中国电子系统工程第三建设有限公司  张梅

摘要：随着工业技术的不断进步,现代工艺产品的生产和现代科学实验活动等对室内空气洁净度的要求越来越高。特别是生物医药、电子厂房、数据中心等生产都离不开高质量、高纯度、精密化、高可靠性的室内环境。而房间内的气流组织形式是影响房间洁净度、悬浮粒子颗粒数、温湿度均匀性、压差、空调能耗等的重要因素。针对肉眼无法直观看见的气流组织，我们将会在设计阶段或施工深化设计指导阶段利用CFD气流仿真模拟软件对气流组织方案进场模拟分析，选型最优方案。

关键词：CFD气流仿真模拟、生物医药、深化设计、方案选择

一、影响生物制药厂房洁净室品质的直接因素

1、换气次数：送风房间的气流充满整个洁净室房间，稀释空气中的含尘浓度，并最终将污染空气排放至室外，保证室内空气品质。工程中房间换气次数是一个经验值。与房间的体积、层高、送风方式、及室内压差要求密切相关。洁净厂房设计规范、医药工业洁净厂房设计规范和ISO14644国际规范等对不同行业、不同洁净度等级的房间换气次数都有着具体要求：

表1 三本规范对不同洁净等级换气次数要求

上表为洁净厂房设计规范、医药工业洁净厂房设计规范和ISO14644国际规范对不同洁净等级房间的换气次数和截面风速的数值对比。

2、工作区截面的风速：是A级洁净室单向流的断面风速，它是保证A级洁净级别的重要参数。

3、气流组织：洁净室按气流组织主要有单向流、非单向流、辐流、混合流。对于B级背景下A级送风环境或A级洁净室要求气流组织必须为单向流。利用“活塞”般的挤压作用,迅速把室内污染物排出。

4、房间静压差：为保证房间洁净度要求。对于无毒、无有害气体排放的洁净室，要求洁净室维持一定的正压，防止室外空气进入洁净室。对于生物制药厂房等要保证洁净度负压差，防止洁净室有毒有害气体外溢。

5、温湿度：在生物制药洁净室中，温度湿度对产品工艺生产和细菌繁殖等有重要的影响。

二、CFD气流仿真模拟在生物制药项目中的应用

1、CFD气流仿真模拟原理

CFD气流模拟软件的结构由前处理、求解器及后处理三大模块组成，其中前处理包括建立几何模型、划分节点等；求解器包括确定控制方程、控制方程离散化、输入初始条件、输入边界条件、输入其他相关参数等；后处理即为速度场、温度场、压力场等的计算机可视化。

CFD软件的核心部分是纳维-斯托克斯(Navier-Stokes方程)方程组（包括了连续性方程，动量守恒方程，质量守恒方程）的求解模块。

Navier-Stokes方程为可压缩粘性流体方程：

由于空气流态、流速、温度压力等都会随着时间空间的变化而变化，通过传统计算手段无法直观地得出空气的运动轨迹。利用计算机强大的迭代计算能力和资料存储功能对空气状态经行模拟。本文中将针应用Fluent软件在生物洁净室CFD气流模拟的应用中进行介绍。

2、CFD气流仿真模拟在生物制药项目中的应用

1、设计阶段：正确的选择气流组织，可充分发挥干净空气的稀释作用，限制和减少灰尘对洁净房间操作区的污染。因此设计师在设计阶段要考虑气流组织的合理性，尽量减少涡流的产生，减少空气交叉污染的可能性。空气的状态又无法直观地看出。这就需要借助CFD仿真模拟软件对空气气流状态进行模拟。CFD可实现对生物洁净室内气流组织分布的有效预测，模拟室内气流组织如温度、风速、空气龄、室内静压等分布情况。设计师根据模拟情况对设计方案进行优化；

2、施工阶段：由于洁净室空间受限或投资成本受限，施工方在施工阶段会根据施工现场的实际情况对设计方案进行深化设计。存在更改气流组织方式、增减风口、改变风口安装位置等。导致洁净室气流组织较设计阶段发生改变。增大空气速度场的不均匀性，增加涡流区产生或扩大。增大生物洁净室交叉污染的风险。所以施工单位在深化设计阶段需要根据现场实际情况对深化方案进行模拟，验证方案可行性。

图2-1 CFD在项目中的应用流程图

三、CFD气流模拟在生物制药项目中的案例

本次模拟的是我公司针对之前实施的某生物制药项目仓库高大空间钢平台的气流模拟。仓库区域长40m，宽7m，高22.4m。

模型的建立：根据业主提供的设计图纸和实地考察进行数据建模的建立，为考虑最不利情况同时对比设计院的模拟结果，按照货架的布置简化为多个立方体。钢平台采用按照业主方提供的钢平台图纸仅四周开400mm镂空样式。货架及钢平台的模型按照业主方提供的大福钢平台布置图作为前置条件。

气流组织方案：顶送1/2，二层、三层吊顶上方东西两侧分别侧送1/8。

图3-1 模拟模型

图3-2 CFD网格划分

1、流场模拟

分别从 XY、YZ、ZX 三个平面选取特征截面。多方向选取截面，有利于更好的观察流场的分布情况。XY 平面选取不同垂直高度截面，YZ 平面选取货架不同位置截面，ZX 平面选取进风口、回风口处的截面。

图3-3 模拟区域各XY平面切片流场速度矢量图

图3-4 模拟区域各ZY平面切片流场速度矢量图

图3-5 Vzy2平面截面矢量图

图3-6 模拟区域XZ平面切片流场速度矢量图

分析：本次模拟各面气流，1层、夹层、2层、3层气流均匀，无较大乱流区域存在；4层顶部中间存在小部分涡流区域；

2、出风速度均匀性测试

下表为CFD模拟在模型4m、10m、18m处各测点的风速统计情况。 由表可看出各测点风速较为均匀。

4m高处20个测点风速 (m/s)

10m高处20个测点风速 (m/s)

18m高处20个测点风速 (m/s)

3、结果分析：

（1）整体气流组织较为均匀，接近单向流，但存在涡流现象（如下图所例）。由于模拟的方面并非绝对的单向流，且货架会阻挡气流，在气流组织中产生涡流不可避免。本次模拟中虽然存在涡流现象但涡流面积并不大，且多为靠边墙区域。同时参考模拟的空气龄结果，模拟全区的空气龄均不大，可看出涡流区的空气并没有滞留。因此整体来看，气流均匀度效果较理想，货架区域气流置换合理。

（2）该区域大部分区域流线偏转角较小，均匀度较好，空气龄均在400以内，几乎无大于400数值，因此整场气体流动较好，无影响较大空气滞留区域。

（3）从模型可以看出，顶部中心区域风速较低，风速最小处贴近房间顶部，对货架区域整体影响小。

（4）本次模拟结果对比设计院模拟结果，从空气龄及气流流态等方面来看，模拟结果相近，整体无较大差异。