高。但在实际工程的设计和应用中,网格数量的急剧增加会导致计算的时间成本大幅增加,而且当网格达到一定数量后计算精度的提高并不
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