隔離器灌裝段氣流組織優(yōu)化模擬研究.docx

1、文章編號:1(X)3-0344(2021)2-085-5隔離器灌裝段氣流組織優(yōu)化模擬研究宋德龍I劉剛,吳文蕾2郁葵2徐文超2嚴(yán)浩'I東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院2上海東富龍愛瑞思科技有限公司摘要：隔離器中氣流組織將直接影響潔凈效果，針對采用頂送側(cè)回通風(fēng)方式的隔離器灌裝段，為解決其局部區(qū)域氣流分布不合理問題，提出對回風(fēng)管進(jìn)行優(yōu)化的方式，進(jìn)行模擬與分析.結(jié)果表明，在原有的基礎(chǔ)上，通過在回風(fēng)管內(nèi)部靠近回風(fēng)口的地方加設(shè)擋片的方式，能夠在管路阻力變化不大的情況序改變了回風(fēng)管上各回風(fēng)口的流量的比例，使其趨于一致，減緩了氣流流線的傾斜，縮小工作區(qū)速度及流線傾角的波動范圍，改善了內(nèi)部氣流分布，實(shí)現(xiàn)比較理

2、想的氣流組織，從而保障藥品生產(chǎn)環(huán)境。關(guān)鍵詞：隔離器氣流組織數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)優(yōu)化SimulationStudyonAirDistributionOptimizationofIsolatorFillingSectionSONGDe-long',LIUGang',WUWen-lei2,YUKui2,XUWen-chao2,YANHao11EnvironmentalScienceandEngineerInstitute,DonghuaUniversity2ShanghaiToffionAirexScience&TechnologyCo.,Ltd.Abstract:Theairdis

3、tributionintheisolatorwilldirectlyaffectthecleanlinessofinnerenvironment.Inordertosolvetheproblemofunreasonableairdistributioninthelocalareaoftheisolatorfillingsectionadoptingthetop-supplyandside-returnventilationmethod,awaytooptimizethereturnairductisproposedforsimulationandanalysis.Theresultsshowt

4、hat,onthebasisoftheoriginalcase,byaddingbafflesinlhereturnairductneartherelumairinlet,theflowratioofeachreturnairinletofthereturnairductcanbeadjustedtobeequalnearlywithouttoomuchchangeintheresistanceoflhepipeline.Thismethod,reduceslheinclinationoftheairflowstreamline,narrowsthefkicluaiionrangeofspee

5、dand(heinclinationangleofthestreamlineintheworkingarea,improvestheinternalairdistributionandresultsinarelativelyidealfloworganization,whichconsequentlyguaranteesthepharmaceuticalproductionenvironment.Keywords:isolator,airdistribution,numericalsimulation,structuraloptimization0引言隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，生物醫(yī)藥技術(shù)

6、水平得到了有效提升，微電子等技術(shù)也得到快速發(fā)展，在醫(yī)藥制造過程中，隔離器得到了有效的應(yīng)用。國內(nèi)隔離器技術(shù)尚屬起步階段，大多用于無菌灌裝或分裝設(shè)備上，自主生產(chǎn)的隔離器設(shè)備較少，對裝置流分布情況都未進(jìn)行系統(tǒng)研究，而隔離器內(nèi)部氣流組織直接影響潔凈效果，氣流較差時，會造成渦流、亂流等現(xiàn)象，因此隔離器產(chǎn)品內(nèi)部氣流組織不容忽視。雖然計(jì)算流體動力學(xué)在氣流模擬領(lǐng)域運(yùn)用比較成熟，但利用CFD方法對隔離器內(nèi)部氣流模擬的情況較少。于穎等人對底部回風(fēng)隔離器進(jìn)行氣流模擬研究,主要在回風(fēng)方式和外壁傾角上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。收稿日期：2020-1-13作者簡介：宋德龍（1993），男，碩士研充生：東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院（2

7、01620）：E-mail:sondelon王華鵬通過做叛研究了具有單回明方式舶所離知.井投出在5敬空景方出砌編k區(qū)MHuny響.日的：甘/囪株研允偷眼子問【<方式的通取.與整體靖片頗均未研充分析恒lwi心失衡臼以及時闖偉內(nèi)胡諼行改造的方式.隔離器口J分為不同功能設(shè)備單元，結(jié)構(gòu)相似，本文以采用頂送側(cè)回通風(fēng)方式的隔離器灌裝段為對象，利用CFD方法進(jìn)行研究，分析隔離器灌裝段內(nèi)部氣流分布狀況，對局部區(qū)域氣流組織較差問題進(jìn)行研究，統(tǒng)計(jì)分析該區(qū)域回風(fēng)口流量比例，并提出對相應(yīng)區(qū)域的回風(fēng)管內(nèi)架設(shè)小隔片、罩板、擋片等方式進(jìn)行改造，以及考慮管路阻力及能耗問題，最終擇優(yōu)采用加設(shè)擋片的方式，通過模擬驗(yàn)證，其能

8、夠有效改變回風(fēng)管上回風(fēng)口的流量比例，使其趨于理論設(shè)計(jì)，隔離器濯裝段內(nèi)部達(dá)到較好的氣流組織，保障制藥生產(chǎn)環(huán)境，為隔離器的優(yōu)化提供參考。1工程概況本研究隔離器灌裝段頂部鋪滿FFU,在底部兩側(cè)開設(shè)回風(fēng)曰，外部裝設(shè)有5個回風(fēng)管，并在回風(fēng)管裝設(shè)過濾器和回風(fēng)機(jī)，一部分回風(fēng)排出，一部分回到隔離器頂部靜壓箱與空調(diào)處理過的新風(fēng)進(jìn)行混合，再送入工作區(qū)。并旦隔離器灌裝段兩端與其他功能隔離器單元相連，進(jìn)行物料傳遞。其送風(fēng)風(fēng)速，以及各回風(fēng)管回風(fēng)量均已確定，工作區(qū)壓力有一定的范圍要求，兩端相連的其他單元壓力己定。在滿足參數(shù)要求下（見表D,進(jìn)行模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)同風(fēng)口流量相差較大，局部區(qū)域氣流組織較差，氣流傾斜較大問題。本文將

9、采用對該區(qū)域相應(yīng)的回風(fēng)管進(jìn)行改造的方式，以此改善氣流組織，達(dá)到較好的控制環(huán)境。本結(jié)構(gòu)以及布置如圖1所示。I-均流膜：2-左鼠洞:3-右鼠洞;4-回風(fēng)管：5-回風(fēng)II1-1,簡稱“kl-l”，胴6*1-2；7-1<1-3。（a）隔離器灌裝段模型工作面測點(diǎn)從左至右從上到下依次編號，分別1-40,共加個測點(diǎn)。（b）平面布置及測點(diǎn)位置示意圖圖1隔離器灌裝段幾何模型及平面布置示意圖2.2模擬方法及控制方程本文使用Fluent軟件，采用Realizablek-著模型對隔離器內(nèi)部氣流進(jìn)行模擬，主要控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、湍流動能方程、湍流耗散量著方程、能最方程等，通過數(shù)值計(jì)算求解代數(shù)方程組獲

10、得場變量的近似值同。針對本研究，作如下假設(shè)：1）隔離器內(nèi)部氣流低速流動，且密度變化不大，看作不可壓縮流體且符合Boussinesq假設(shè)。2）內(nèi)部流動為穩(wěn)態(tài)流動。3）除鼠洞外，不考慮漏風(fēng)影響，認(rèn)為裝置氣密性良好。其通用方程同可表達(dá)為力、,、肉四）】（f+diyp出1V（p|=div（rgrad（p）+S表1隔離器灌裝段工況參數(shù)/11W5工作區(qū)任力4"左癇連傾&力仇右氏力/PaW.*/mYh至Q542D至+3C10*202數(shù)值模擬方法2.1物理數(shù)值及簡化該隔離器灌裝段簡化后的主體（工作區(qū)）的幾何尺寸為：長（x）冊寬（y）甲高（z）=3.4mpl.8ml.37m,而實(shí)際模型比較復(fù)雜

11、，為了便于模擬計(jì)算以及提高計(jì)算速度，忽略了FFU搭接邊緣，認(rèn)為布滿比100%,以均流膜截面為送風(fēng)口，不考慮靜壓箱混合區(qū)域等，其基式中：,通量變量：D速度矢量；祝通用方程擴(kuò)散系數(shù)；S通用方程源項(xiàng)。當(dāng)漬為不同的物理量時，則上述通用方程演化成對應(yīng)物理量的控制方程。2.3網(wǎng)格生成及邊界條件由于隔離器結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則，故采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對于回風(fēng)管進(jìn)行單獨(dú)網(wǎng)格劃分，采用較小的網(wǎng)格尺寸，對主體網(wǎng)格劃分，采用相對較大的尺寸，再進(jìn)行網(wǎng)格合并，對局部區(qū)域如回風(fēng)口等作加密處理。頂部采用速度入口，大小為0.45m/s,工作區(qū)要求風(fēng)速范圍在（0.4520%）m/so兩端的壓力確定，左邊單元為10Pa,右邊單元為40P

12、a?；仫L(fēng)管根據(jù)所對應(yīng)的倉位計(jì)算回風(fēng)量。模型壁面采用無滑移壁面條件。3模擬結(jié)果分析與討論3.1對原模型進(jìn)行模擬分析從圖2工作面壓力，以及斷面速度矢量圖可以看出，工作區(qū)壓力26.4326.90Pa,壓力符合要求，即保證了生產(chǎn)環(huán)境的壓力，而工作面附近氣流流線傾斜較大，平行度較差，從回風(fēng)管1對應(yīng)的區(qū)域可知，kl-3附近的流線密集。（a）2=0.6m水平面壓力云圖<b）y=lm截面速度矢量圖圖2z=0.6m水平而壓力云圖及y=1m截面速度矢量圖風(fēng)口前區(qū)域的速度大小差別較大。表3風(fēng)管管道1的三個回風(fēng)口流量比例BAD肅量，It*%kid271.94kl-2240kl-3112280.冗3.2確定風(fēng)管的

13、優(yōu)化方式為解決網(wǎng)風(fēng)口流量比例相差較大，氣流較差等問題，以改善氣流組織，保障藥品生產(chǎn)環(huán)境，本節(jié)將采用對回風(fēng)管改造的方式，并以單個回風(fēng)管（回風(fēng)管I，銅風(fēng)曰尺寸長伊寬為510mm伊106inn）為研究對象。1）在回風(fēng)口處增加阻尼，回風(fēng)口處孜分別為4.5和100,i冊工況1,7G兄2。2）由于kl-1回風(fēng)量極小，現(xiàn)只對kl-2與kl-3進(jìn)行改變，力口小隔片的尺寸為回風(fēng)口1.1倍寬，1/4倍長，從回風(fēng)口左處與管道相連，與回風(fēng)口呈15毅角，裝設(shè)在管道內(nèi)，記為工況3,見圖3（a）。3）加罩板的形式，其對于回風(fēng)口呈15毅角，左連風(fēng)管，以及上下與風(fēng)管封閉，僅右側(cè)與管道相通，對于口kl-3前的罩板，其正投影面的最

14、右邊線與口kl-3最右邊線重合，而口kl-2前的罩板到口4/5處,記為工況4,見圖3（b）。4）對于加擋片的形式，其與風(fēng)曰平行，較風(fēng)U1.5倍寬，1.1倍長，與口kl-3相距15mm,與kl-2相距20mm,記為工況5,見圖3（c）。進(jìn)行模擬并統(tǒng)計(jì)，根據(jù)管道總壓差，與管道流量，以及通過公式：SP=-72,計(jì)算管路平均阻尼女值。其統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果見表4。最小是大低于下限大于上限罕均方筮與與I負(fù)袖平均小角度大角度Alt角度方爰««速度速度值效量件效量樸速度rr/0.323(1-66?121204580.0H)5-68134.41722.378811629表2監(jiān)測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)與計(jì)算數(shù)據(jù)從表

15、2測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，超出風(fēng)速范圍的測點(diǎn)數(shù)量較多，不能滿足工作區(qū)風(fēng)速要求，速度方差較大，亂流度較大。流線傾角范圍較大，與Z負(fù)軸的夾角最大值為34.4毅，即與水平夾角為55.6毅，流線的平行度較差。6工況5（在管道內(nèi)加擋片）圖3管道1不同的結(jié)構(gòu)形式示意圖回風(fēng)口均布兩側(cè)，按理論設(shè)計(jì)，各回風(fēng)口流量應(yīng)當(dāng)均等，比例一致。但從表3看出，風(fēng)管1（總流量1389nh）的三個回風(fēng)口的風(fēng)量的差別較大，比例極不平衡，距離回風(fēng)立管較遠(yuǎn)的kl-1流量最小，離立管最近的kl-3流量最大。這導(dǎo)致流線傾斜較大，也使回風(fēng)口MRD1-2風(fēng)口1-3cffl比例I比例/%混量而比例gWttiO0320.0344.024.66901

16、.0395313.41工況132.124.65147.0021.27511.9374.086.49J：況2106.2728.02124.46328214X4759.1521.1(1工況31.150.1941.H6.72567.1893.108.18工況426.4515.7647.0227.(1599.925Z2O99.82工況S129.3121(18182.2。31242703746.679.IM表4管道1不同形式下回風(fēng)口流量比例及管路阻尼系數(shù)圖4優(yōu)化后z=0.6m水平面床力云圖及y=1m截面速度矢量圖從表4可以看出，工況1,2增加風(fēng)口處阻尼的方式，對回風(fēng)流量比例有所改善，隨著風(fēng)口的阻尼增加，

17、流量比例趨于一致，但是管路阻尼增加較大。工況3,雖然對管路阻力的影響較小，但是改善作用很小。工況4,改善作用明顯，但是造成管路不小的阻力損失。綜合來看，方式5不僅能夠明顯改善回風(fēng)流量比例，管道孜增加不大，而且在實(shí)際項(xiàng)目當(dāng)中較好實(shí)現(xiàn)，只需調(diào)整擋片的距離即可靈活改變回風(fēng)口流量比例，當(dāng)與口kl-3相距10mm,與kl-2相距15mm,由表5可知，各回風(fēng)門流量比例接近一致。表5調(diào)整后同風(fēng)口流量比例及管路阻尼系數(shù)表7優(yōu)化后風(fēng)管管道1的三個回風(fēng)曰流量比例風(fēng)口b!潭赤比例F鳳口1-2gm比機(jī)r,使覘口13/mVh比翎IM.57M12I176333168199.8437.1010.353.3對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模型

18、進(jìn)行模擬分析采用加擋片的方式優(yōu)化后，對隔離器灌裝段整體模擬分析。從圖4可知，工作面的壓力在26.24-26.53Pa,滿足壓力要求，從速度矢量圖看出，工作而附近速度方向基本保持豎直向下，流線密集程度均勻，氣流組織較好。從表6,7可以看出，回風(fēng)流量比例基本接近，超出速度范圍的測點(diǎn)數(shù)量為0,速度方差較小，亂流度較小。與Z負(fù)軸的夾角范圍較小，且最大值為19.63毅，即與水平夾角最小值為70.37毅，角度方差較小，平行度較好。從測點(diǎn)速度大小及流線傾角的對比圖（如圖5）可知，采用管道內(nèi)部加擋片的形式，速度大小波動較小，速度較為平均，并且完全滿足速度要求，角度差異較小，均基本接近燒直方向。總體來看，隔離器

19、灌裝段優(yōu)化后，明顯改善回風(fēng)管上各回風(fēng)曰的流量比例，使各回風(fēng)口流量趨于致，接近理論設(shè)計(jì)，進(jìn)而改善工作區(qū)氣流組織，保證了藥品生產(chǎn)環(huán)境?；叵蘅谥眰蒱比率、kl*l426KH67kl.244*>52.34kl-3SH洛8MA（a）優(yōu)化前后測點(diǎn)速度大小對比圖450M（b）優(yōu)化前后測點(diǎn)速度與Z負(fù)軸夾角大小對比圖圖5優(yōu)化前后測點(diǎn)速度值與角度值對比圖4結(jié)論表6優(yōu)化后監(jiān)測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)與計(jì)算數(shù)據(jù)速度:fmfk方爹珂A0鞋小角度r與，貝IB平舊角度蜘度值敏十菖I值數(shù)，個是大角度rMr!>.和as?:00Q440OjOO219.625I4*>79I1IS6以上數(shù)值模擬分析比較了不同結(jié)構(gòu)的回風(fēng)管形式情況，以

20、及隔離器灌裝段采用這種優(yōu)化方式前后的情況，可以得出以下結(jié)論：1）在對回風(fēng)管改造時，采用在回風(fēng)管內(nèi)部加擋片求布置在適當(dāng)位置。在進(jìn)行綜合體垂直向的業(yè)態(tài)分布設(shè)計(jì)時，在考慮人流量的同時，將制冷需求低的功能空間設(shè)在建筑上部，如影院和餐飲空間，其主要以靜態(tài)活動為主、產(chǎn)熱量少。將制冷需求高的空間設(shè)在建筑的中下部甚至置于地下，如超市、零售、主力店等，這種空間主要以動態(tài)活動為主、產(chǎn)熱量大囹。4 新能源的應(yīng)用本項(xiàng)目中對于太陽能的利用主要體現(xiàn)在自然光導(dǎo)技術(shù)上，涉及到采光罩在建筑上的安置，光導(dǎo)線路的鋪設(shè)，照射器與室內(nèi)空間人工照明燈具的結(jié)合。本項(xiàng)目的采光罩安裝在綜合體的頂部，經(jīng)采光罩采集的陽光經(jīng)光導(dǎo)纖維線路傳輸?shù)浇ㄖ?/p>

21、內(nèi)，線路的布置結(jié)合了電路以及暖通空調(diào)管線的布置，做到空間的高效利用。此外，本項(xiàng)目中還使用了太陽能空調(diào)技術(shù)，將建筑外部集熱器與建筑屋頂遮陽構(gòu)件進(jìn)行整合設(shè)計(jì)，用于制備熱水時其傾角與當(dāng)?shù)鼐暥葦?shù)值一樣，達(dá)到既滿足維護(hù)結(jié)構(gòu)的功能又不影響美觀的效果。5 結(jié)論通過該項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用的被動節(jié)能，主動節(jié)能及新能源利用進(jìn)行總結(jié)，提出了河南省北部地區(qū)城市綜合體綠色節(jié)能的具體設(shè)計(jì)方法，為建筑師在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)實(shí)踐中提供理論依據(jù)，具體可歸納如下：D被動節(jié)能 合理利用多種形式中庭，有效實(shí)現(xiàn)自然采光與自然通風(fēng)，以被動方式降低建筑內(nèi)部空間的能源消耗。 合理利用建筑布局、建筑空間等方式，有效促進(jìn)建筑內(nèi)自然通風(fēng)。®建筑廣場

22、入口空間的合理尺度控制，實(shí)現(xiàn)建筑空間的合理緩沖，有效組織人流，并利用淀環(huán)境因素進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。2主動節(jié)能 因?yàn)楹幽媳辈康貐^(qū)過度季節(jié)明顯，組合式空調(diào)機(jī)組實(shí)行過渡季節(jié)全新風(fēng)運(yùn)行，利用室外新風(fēng)消除室內(nèi)余熱、余濕。冬夏季*組加裝有熱回I收裝置，通風(fēng)換氣的同時完成將排風(fēng)中所蘊(yùn)含的熱量轉(zhuǎn)移到新風(fēng)之中，實(shí)現(xiàn)能量回收。 采用適宜技術(shù)，有針對性地采用不同方式照明，有效降低建筑內(nèi)照明能耗。3新能源的應(yīng)用和節(jié)能管理 利用新能源技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建筑-體化設(shè)計(jì)。 合理設(shè)置建筑設(shè)備管理系統(tǒng)，即樓宇自控系統(tǒng)，對綜合體內(nèi)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時自動監(jiān)測和節(jié)能控制。參考文獻(xiàn)II黃杉.武前波.崔萬珍.國內(nèi)外城市綜合體的發(fā)展特征與類型模式JJ.經(jīng)濟(jì)地理,2013.33(4):1-8.|2馬宗國NAZongguo.我國城市綜合體發(fā)展途徑探討J,城市發(fā)展研%.2011,(6)