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user: 2. 不同气流组织的模型 通过建立一个简化的模型来对三种气流组织形式进行CFD模拟，该模型基于一个真正的BOPET薄膜车间通风系统，该系统提供了一个恒定的60，000 m 3 /h的送风量。为了简化计算，车间被视为长方体，长24米，宽14米，高5米，使用平面来模拟高度为1.25 m的BOPET膜。当在车间运作时，薄膜和气流之间将存在相互作用。 2.1. 常规气流组织形式 在洁净室最广泛使用的气流组织是单向流，有以下两种类型。图1(a)显示了一种单向流，上部空气供给和底部回风。如图2所示，屋顶有20个送风口，地面有6个回风口。每个入口1.2 × 0.6 m 2 。每个出口1.8 × 0.9 m 2 。图1(b)为另一种单向流，上部空气供给和侧向回风。如图3所示，屋顶上有20个送风口，墙面左右各有5个回风口。每个入口1.2 × 0.6 m 2 。侧墙面回风口的高度为1.25 m，尺寸为1.4 × 0.9 m 2 。 图1. (a) 上送下回；(b)上送侧回；(c) 上下送风，两侧回风 图2. 上送下回式的几何模型 图3. 上送侧回式的几何模型 2.2. 新气流组织方案 针对BOPET生产车间的特殊性，如图1(c)所示，本文提出了一种新的气流组织形式：上下送风，左右回风。如图4所示，屋顶有20个送风口，地面有6个送风口。每一侧墙有5个空气回风出口，高度为1.25 m。每个入口1.2 × 0.6 m 2 ，每个出口为1.4 × 0.9 m 2 。 图4. 上下送风，两侧回风式的几何模型 2.3. 控制方程 在ANSYS中建立了三维笛卡尔几何模型，并使用Fluent进行计算求解。空气在模拟中被认为是不可压缩流体，通过建立Reynolds-Averaged Navier-Stoked方程和简单的算法来计算求解。 本模型的连续性方程为 ∂ ρ ∂ t + ∂ ρ U i ∂ x i = 0 . (1) 动量方程为 ∂ ( ρ U i ) ∂ τ + ∂ ( ρ U i U j ) ∂ x j = − ∂ p ∂ x i + ∂ ( τ i j ) ∂ x j − 2 ρ ω × V + ρ ω 2 r . (2) 能量守恒方程为 ∂ ( ρ I − p ) ∂ τ + ∂ ( ρ I U j ) ∂ x j = ∂ ( U i τ i j ) ∂ x j + ∂ ∂ x j ( λ ∂ T ∂ x j ) . (3) 其中， U i ， U i 为速度张量， λ 为流体的第二黏度系数，由斯托克斯假设给出，即 λ = − 2 μ / 3 ，I为转子焓。 理想气体状态方程为 p = ρ R T . (4) 采用 k - ε 两方程模型。 k - ε 两方程模型至今依然是当前湍流工程计算中最广泛使用的模型。其中k定义为单位质量流体的湍流波动动能， k = 1 2 ( u ′ 2 ¯ + v ′ 2 ¯ + w ′ 2 ¯ ) = 1 2 u ′ m u ′ m ¯ . (5) ε 定义为单位质量的流体湍流动能的耗散率，表示从各向同性和小尺度涡旋的机械能到物理上的热能的转化率， ε = ν ∂ u ′ i ∂ x j ∂ u ′ i ∂ x j ¯ . (6) 其中， ν 是湍流分子粘度，则湍流粘度系数 μ t 可表示为 μ t = C μ ρ k 2 / ε 。 对于不可压缩流体来说， k - ε 两方程模型能够适用，k方程和 ε 方程如下所示， ∂ ∂ t ( ρ k ) + ∂ ∂ x j ( ρ u j k ) = ∂ ∂ x j [ ( μ + μ t σ k ) ∂ k ∂ x j ] + G k + G b − ρ ε .(7) ∂ ∂ t ( ρ ε ) + ∂ ∂ x j ( ρ u j ε ) = ∂ ∂ x j [ ( μ + μ t σ ε ) ∂ ε ∂ x j ] + C 1 ε k ( G k + C 3 G b ) − C 2 ρ ε 2 k . (8) 其中， G k = − ρ u ′ i u ′ j ¯ ∂ u j ∂ x i ， G b = β g i μ t P r t ∂ T ∂ x i 。 对于湍流，它往往是Navier-Stokes方程和 k - ε 两方程的同时解。基于上述分析，可以在笛卡尔坐标系中使用广义变量 Φ 将Navier-Stokes方程和 k - ε 模型方程表示为统一的控制方程 [ 12 ]， ∂ ∂ t ( ρ Φ ) + d i v [ ( ρ U Φ ) − Γ Φ g r a d Φ ] = S Φ . (9) 方程中引入了三个系数 C μ ， C 1 ， C 2 和四个常数 σ k ， σ ε ， P r ， P r t 。文献 [ 13 ] [ 14 ] 提供了 k - ε 模型中需要使用的系数和常数，具体如表1所示，近壁面区域采用壁面函数法进行修正 [ 12 ]。 Table 1 k - ε model related dat C μ C 1 C 2 σ k σ ε P r P r t 0.09 1.44 1.92 1.0 1.3 0.72 0.9 表1. k - ε 模型相关数据 2.4. 简化模型结果 设置空气供给总量和出口压力分别为60，000 m 3 /h和大气压力，入口速度由通风口的面积决定。洁净室通常需要测试三种状态下的运行情况：空态、静态和动态。由于动态需要将运行人员考虑在内，在CFD模拟中动态状态很难进行模拟。因此这里只进行空态和静态工况的CFD模拟。图5、图6和图7分别展示了三种气流组织在空态下的流场情况，即设施已经建成，所有动力接通并运行，但无生产设备，物料及人员的情况。 图5. 上送下回式的三维视图 图6. 上送侧回式的三维视图 图7. 上下送风，两侧回风式的三维视图 在空态时，常见的“上送下回”和“上送侧回”形式均可满足洁净室的要求。Sajid和Hayat [ 15 ] 认为“上送下回”气流模式的洁净室是一种经典的垂直单向流洁净室。它能产生均匀的向下单向气流，具有良好的自净能力。这种洁净室可实现最高的洁净度，且工艺设备可任意布置。空态模拟结果表明，流场流线分布较为均匀且相互平行。但值得注意的是，如图8所示，某些区域空气流动速度接近0 m/s。如果该区域的空气中含有污染物，污染物就很难排出。 图8. 上送下回式的空态Z轴视角 如图9所示，“上送侧回”形式是垂直单向流动的一种转化。通过该流型，房间可以实现良好的室内气流组织，主流区域的气流为垂直单向流。在主流区域，通过较低的空气供应量便可以满足设施的清洁要求。仿真结果表明，整个车间空气流动分布均匀，在相同的送风量下，比图8中的“上送下回”形式的洁净面积更大。主流之外的区域也得到了一定程度的洁净。 新模式结合了上述流型的优点如图10所示，它的气流占据了整个房间，流线非常规律，同时也提供了最大的有效洁净区。 图9. 上送侧回式的空态Z轴视角 图10. 上下送风，两侧回风式的空态Z轴视角 静态表示设备已经完成，生产设备已经正常安装和运行，但是没有生产人员。在本模型中，所有设施均被简化为一个可切断气流的巨大平面。图11、图12以及图13分别显示出了处于静态的三个空气组织的模拟结果。 在运行状态下，本文提出的新流型具有较好的性能。在图14中的“上送下回”和图15中的“上送侧回”的模拟中，由于存在占地面积较大的薄膜和设施，原流场受到显著干扰，空间被薄膜隔开，导致薄膜下面的流线密度下降，有效清洁面积减少。此外，根据Abernathy和Kronauer [ 16 ] 的解释，当气流流经薄膜时，在薄膜下方会产生涡旋，如图16和图17所示，产生“卡门涡街”现象。这种现象会导致污染物的聚集，降低洁净效果。 另一方面，对于BOPET薄膜的生产，需要空气对薄膜的两面都进行清洁，以提高产品质量。从“上送下回”和“上送侧回”的流场模拟中可以看出，膜的上表面受到气流作用，但几乎没有任何流线的速度方向指向下表面，不能符合膜两面都需要清洁的工作要求。而新方案的模拟中，膜的两面都能从气流中获得洁净，并能保持良好的状态。 图11. 上送下回式的三维视图 图12. 上送侧回式的三维视图 图13. 上下送风，两侧回风式的三维视图 图14. 上送下回式的空态Z轴视角 图15. 上送侧回式的空态Z轴视角 图16. 上送下回式流场中的涡旋 图17. 上送侧回式流场中的涡旋 但是图18中所示的这种新的流型确实存在一些隐藏的问题，其中之一就是大量向上的气流引起的起尘。但在BOPET生产车间，因为没有大量的大型颗粒污染物，因此即使出现了扬尘情况，薄膜两侧的气流作用也可以防止表面被污染物附着。 图18. 上下送风，两侧回风式的空态Z轴视角 以上分析基于CFD仿真，在实际应用中需要进一步验证。