隔离器灌装段气流组织优化模拟研究.docx

1、文章编号:1(X)3-0344(2021)2-085-5隔离器灌装段气流组织优化模拟研究宋德龙I刘刚,吴文蕾2郁葵2徐文超2严浩'I东华大学环境科学与工程学院2上海东富龙爱瑞思科技有限公司摘要：隔离器中气流组织将直接影响洁净效果，针对采用顶送侧回通风方式的隔离器灌装段，为解决其局部区域气流分布不合理问题，提出对回风管进行优化的方式，进行模拟与分析.结果表明，在原有的基础上，通过在回风管内部靠近回风口的地方加设挡片的方式，能够在管路阻力变化不大的情况序改变了回风管上各回风口的流量的比例，使其趋于一致，减缓了气流流线的倾斜，缩小工作区速度及流线倾角的波动范围，改善了内部气流分布，实现比较理

2、想的气流组织，从而保障药品生产环境。关键词：隔离器气流组织数值模拟结构优化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引言随着科学技术的不断创新与发展，生物医药技术

6、水平得到了有效提升，微电子等技术也得到快速发展，在医药制造过程中，隔离器得到了有效的应用。国内隔离器技术尚属起步阶段，大多用于无菌灌装或分装设备上，自主生产的隔离器设备较少，对装置流分布情况都未进行系统研究，而隔离器内部气流组织直接影响洁净效果，气流较差时，会造成涡流、乱流等现象，因此隔离器产品内部气流组织不容忽视。虽然计算流体动力学在气流模拟领域运用比较成熟，但利用CFD方法对隔离器内部气流模拟的情况较少。于颖等人对底部回风隔离器进行气流模拟研究,主要在回风方式和外壁倾角上进行了改进设计。收稿日期：2020-1-13作者简介：宋德龙（1993），男，硕士研充生：东华大学环境科学与工程学院（2

7、01620）：E-mail:sondelon王华鹏通过做叛研究了具有单回明方式舶所离知.井投出在5敬空景方出砌编k区MHuny响.日的：甘/囱株研允偷眼子问【<方式的通取.与整体靖片颇均未研充分析恒lwi心失衡臼以及时闯伟内胡谖行改造的方式.隔离器口J分为不同功能设备单元，结构相似，本文以采用顶送侧回通风方式的隔离器灌装段为对象，利用CFD方法进行研究，分析隔离器灌装段内部气流分布状况，对局部区域气流组织较差问题进行研究，统计分析该区域回风口流量比例，并提出对相应区域的回风管内架设小隔片、罩板、挡片等方式进行改造，以及考虑管路阻力及能耗问题，最终择优采用加设挡片的方式，通过模拟验证，其能

8、够有效改变回风管上回风口的流量比例，使其趋于理论设计，隔离器濯装段内部达到较好的气流组织，保障制药生产环境，为隔离器的优化提供参考。1工程概况本研究隔离器灌装段顶部铺满FFU,在底部两侧开设回风曰，外部装设有5个回风管，并在回风管装设过滤器和回风机，一部分回风排出，一部分回到隔离器顶部静压箱与空调处理过的新风进行混合，再送入工作区。并旦隔离器灌装段两端与其他功能隔离器单元相连，进行物料传递。其送风风速，以及各回风管回风量均已确定，工作区压力有一定的范围要求，两端相连的其他单元压力己定。在满足参数要求下（见表D,进行模拟计算，发现同风口流量相差较大，局部区域气流组织较差，气流倾斜较大问题。本文将

9、采用对该区域相应的回风管进行改造的方式，以此改善气流组织，达到较好的控制环境。本结构以及布置如图1所示。I-均流膜：2-左鼠洞:3-右鼠洞;4-回风管：5-回风II1-1,简称“kl-l”，胴6*1-2；7-1<1-3。（a）隔离器灌装段模型工作面测点从左至右从上到下依次编号，分别1-40,共加个测点。（b）平面布置及测点位置示意图图1隔离器灌装段几何模型及平面布置示意图2.2模拟方法及控制方程本文使用Fluent软件，采用Realizablek-着模型对隔离器内部气流进行模拟，主要控制方程包括连续性方程、动量方程、湍流动能方程、湍流耗散量着方程、能最方程等，通过数值计算求解代数方程组获

10、得场变量的近似值同。针对本研究，作如下假设：1）隔离器内部气流低速流动，且密度变化不大，看作不可压缩流体且符合Boussinesq假设。2）内部流动为稳态流动。3）除鼠洞外，不考虑漏风影响，认为装置气密性良好。其通用方程同可表达为力、,、肉四）】（f+diyp出1V（p|=div（rgrad（p）+S表1隔离器灌装段工况参数/11W5工作区任力4"左痫连倾&力仇右氏力/PaW.*/mYh至Q542D至+3C10*202数值模拟方法2.1物理数值及简化该隔离器灌装段简化后的主体（工作区）的几何尺寸为：长（x）册宽（y）甲高（z）=3.4mpl.8ml.37m,而实际模型比较复杂

11、，为了便于模拟计算以及提高计算速度，忽略了FFU搭接边缘，认为布满比100%,以均流膜截面为送风口，不考虑静压箱混合区域等，其基式中：,通量变量：D速度矢量；祝通用方程扩散系数；S通用方程源项。当渍为不同的物理量时，则上述通用方程演化成对应物理量的控制方程。2.3网格生成及边界条件由于隔离器结构复杂且不规则，故采用非结构化网格，对于回风管进行单独网格划分，采用较小的网格尺寸，对主体网格划分，采用相对较大的尺寸，再进行网格合并，对局部区域如回风口等作加密处理。顶部采用速度入口，大小为0.45m/s,工作区要求风速范围在（0.4520%）m/so两端的压力确定，左边单元为10Pa,右边单元为40P

12、a。回风管根据所对应的仓位计算回风量。模型壁面采用无滑移壁面条件。3模拟结果分析与讨论3.1对原模型进行模拟分析从图2工作面压力，以及断面速度矢量图可以看出，工作区压力26.4326.90Pa,压力符合要求，即保证了生产环境的压力，而工作面附近气流流线倾斜较大，平行度较差，从回风管1对应的区域可知，kl-3附近的流线密集。（a）2=0.6m水平面压力云图<b）y=lm截面速度矢量图图2z=0.6m水平而压力云图及y=1m截面速度矢量图风口前区域的速度大小差别较大。表3风管管道1的三个回风口流量比例BAD肃量，It*%kid271.94kl-2240kl-3112280.冗3.2确定风管的

13、优化方式为解决网风口流量比例相差较大，气流较差等问题，以改善气流组织，保障药品生产环境，本节将采用对回风管改造的方式，并以单个回风管（回风管I，铜风曰尺寸长伊宽为510mm伊106inn）为研究对象。1）在回风口处增加阻尼，回风口处孜分别为4.5和100,i册工况1,7G兄2。2）由于kl-1回风量极小，现只对kl-2与kl-3进行改变，力口小隔片的尺寸为回风口1.1倍宽，1/4倍长，从回风口左处与管道相连，与回风口呈15毅角，装设在管道内，记为工况3,见图3（a）。3）加罩板的形式，其对于回风口呈15毅角，左连风管，以及上下与风管封闭，仅右侧与管道相通，对于口kl-3前的罩板，其正投影面的最

14、右边线与口kl-3最右边线重合，而口kl-2前的罩板到口4/5处,记为工况4,见图3（b）。4）对于加挡片的形式，其与风曰平行，较风U1.5倍宽，1.1倍长，与口kl-3相距15mm,与kl-2相距20mm,记为工况5,见图3（c）。进行模拟并统计，根据管道总压差，与管道流量，以及通过公式：SP=-72,计算管路平均阻尼女值。其统计计算结果见表4。最小是大低于下限大于上限罕均方筮与与I负袖平均小角度大角度Alt角度方爰««速度速度值效量件效量朴速度rr/0.323(1-66?121204580.0H)5-68134.41722.378811629表2监测点统计与计算数据从表

15、2测点统计数据可以看出，超出风速范围的测点数量较多，不能满足工作区风速要求，速度方差较大，乱流度较大。流线倾角范围较大，与Z负轴的夹角最大值为34.4毅，即与水平夹角为55.6毅，流线的平行度较差。6工况5（在管道内加挡片）图3管道1不同的结构形式示意图回风口均布两侧，按理论设计，各回风口流量应当均等，比例一致。但从表3看出，风管1（总流量1389nh）的三个回风口的风量的差别较大，比例极不平衡，距离回风立管较远的kl-1流量最小，离立管最近的kl-3流量最大。这导致流线倾斜较大，也使回风口MRD1-2风口1-3cffl比例I比例/%混量而比例gWttiO0320.0344.024.66901

16、.0395313.41工况132.124.65147.0021.27511.9374.086.49J：况2106.2728.02124.46328214X4759.1521.1(1工况31.150.1941.H6.72567.1893.108.18工况426.4515.7647.0227.(1599.925Z2O99.82工况S129.3121(18182.2。31242703746.679.IM表4管道1不同形式下回风口流量比例及管路阻尼系数图4优化后z=0.6m水平面床力云图及y=1m截面速度矢量图从表4可以看出，工况1,2增加风口处阻尼的方式，对回风流量比例有所改善，随着风口的阻尼增加，

17、流量比例趋于一致，但是管路阻尼增加较大。工况3,虽然对管路阻力的影响较小，但是改善作用很小。工况4,改善作用明显，但是造成管路不小的阻力损失。综合来看，方式5不仅能够明显改善回风流量比例，管道孜增加不大，而且在实际项目当中较好实现，只需调整挡片的距离即可灵活改变回风口流量比例，当与口kl-3相距10mm,与kl-2相距15mm,由表5可知，各回风门流量比例接近一致。表5调整后同风口流量比例及管路阻尼系数表7优化后风管管道1的三个回风曰流量比例风口b!潭赤比例F凤口1-2gm比机r,使觇口13/mVh比翎IM.57M12I176333168199.8437.1010.353.3对结构优化后的模型

18、进行模拟分析采用加挡片的方式优化后，对隔离器灌装段整体模拟分析。从图4可知，工作面的压力在26.24-26.53Pa,满足压力要求，从速度矢量图看出，工作而附近速度方向基本保持竖直向下，流线密集程度均匀，气流组织较好。从表6,7可以看出，回风流量比例基本接近，超出速度范围的测点数量为0,速度方差较小，乱流度较小。与Z负轴的夹角范围较小，且最大值为19.63毅，即与水平夹角最小值为70.37毅，角度方差较小，平行度较好。从测点速度大小及流线倾角的对比图（如图5）可知，采用管道内部加挡片的形式，速度大小波动较小，速度较为平均，并且完全满足速度要求，角度差异较小，均基本接近烧直方向。总体来看，隔离器

19、灌装段优化后，明显改善回风管上各回风曰的流量比例，使各回风口流量趋于致，接近理论设计，进而改善工作区气流组织，保证了药品生产环境。回限口直侦h比率、kl*l426KH67kl.244*>52.34kl-3SH洛8MA（a）优化前后测点速度大小对比图450M（b）优化前后测点速度与Z负轴夹角大小对比图图5优化前后测点速度值与角度值对比图4结论表6优化后监测点统计与计算数据速度:fmfk方爹珂A0鞋小角度r与，贝IB平旧角度蜘度值敏十菖I值数，个是大角度rMr!>.和as?:00Q440OjOO219.625I4*>79I1IS6以上数值模拟分析比较了不同结构的回风管形式情况，以

20、及隔离器灌装段采用这种优化方式前后的情况，可以得出以下结论：1）在对回风管改造时，采用在回风管内部加挡片求布置在适当位置。在进行综合体垂直向的业态分布设计时，在考虑人流量的同时，将制冷需求低的功能空间设在建筑上部，如影院和餐饮空间，其主要以静态活动为主、产热量少。将制冷需求高的空间设在建筑的中下部甚至置于地下，如超市、零售、主力店等，这种空间主要以动态活动为主、产热量大囹。4 新能源的应用本项目中对于太阳能的利用主要体现在自然光导技术上，涉及到采光罩在建筑上的安置，光导线路的铺设，照射器与室内空间人工照明灯具的结合。本项目的采光罩安装在综合体的顶部，经采光罩采集的阳光经光导纤维线路传输到建筑室

21、内，线路的布置结合了电路以及暖通空调管线的布置，做到空间的高效利用。此外，本项目中还使用了太阳能空调技术，将建筑外部集热器与建筑屋顶遮阳构件进行整合设计，用于制备热水时其倾角与当地纬度数值一样，达到既满足维护结构的功能又不影响美观的效果。5 结论通过该项目中实际应用的被动节能，主动节能及新能源利用进行总结，提出了河南省北部地区城市综合体绿色节能的具体设计方法，为建筑师在建筑节能设计实践中提供理论依据，具体可归纳如下：D被动节能 合理利用多种形式中庭，有效实现自然采光与自然通风，以被动方式降低建筑内部空间的能源消耗。 合理利用建筑布局、建筑空间等方式，有效促进建筑内自然通风。®建筑广场

22、入口空间的合理尺度控制，实现建筑空间的合理缓冲，有效组织人流，并利用淀环境因素进行节能设计。2主动节能 因为河南北部地区过度季节明显，组合式空调机组实行过渡季节全新风运行，利用室外新风消除室内余热、余湿。冬夏季*组加装有热回I收装置，通风换气的同时完成将排风中所蕴含的热量转移到新风之中，实现能量回收。 采用适宜技术，有针对性地采用不同方式照明，有效降低建筑内照明能耗。3新能源的应用和节能管理 利用新能源技术，实现建筑-体化设计。 合理设置建筑设备管理系统，即楼宇自控系统，对综合体内机电设备的运行状态进行实时自动监测和节能控制。参考文献II黄杉.武前波.崔万珍.国内外城市综合体的发展特征与类型模式JJ.经济地理,2013.33(4):1-8.|2马宗国NAZongguo.我国城市综合体发展途径探讨J,城市发展研%.2011,(6)