CN108804723B - 一种基于cfd模拟的通风柜污染物捕集效果的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于CFD模拟的通风柜污染物捕集效果的评价方法。所述方法是通过CFD模拟对通风柜内污染物浓度场进行三维模拟，分析通风柜污染物浓度场的分布趋势和浓度，并根据分析结果确定相应的危害防护措施。

Description

一种基于CFD模拟的通风柜污染物捕集效果的评价方法

技术领域

本发明涉及职业卫生与职业危害接触控制技术和室内环境科学技术领域，具体而言是一种基于CFD模拟的通风柜运行噪声控制的方法。

背景技术

通风柜是是实验室中污染物排放控制的常用设备。

目前大多数实验操作者对于通风柜污染物捕集效果的评价仅仅是根据出厂时的抽检报告，而忽略了对通风柜在实际使用过程中捕集效果的评价。但是实验室内通风柜的实际运行工况相对复杂，一般会涉及内置仪器设备、加热操作和污染物排放等；同时很多实验过程需要操作者长时间以坐姿来完成，由此造成人员的呼吸带非常接近通风柜入风面，加上人员尾流的叠加效应增加了实验操作者接触有害污染物所带来的职业健康危害。特别是对于一些具有非常低的职业接触限值的污染物，如肼类(0.01ppm)、砷化氢(0.005ppm)以及大量的活性药物成分和毒理信息尚不明确的新化学物质，这样的接触风险更是应当引起足够的重视。因此，在无法完全避免各种化学品使用的前提下，非常有必要对通风柜实际使用过程中的捕集效果进行分析评价，切实保护实验室工作者的职业健康和安全。

目前，常用的通风柜对于污染物捕集效果评价方法主要包括定性和定量两大类。前者是通过烟雾发生器、粒子成像仪和高速摄影设备等来分析通风柜内气流组织，从而间接地定性评估其对于污染物的捕集效果；后者包括通过对通风柜入口面风速现场实测间接评估的方法和示踪气体检测直接评估的方法。虽然以上方法已经比较成熟，但都存在明显的缺陷，即只能间接、定性地进行评估；即使是进行示踪气体定量评估，也会产生产生大量温室气体排放、通风柜过滤效率降低以及检测仪器灵敏度不足等问题，而且工作量和资金投入都非常大。

因此，我们需要一种新的评估方法，可以模拟通风柜内污染物浓度场的分布趋势和浓度，对通风柜实际使用过程中污染物捕集效果进行定量评估，并对比设定的污染物控制限值提出相应防护措施的建议，以解决目前现有评估方法中的各种缺陷问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提出一种基于CFD模拟的通风柜污染物捕集效果的评价方法。所述方法是通过CFD模拟对通风柜内污染物浓度场进行三维模拟，分析通风柜污染物浓度场的分布趋势和浓度，并根据分析结果确定相应的危害防护措施。

在本发明一实施例中，利用FLUENT软件对所述通风柜污染物浓度场进行三维模拟。特别地，利用FLUENT前处理软件ICEM CFD进行三维模拟。

在本发明一实施例中，所述方法包括以下步骤：步骤1.根据所述通风柜的三维结构划分网格，并确定三维模拟所需的相关参数、初始条件和边界条件；步骤2.在所述FLUENT软件中设定各相关参数并计算获得分析结果；步骤3.根据步骤2获得的结果确定所述通风柜的入口面上的污染物浓度值分布趋势；以及，步骤4.将步骤3所确定的污染物浓度的最大值与一预设的污染物控制限值进行比较，确定职业危害接触分级。

在本发明一实施例中，三维模拟所需的相关参数包括：操作环境参数、通风柜内置障碍物参数、热源温度、污染物释放特征和通风柜三维几何尺寸。

在本发明一实施例中，所述操作环境参数包括：通风柜入风口的平均面风速值。

在本发明一实施例中，所述通风柜内置障碍物参数包括：障碍物的长宽高尺寸和障碍物在通风柜内所处的位置。

在本发明一实施例中，所述污染物释放特征包括：污染物释放速率和初始浓度。

在本发明一实施例中，所述热源温度是指发热面的表面温度。

在本发明一实施例中，在所述步骤4中，将步骤3所确定的污染物浓度的最大值与一预设的污染物控制限值进行比较，确定职业危害接触分级。也就是说，在步骤4中，根据所确定的污染物浓度的最大值所占预设的污染物控制限值的百分比，来确定职业危害接触分级，并根据该分级来确定所对应的防护措施。表1所列的为污染物浓度的最大值所占预设的污染物控制限值的百分比、职业危害接触分级及防护措施的对应表。

表1.污染物浓度的最大值与预设的污染物控制限值的百分比、职业危害接触分级及防护措施的对应表

在本发明一较佳实施例中，提供一种基于CFD模拟的通风柜污染物捕集效果的评价方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1.CFD三维建模

(1)确定模拟场景和初始参数

确定模拟场景为化学通风柜，所需的通风柜入口风速值为0.57m/s；

(2)几何模型建立和网格划分

利用FLUENT前处理软件ICEM CFD构建整个模拟区域的三维模型：在通风柜内部台面中心位置构建一个圆柱体，在两侧距其50mm处对称构建两个长方体，长方体的底面中心点与圆柱体底面中心点处于同一水平位置，分别模拟实际通风柜使用过程中内部放置的污染物释放源和恒温加热平台；另外，在通风柜内部台面水平中心位置且距离通风柜入口平面50mm处构建一长方体，以模拟内置的仪器设备；然后，获得模拟区域的网格数据；

步骤2.FLUENT求解

(1)参数设置

将所述网格数据文件导入FLUENT求解器并完成网格质量检查，根据待模拟的场景进行参数设定：根据通风柜入口气流的状态选择标准k-ε紊流计算模型、定义流体物理性质、热源温度和污染物释放特征；模拟过程中需要定义的边界条件包括：速度入口、出口排风风机、通风柜固体壁面、质量流入口边界条件；随后启动组分输运模型，设置组分为空气和污染物的混合物；对算例进行检查无出错信息后进行流场初始化；

其中，所述操作环境参数包括：通风柜入风口的平均面风速值；所述污染物释放特征包括：污染物释放速率和初始浓度；所述热源温度是指恒温加热平台的表面温度；

(2)FLUENT迭代运算

经过相关参数设置后，开始进行迭代运算，求解方式为SIMPLE(Semi-ImplicitMethod of Pressure-Linked Equations)，能量的残差收敛因子设为1E-06，其他各变量的残差收敛因子设为1E-04；使用双精度求解器和二阶精度离散格式进行计算；当残差曲线区域稳定时，停止运算；将得到的运算结果导入后处理模块CFD-POST，进行数据可视化分析；

步骤3.结果分析

利用FLUENT自带的后处理功能对结果进行可视化分析，得到通风柜内部污染物的分布趋势和浓度；根据污染物的浓度最大值与以预设的污染物控制限值的比值，按照表1来确定职业危害接触分级。

在本发明中，利用FLUENT软件模拟通风柜内污染物的分布情况和浓度数值，并将数值模拟结果与预设的污染物控制限值进行比较，进而提出相应的职业危害接触防护措施。因此，利用本发明所述方法，可以解决现有评价技术中大量温室气体排放、无法分析通风柜内浓度场的整体分布状况、人工检测劳动强度大以及仪器复杂程度高等问题，从而实现数值模拟过程简单、人工劳动强度小和污染物捕集效果评价准确的优点。通过职业危害接触防护措施的实施，从而降低实验操作人员的职业健康和安全风险，改善实验室工作环境。

附图说明

图1是通风柜入口平均面风速测量方法示意图；

图2是CFD模拟的几何模型结构图；

图3是通风柜的网格划分示意图；

图4是通风柜入口面污染物浓度值云图；

图5是通风柜内不同高度污染物扩散趋势图；

图6是污染物释放口水平面上温度分布图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做详细的说明，实施例旨在解释而非限定本发明的技术方案。

根据本发明实施例，提供了一种基于CFD模拟的通风柜污染物捕集效果的评价方法。所述方法是通过CFD模拟对通风柜内污染物浓度场进行三维模拟，分析通风柜污染物浓度场的分布趋势和浓度，并根据分析结果确定相应的危害防护措施。

所述方法具体包括以下步骤：

步骤1.CFD三维建模

(1)确定模拟场景和初始参数

确定模拟场景为化学通风柜，所需的通风柜入口风速值为0.57m/s；

(2)几何模型建立和网格划分

利用FLUENT前处理软件ICEM CFD构建整个模拟区域的三维模型：在通风柜内部台面中心位置构建一个圆柱体，在两侧距其50mm处对称构建两个长方体，长方体的底面中心点与圆柱体底面中心点处于同一水平位置，分别模拟实际通风柜使用过程中内部放置的污染物释放源和恒温加热平台；另外，在通风柜内部台面水平中心位置且距离通风柜入口平面50mm处构建一长方体，以模拟内置的仪器设备；然后，获得模拟区域的网格数据；

步骤2.FLUENT求解

(1)参数设置

将所述网格数据文件导入FLUENT求解器并完成网格质量检查，根据待模拟的场景进行参数设定：根据通风柜入口气流的状态选择标准k-ε紊流计算模型、定义流体物理性质、热源温度和污染物释放特征；模拟过程中需要定义的边界条件包括：速度入口、出口排风风机、通风柜固体壁面、质量流入口边界条件；随后启动组分输运模型，设置组分为空气和污染物的混合物；对算例进行检查无出错信息后进行流场初始化；

其中，所述操作环境参数包括：通风柜入风口的平均面风速值；所述污染物释放特征包括：污染物释放速率和初始浓度；所述热源温度是指恒温加热平台的表面温度；

(2)FLUENT迭代运算

经过相关参数设置后，开始进行迭代运算，求解方式为SIMPLE(Semi-ImplicitMethod of Pressure-Linked Equations)，能量的残差收敛因子设为1E-06，其他各变量的残差收敛因子设为1E-04；使用双精度求解器和二阶精度离散格式进行计算；当残差曲线区域稳定时，停止运算；将得到的运算结果导入后处理模块CFD-POST，进行数据可视化分析；

步骤3.结果分析

利用FLUENT自带的后处理功能对结果进行可视化分析，得到通风柜内部污染物的分布趋势和浓度；根据污染物的浓度最大值与预设的污染物控制限值的比值，按照表1来确定职业危害接触分级。

以下，结合如图1至图6所示，具体阐述本发明所述的一种基于CFD模拟的通风柜污染物捕集效果的评价方法，实施步骤如下：

1.CFD三维建模

(1)确定模拟场景和初始参数

本模拟选择的通风柜为某公司生产的化学通风柜。通风柜内部尺寸为L1590×W550×H870(mm)。通风柜为全钢框架结构内衬阻燃材料，滑动拉门采用防爆安全玻璃；所有的功能部件如开关、阀门和照明具等均不置于柜内，防止腐蚀而带来的危险。

测量实验室内气流速度，确保在距离通风柜1.5m范围内无超过0.15m/s的横向气流干扰。测试开始前通风柜运行至少5min保证残余气体的排空，同时稳定柜内气流。随后启动风机并将通风柜拉门设置于半开启高度。

根据附图1所示的通风柜面风速测量方法，具体的采样点设置和采样方法如下所述。

用多根细线在通风柜入口水平和垂直方向上四等分，横纵线围成的各个矩形区域即为面风速采样区域。经过四等分后每个矩形区域面积小于0.09m²且长边不超过330mm，每个矩形的对角线交点作为实际采样点，这样使得采样点均匀分布。热线式风速计采样时间常数设定为20s，每秒钟读数一次，记录20s内所有风速数据取平均值作为第一个采样点的实测风速值，依此方法测量其他各个点位的风速值。测量过程中应搭设支架固定风速计进行测定以避免人员移动所造成的数据波动。将测得的16个点的风速值取平均数得到数值模拟所需的通风柜入口风速值为0.57m/s。

(2)几何模型建立和网格划分

根据实际所需模拟的实验室通风柜结构，使用FLUENT前处理软件ICEM CFD即可构建整个模拟区域的三维模型。在通风柜内部台面中心位置构建一个圆柱体(直径90mm,高度400mm)，在两侧距其50mm处对称构建两个长方体(L100mm×W100mm×H145mm)，长方体的底面中心点与圆柱体底面中心点处于同一水平位置，分别模拟实际通风柜使用过程中内部放置的污染物释放源和恒温加热平台。另外，在通风柜内部台面水平中心位置且距离通风柜入口平面50mm构建一长方体(L220mm×W160mm×H160mm)模拟内置的仪器设备，几何模型如附图2所示。然后根据由点到线，由线到面，由面到体的步骤，在ICEM CFD中构建整个模拟区域的网格。特别地，在空气流动发生剧烈变化的地方，如通风柜的出入口平面和壁面进行网格加密处理，模型划分的网格总数为2554185，网格划分如附图3所示。

2.FLUENT求解

(1)参数设置

将ICEM CFD生成的网格文件导入FLUENT求解器并完成网格质量检查，根据待模拟的场景进行参数设定：根据通风柜入口气流的状态选择标准k-ε紊流计算模型、定义流体物理性质(通风柜入口面风速值0.57m/s)、热源温度(200℃)、污染物释放特征(污染物为六氟化硫，释放速率8Lpm，初始浓度33％)。模拟过程中需要定义的边界条件包括：速度入口(velocity-inlet)、出口排风风机(exhaust-fan)、通风柜固体壁面(wall)、质量流入口边界条件(mass flow-inlet)。随后启动组分输运模型，设置组分为空气和六氟化硫的混合物。对算例进行检查无出错信息后进行流场初始化。

(2)FLUENT迭代运算

相关参数设置和流场初始化完成后，开始进行迭代运算，求解方式为SIMPLE(Semi-Implicit Method of Pressure-Linked Equations)，能量的残差收敛因子设为1E-06，其他各变量的残差收敛因子设为1E-04，以确保较高的计算精度和较快的收敛速度。由于污染物泄漏浓度一般为痕量级，需要启用双精度求解器和二阶精度离散格式进行计算以获得更高精度的流场数据。观测残差监视器，待其中的残差曲线随迭代步增加趋于稳定时，可以认为运算已经收敛，停止运算。最后，将得到的运算结果导入后处理模块CFD-POST，进行数据可视化分析。

3.结果分析

利用FLUENT自带的后处理功能对结果进行可视化分析，得到通风柜内部污染物的分布趋势和浓度，获得图4、图5及图6的模拟结果。从图4中我们可以看到，入口面上污染物浓度较高的区域集中在上侧靠近中间处(质量浓度最大值2.686e-5，即5.4ppm)，并逐渐向两侧扩散降低至0.38ppm，但浓度值还是超过了设定的污染物控制限值0.2ppm(以六氟化硫为示踪气体，释放速率为8Lpm)。同时，如图5所示的通风柜内不同高度处的监测线上的污染物浓度值，也可以看出其扩散分布趋势，即污染物从释放口流出后随高度增加逐步向两侧扩散，浓度梯度减小；靠近通风柜入口面浓度梯度小于远离入口面一侧的浓度梯度，说明扩散后的污染物浓度降低不明显，靠近通风柜入口处有一定的污染物外泄。另外，图6说明了热源温度产生的影响比较有限，与污染物释放口相同高度的平面上温度最大值仅300.6K且涉及范围很小，未对污染物向外扩散产生明显的影响。

最后，计算出模拟结果所占设定的污染物控制限值CL的百分比，根据表1进行分类，确定此案例职业危害接触风险较高(>100％CL)，所对应的防护措施主要有改进工艺、增加其他有效的工程控制措施、持续进行污染物职业接触监测、使用个体防护用品以及职业健康危害信息沟通。

验证实验

为了验证本发明所述CFD的模拟准确性，采用与模拟完全一致的条件，通过现场实验进行验证。采用手持式电子捕获检测器(ECD)和气相色谱热导检测器(GC-TCD)检测得的污染物浓度值，以及本发明所述CFD模拟得到的污染物浓度值，汇总对比请参见表2。

表2.ECD、GC-TCD及本发明所述CFD模拟得到的污染物浓度值

从表2中数据可知，污染物泄漏集中在通风柜入口面上侧中间处并逐渐向两侧扩散降低，且模拟和实验的差值最大为0.9ppm，最小为0.18ppm，在痕量级的污染物浓度扩散分析过程中是可接受的，表明本发明的模拟结果准确，因而，基于该模拟结果的评价结果也是准确的。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已公开的实施例并未限制本发明的范围。相反地，包含于权利要求书的精神及范围的修改及均等设置均包括于本发明的范围内。

Claims (2)

1.一种基于CFD模拟的通风柜污染物捕集效果的评价方法，其特征在于，所述方法包括：

S1:通过CFD模拟对通风柜内污染物释放源产生的污染物浓度场进行三维模拟：

利用FLUENT软件对所述通风柜污染物浓度场进行三维模拟；

利用FLUENT前处理软件ICEM CFD构建整个模拟区域的三维模型：在所述通风柜内部台面中心位置构建一个圆柱体，在该圆柱体的两侧对称构建两个长方体，分别模拟所述通风柜内部放置的所述污染物释放源和恒温加热平台；在所述通风柜的内部台面水平中心位置且距离通风柜入口平面50mm处构建一长方体，以模拟内置的仪器设备；然后，获得模拟区域的网格数据；

S2:利用FLUENT求解：

将所述网格数据文件导入FLUENT求解器并完成网格质量检查，根据待模拟的场景进行参数设定：根据通风柜入口气流的状态选择标准k-ε紊流计算模型、定义流体物理性质、热源温度和污染物释放特征；模拟过程中需要定义的边界条件包括：速度入口、出口排风风机、通风柜固体壁面、质量流入口边界条件；随后启动组分输运模型，设置组分为空气和污染物的混合物；对算例进行检查无出错信息后进行流场初始化；

其中，操作环境参数包括：通风柜入风口的平均面风速值；所述污染物释放特征包括：污染物释放速率和初始浓度；所述热源温度是指恒温加热平台的表面温度；

经过相关参数设置后，开始进行迭代运算，求解方式为SIMPLE，能量的残差收敛因子设为1E-06，其他各变量的残差收敛因子设为1E-04；使用双精度求解器和二阶精度离散格式进行计算；当残差曲线区域稳定时，停止运算；将得到的运算结果导入后处理模块CFD-POST，进行数据可视化分析，得到通风柜内部污染物的分布趋势和浓度；根据污染物的浓度最大值与预设的污染物控制限值的比值，确定职业危害接触分级及防护措施，如下：

所述污染物浓度的最大值与预设的污染物控制限值的百分比小于1％时，确定所述职业危害接触分级为0，不需要采取防护措施；

所述污染物浓度的最大值与预设的污染物控制限值的百分比大于等于1％且小于等于10％时，确定所述职业危害接触分级为1，防护措施为：仅进行职业健康危害信息沟通；若涉及活性药物成分高风险物质接触，每一至三年进行再次进行接触浓度检测；

所述污染物浓度的最大值与预设的污染物控制限值的百分比大于10％且小于等于50％时，确定所述职业危害接触分级为2，防护措施为：进行职业健康危害信息沟通和年度接触浓度检测；

所述污染物浓度的最大值与预设的污染物控制限值的百分比大于50％且小于等于100％时，确定所述职业危害接触分级为3，防护措施为：进行职业健康危害信息沟通；采取有效的工程控制措施并至少每6个月进行一次接触浓度检测，直至接触浓度值<50％；

所述污染物浓度的最大值与预设的污染物控制限值的百分比大于100％时，确定所述职业危害接触分级为4，防护措施为：进行职业健康危害信息沟通；改进工艺或采取有效的工程控制措施并至少每月进行一次接触浓度检测，直至连续两次接触浓度检测值<50％；使用个体防护设备。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通风柜内置障碍物参数包括：障碍物的长宽高尺寸和障碍物在通风柜内所处的位置。

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