潔凈空調系統為了滿足室內潔凈度要求，送風量大，造成系統的輸配能耗高，尤其是對于凈化級別高的系統，這種情況越發嚴重。開發一種既能滿足凈化要求，同時又能降低系統運行能耗的潔凈空調系統是業界一直研究的熱點問題。對輻流潔凈室氣流組織和污染物分布進行了數值模擬，并在動態條件下對輻流潔凈室進行了實驗研究，揭示了矢流潔凈室內氣流的流動特性和污染物的分布規律；魏學孟依據對矢流潔凈室的理論分析、實驗研究及數據值模擬結果，總結出矢流潔凈室的最佳設計參數；李巖對輻流潔凈室應用于潔凈病房的氣流組織進行研究，用 Airpak 商業軟件包對輻流潔凈病房在空態和靜態下進行流場分布模擬，并通過實驗測試了動態條件下的污染物濃度場；常茹等采用數值模擬和模型實驗相結合的方法對輻流潔凈病房內的氣流流型進行了研究；周玉巖等對輻流潔凈室風速測試與氣流形態進行分析，并對輻流潔凈室全區域風速變化情況進行測試，探討其在空態下風速檢測的具體方法；石家莊奧祥醫藥工程有限公司的科研團隊將輻流潔凈室應用于公司的生產車間。綜合以上的研究成果，輻流潔凈室的研究取得了一定的進展。尤其是對輻流潔凈室空態下的氣流組織特征，設計參數，渦流的位置，濃度場分布模型有了深入的研究，給輻流潔凈室帶來了很好的研究基礎。本文針對輻流潔凈室在電子工業廠房動態條件下的氣流組織和節能特性進行了數值模擬。

1 數值模擬

1.1 物理模型

本文采用 Airpak 數值模擬軟件分別對輻流潔凈室和亂流潔凈室的氣流組織和污染物濃度場進行模擬，根據實驗條件，模擬對象為電子工業廠房，潔凈廠房的潔凈度要求 ISO 6 級。按照與實際大空間廠房長度、寬度、高度 3:2:1 的比例，將廠房潔凈生產車間模型設置為 7.05m×4.33m×2.6m（長×寬×高）。人數及操作臺設置：根據生產車間模型的面積，設計工作人數為 4 人。綜上所述，本文根據 ISO 6 級潔凈室設計要求，設置輻流潔凈室動態模擬條件：

（1）送回風設置

送風口模型采用風口動量模型，在房間頂棚布置 4 個高效過濾器，外布扇形擴散孔板，4 個回風口布置在對面側墻下部，與送風口呈對角線布置。房間頂棚安裝日光燈 6 組。

（2）室內設施及人員布置

操作臺 1 臺（5m×1m×0.75m）垂直輻流送風口布置，工作臺布置 4 個操作工人，平均分布在工作臺兩側。

（3）塵源設置

空氣潔凈度級別的含塵濃度是在工作人員進行正常操作時測得的數據，所以代表潔凈度級別的空氣含塵濃度應是工作狀態即動態下的數據。由于潔凈廠房室內發塵主要由人員產生，設備產塵根據不同的生產工藝會有較大的區別，故本次模擬采用簡化塵源的方式，即只設置人體產塵。根據煙氣含塵濃度的簡化計算法，煙氣的含塵濃度估算范圍為14.7 g/m³ ~ 61.3 g/m³，本文取 50g/m³。

對于亂流潔凈室，在頂棚均勻布置 6 個高效過濾器送風口。其余均與輻流潔凈室相同。輻流潔凈室與亂流潔凈室模型圖如圖 1 和圖 2 所示。

1.2 數學模型

本文采用標準 K-ε 兩方程模型，湍流模型簡化

和假設如下：

（1）室內氣流為不可壓縮常物性牛頓流體，穩態流動，且滿足 Bussinesp 近似（密度變化不是很大的變密度流動）。

（2）考慮輻射換熱，忽略質量力的作用。

（3）為減少模型網格的數目，節省運行時間，可將工藝設備簡化為具有相同散熱量的小方塊。

2 模擬結果及數值分析

ISO6 級潔凈室為了滿足潔凈度要求，設計換氣次數為 50 次/h~60 次/h，本文對輻流潔凈室和亂流潔凈室分別采用 50 次/h 和 60 次/h 換氣次數進行了數值模擬，并選取了 Y=1.4 m（潔凈室立面）和Z=0.8m、Z=1.3 m（水平面）速度場和污染物濃度場進行對比分析。

2.1 輻流潔凈室模擬結果

2.1.1 速度場

從圖3對Y=1.4m潔凈室立面速度場矢量圖可以看出，整個斷面的氣流流型從送風口到回風口成斜推的效果，符合輻流潔凈室的氣流組織規律。在工作臺和頂棚附近氣流的方向受到影響，但影響區域不大，并不影響整體氣流組織特性。最大速度出現在送風口附近，中間的速度較小，房間下部（靠近回風口區域）速度增大。

圖 4 和圖 5 為 Z=0.8m 和 Z=1.3m 潔凈室工作區域水平面的氣流速度場，與 Y=1.3m 立面圖的氣流組織特性相似，在兩個工作面上，氣流呈送風口向回風口的方向流動，在經過工作臺表面時，氣流發生擾動，但隨后工作臺污染氣流能隨著送風氣流的方向流動，房間兩側的氣流速度明顯大于中部速度。對比 Z=1.3m 和 Z=0.8m 兩個平面的速度場，Z=1.3m 平面速度值高于 Z=0.8m 的速度值，速度平均值分別為 0.03 m/s 和 0.085 m/s，且在工作臺位置氣流受到擾動的區域更小一些，其原因在于工作臺的高度為 1m，其下方 Z=0.8m 受到的影響明顯大于其上方的 Z=1.3m 平面。

2.1.2 污染物濃度場

圖 6 至圖 8，在 Y=1.4m 的潔凈室立面和 Z=1.3m和 Z=0.8m 兩個水平面上，污染物濃度場分布規律是相似的，污染物隨著氣流呈現正向扇形擴散，不會產生氣流的逆向擴散，表明輻流能夠較好地將污染物從回風口排出。在 Z=1.3m 平面上，污染物濃度在 0.0002PPMV 9 .~0.0006PPMV 的較低范圍，平均值為 0.0004PPMV，Z=0.8m 平面上的污染物平均濃度比 Z=1.3m 平面增加了 25%，為 0.0005PPMV。說明污染物濃度場與速度場的氣流分布規律相關，在速度值越大、氣流流型受到擾動小的區域，潔凈度越高。

2.2 亂流潔凈室模擬結果

2.2.1 速度場

從圖 9，Y=1.4m 潔凈室立面速度場可以看出，亂流潔凈室的氣流流動方向呈現出嚴重的不一致性，在送風口的下方向下流動，并對其兩側的氣流起到誘導作用，在工作臺和人員的上方，由于受到熱輻射和誘導的雙重作用，產生與送風氣流相逆的流向，向上運動，并形成渦流區。在送、回風口的區域的氣流速度值最高。對比圖 10 和圖 11，Z=0.8m 和 Z=1.3m 水平平面的速度場矢量圖可以看出，在水平平面上，氣流的基本流向是向回風口流動，不存在反向流動的氣流。靠近回風口的區域風速較大，氣流能較好地從回風口排出。所以在亂流潔凈室的工程應用中，應盡量將工作區域布置在靠近回風口一側。在 Z=1.3m平面速度值大于 Z=0.8m 平面速度值。

2.2.2 污染物濃度場

圖 12 為潔凈室立面污染物濃度場云圖，污染物在塵源位置濃度最高，然后向上、向回風口區域擴散，污染物擴散的方向與圖 10 的氣流運動方向一致。圖 13 和圖 14 為不同高度水平面的污染物濃度場云圖，污染物整體是向著回風口的方向流動，與氣流的流動方向一致。在靠近回風口區域的塵源污染物擴散的范圍大于上風區域的塵源。在高水平面上的污染物擴散范圍大于低水平面處，且污染物平均濃度值偏高。

3 結果分析

對比 50 次/h 換氣次數的輻流潔凈室和 60 次/h換氣次數的亂流潔凈室的速度場矢量圖和污染物濃度場云圖，可以看出亂流潔凈室的氣流流動方向在垂直面上較為混亂，存在著較多的渦流區，污染物的擴散范圍更大，主要是靠稀釋作用達到房間內潔凈度的要求。輻流潔凈室比亂流潔凈室氣流流動方向更具有同向性，指向回風口，污染物隨著氣流的方向流動，尤其在工作區，污染物濃度更低，有利于生產環境的結凈度要求。

為了量化輻流和亂流潔凈室的氣流組織和污染物凈化效果，選取數據監測點，進行速度和污染物濃度的對比分析。在渦流區內，接近塵源的地方具有很高的含塵濃度，而潔凈度的要求主要應用在工作區。所以通過測點準確預測工作區域的平均含塵濃度，更有意義。規范要求：潔凈度的采樣點個數應為：L=A0.5，采樣點應均勻分布于潔凈區內，并應位于工作區的高度。根據上述要求以及潔凈室內人員和設施的布置情況，本文在 Z=0.8m 和 Z=1.3m 兩個平面各選取 6 個監測點進行速度和污染物濃度的分析。其中點 1-6 位于 Z=0.8m 平面，點 7-12 位于Z=1.3m 平面。

3.1 速度值對比與分析

從圖 15 可以看出：無論是在 Z=0.8m 平面還是Z=1.3m 平面，輻流潔凈室測點的速度均勻性均優于亂流潔凈室。在 Z=0.8m 平面上，輻流潔凈室的平均速度為 0.03 m/s 大于亂流潔凈室的平均速度值 0.02m/s，提高了 33%。在 Z=1.3m 平面上，兩者的平均速度值相同。

3.2 污染物濃度場對比

從圖 16 可以看出：除了 10 點外，輻流潔凈室在各測點的濃度均低于亂流潔凈室。在 Z=0.8m 平面上，輻流潔凈室的平均濃度為0.0005PPMV，亂流潔凈室為 0.0006 PPMV，降低了 20%；在 Z=1.3m 平面上，輻流潔凈室的平均濃度為 0.0004PPMV，亂流潔凈室為 0.0005PPMV，降低了 25%；兩個斷面的總平均濃度分別為 0.0005 PPMV 和 0.0006 PPMV，總體降低了 20%。可見即使在小于 10 次/h 的換氣次數下，輻流潔凈室比亂流潔凈室在工作區表現出更好的氣流組織特性和潔凈度。按照風機的輸送能耗與風量成正比估算，則輸送能耗降低了 20%。

4 結論

（1）本文通過數值模擬的方法，對比研究了 50次/h 換氣次數的輻流潔凈室和 60 次/h 換氣次數的亂流潔凈室氣流組織和污染物濃度分布特性。通過對比速度場矢量圖和污染物濃度場云圖，亂流潔凈室的氣流流動方向在垂直面上較為混亂，存在著較多的渦流區，污染物的擴散范圍更大。而輻流潔凈室氣流流動方向更具有同向性，指向回風口，污染物隨著氣流的方向流動，尤其在工作區，污染物濃度更低，有利于生產環境的結凈度要求。

（2）通過選取距離地面 0.8m 和 1.3m 不同高度上的數據監測點的污染物濃度量化分析表明，輻流潔凈室在監測點的總平均濃度為 0.0005 PPMV 低于亂流潔凈室的 0.0006 PPMV，總濃度降低了 20%。

（3）在小于 10 次/h 的換氣次數下，輻流潔凈室比亂流潔凈室在工作區表現出更好的氣流組織特性和潔凈度。按照風機的輸送能耗與風量成正比，則估算輸送能耗降低了 20%。