０　引言

洁净工作台作为重要的局部净化设备，广泛应用于各行业中，分为单向流洁净工作台和非单向流洁净工作台。单向流洁净工作台是指由方向单一、流线平行并且速度均匀稳定的单向流流过有效空间的洁净工作台，分为水平单向流洁净工作台和垂直单向流洁净工作台。单向流洁净工作台截面风速大小及均匀性关系着单向流洁净工作台的气流流场形态和对微粒的控制能力，对控制操作区洁净度、保护操作对象免受污染具有重要作用。本文旨在探讨垂直单向流洁净工作台截面风速对操作区风速均匀性、酒精灯火焰倾斜度、自净时间、引射作用等性能的影响，希望能对单向流洁净工作台的设计、建造和正确使用提供参考。本文部分研究成果已被现行国家行业标准ＪＧ／Ｔ　２９２—２０１０《洁净工作台》采纳。

１　风速均匀性

速度场均匀对于单向流洁净工作台是极其重要的，只有均匀的速度场才能有效排除微粒污染，不均匀的速度场会增加速度的横向脉动性，促进流线间质点的掺混。绝对均匀的速度场在实际中很难存在，国内外标准一般规定风速均匀性指标限值。美国联邦标准ＦＳ２０９Ｂ［１］、日本工业标准ＪＩＳ　Ｂ９９２２—２００１《洁净工作台》［２］、我国行业标准ＪＧ／Ｔ１９—１９９９《层流洁净工作台检验标准》［３］均规定“每个测点应在平均风速的±２０％范围内”，本文称之为风速均匀性评价方法一。按照这个规定，假设各测点的风速都极其接近平均风速，只有一点超过２０％，则这个速度场是不符合要求的，这显然只看到一点的超标而没有考虑整个速度场的均匀程度，事实上这种情况对于使用效果并不会产生很大影响［４］。

许钟麟曾于１９８３年提出以乱流度（或称风速不均匀度）来衡量单向流洁净室的乱流程度［５］，提供了一个在速度场之间作均匀性比较的条件，这一成果被当时的国家行业标准ＪＧＪ　７１—９０《洁净室施工及验收规范》［６］所采纳，规定“垂直单向流（层流）洁净室的测定截面取距地面０．８ｍ 的水平截面，风速不均匀度不应大于０．２５”，本文称之为风速均匀性评价方法二。

美国环境保护署ＮＥＢＢ于１９９６年提出的洁净室测试认证方法中规定“单向流洁净室截面风速相对标准差应在±１５％以内”［７］，其给出的风速相对标准差计算公式与文献［５］给出的风速不均匀度（乱流度）计算公式完全吻合，不同的是ＮＥＢＢ规定的单向流洁净室截面风速测试截面应在过滤器下方７５～１５０ｍｍ范围内。

１．１　风速均匀性评价方法

１）评价方法一

由各测点风速值计算出截面风速算术平均值，计算各测点风速与平均风速的相对偏差，取其绝对值，记为测点ｉ的风速不均匀率Ｐｉ。

１．２　试验研究

笔者对静态条件下垂直单向流洁净工作台操作区截面风速进行了大量调研，分别在主过滤器或扩散板下方１００ｍｍ平面上（记为ＨＥＰＡ１００）、操作台面上方３００ｍｍ平面上（记为ＯＰ３００）进行了不同风速下的速度场均匀性测试，测点布置原则为将测试平面的面积分成不少于１２等分的面积，各面积中心点即为风速测点，各测点间距不应大于２５ｃｍ［２－３］。

大量洁净工作台速度场均匀性测试结果类似，可重复性强。下面以某垂直单向流洁净工作台（操作区尺寸：１　３００ｍｍ×７００ｍｍ×８００ｍｍ（长×宽×高））４挡风速下的实测数据为例进行分析。该洁净工作台两个测试截面上的风速平均值测试数据如表１所示，风速均匀性测试结果如图１所示。

由表１和图１可以看出：

１）相同风速挡位情况下，主过滤器下方１００ｍｍ平面上风速值略大于台面上方３００ｍｍ 平面上的风速，且基本趋势为风速越低偏差越大，这与气流扩散有关，符合射流规律。

２）主过滤器下方１００ｍｍ处的风速不均匀度小于０．１０，风速不均匀率小于０．１５；台面上方３００ｍｍ处的风速不均匀度小于０．２０，风速不均匀率小于０．３０。

３）风速不均匀度、风速不均匀率与风速关系的基本趋势为反比，即风速越大，风速不均匀度、风速不均匀率越小，表明风速均匀性越好，则截面风速为０．５ｍ／ｓ时，速度场均匀性不会劣于本试验条件下的４挡风速。

４）同一风速挡位、同一测试平面上，风速不均匀度值小于风速不均匀率值。

５）相同风速挡位情况下，主过滤器下方１００ｍｍ平面上的风速不均匀度、风速不均匀率均小于台面上方３００ｍｍ平面上的相应数值，表明主过滤器下方１００ｍｍ 处的风速均匀性优于台面上方３００ｍｍ处。

６）测试结果符合ＦＳ　２０９Ｂ，ＪＩＳ　Ｂ　９９２２—２００１，ＪＧ／Ｔ　１９—１９９９中有关洁净工作台风速均匀性的规定，即主过滤器下方１００ｍｍ 平面上每个测点的风速在平均风速的±２０％范围内。

２　自净时间

试验研究的洁净工作台操作区尺寸为１　３００ｍｍ×７００ｍｍ×８００ｍｍ（长×宽×高），根据活塞流的原理，操作区的理想自净时间应由操作区高度除以截面风速求得［４］，则１～４挡风速下理想自净时间分别约为３．８，３．０，２．５，２．１ｓ。在静态条件下，对洁净工作台按表１给出的４挡风速运行时操作区的自净时间进行了试验检测。结果表明，１挡风速时自净时间约为２７ｓ，２挡风速时约为１７ｓ，３挡风速时约为１５ｓ，４挡风速时约为１０ｓ。

对洁净工作台的理想自净时间及实际自净时间进行对比分析，可以看出：

１）４挡风速下操作区自净时间均不足３０ｓ，运行３０ｓ后操作区内空气洁净度均为百级，这对洁净工作台的普通使用者来说是可以接受的。

２）随着风速的增大，自净时间缩短，这与操作区换气次数增大有关。

３）洁净工作台实际自净时间均长于理想自净时间，这与速度场均匀性及流线平行度有关，表明速度场不是绝对均匀的，流线并不是完全平行的。操作区内的气流实际上是渐变流，近壁处存在反向气流，某些微粒并不能一次即随气流排出，可能经过两次甚至更多的循环后排出［６］，这就延长了洁净工作台的自净时间。

４）１～４挡风速下实际自净时间与理想计算时间之比分别约为７．１，５．７，６．０，４．８，基本趋势为随着风速的增大，比值降低（即实际自净时间越接近理想自净时间），这与风速增大、风速不均匀度减小有关。

３　引射作用

在静态条件下，对洁净工作台４挡风速下引射作用按ＪＧ／Ｔ　１９—１９９９和ＪＩＳ　Ｂ　９９２２—２００１的规定（如图２所示）进行检测，该洁净工作台所在周围环境含尘浓度为２．２×１０５ 粒／Ｌ，在图２所示的测点位置检测含尘浓度均为０（≥０．５μｍ），表明测点处均无周围环境气溶胶诱入。

引射作用试验显示无周围环境气溶胶诱入测试点，但并不表明没有周围环境气溶胶诱入洁净工作台内，只是４挡风速下引射作用的影响范围较小而已。为直观反映引射作用的发生，笔者在洁净工作台操作口边缘外侧利用发烟进行了试验研究。污染源紧靠洁净工作台外边缘，以ｍ 表示洁净工作台前挡板下边缘与发烟源的距离，第３挡风速下的试验结果如图３所示，其他挡位风速试验结果类似，只是烟雾流向改变时的ｍ 值不同而已，基本趋势为风速越大，ｍ 值越小，为抵抗洁净工作台外来污染干扰，应将风速加大。

从图３可以看出：

１）ｍ＝１～３ｍｍ时，烟雾流向明显向内，且研究结果表明ｍ 值越小，被卷吸的烟雾越多，即卷吸现象越明显，表明此时卷吸作用力占主导作用，大于气流向外排的作用力（下文简称气流外排力）。２）ｍ＝３～４ｍｍ时，烟雾流向不明显，部分卷吸至洁净工作台内部，部分向外侧下方流动，表明此时卷吸作用力与气流外排力基本相当。３）ｍ≥４ｍｍ 时，烟雾流向明显向外，卷吸作用可以忽略，表明此时气流外排力占主导作用。

４　酒精灯火焰

一般情况下，洁净工作台内是不允许使用酒精灯的，但有些领域的研究人员在实际操作中使用了酒精灯，尤其是微生物学领域的接种操作。在洁净工作台内使用酒精灯时有的会遇到一些问题，如酒精灯火焰向侧下方吹，甚至吹向酒精灯内部引起炸裂。笔者为此在进行截面风速试验研究中同时研究了酒精灯使用条件问题，试验结果如图４及表２所示，表２中的４挡风速值如表１所示。

由图４及表２可以看出，洁净工作台截面风速为０．２～０．４ｍ／ｓ时，在操作区内使用酒精灯，酒精灯火焰将发生４０°～９０°偏移，且风速越大偏移越明显，风速超过０．４ｍ／ｓ时火焰倾斜度将会大于９０°，在实际使用中有的甚至将火焰吹向酒精灯内引起炸裂，此时的倾斜度可理解为１８０°。

在洁净工作台操作区内使用酒精灯，截面风速越小火焰偏移越小，但风速过低不利于污染控制，国内外相关标准均指出截面风速不宜低于０．２ｍ／ｓ。因此若在洁净工作台操作区内使用酒精灯，应将截面风速降低至０．２ｍ／ｓ左右。使用者在购买洁净工作台时可向生产厂家说明可能会在操作区内使用酒精灯，请生产厂家设计多挡风速控制，最低挡风速宜为０．２ｍ／ｓ左右。

５　结论

５．１　用风速不均匀度来评价单向流洁净室风速均匀性更符合实际，即用乱流度衡量单向流洁净室的乱流程度更合适。

５．２　静态条件下垂直单向流洁净工作台截面风速为０．２～０．５ｍ／ｓ时，主过滤器下方１００ｍｍ 平面上、操作台面上方３００ｍｍ平面上的风速不均匀度均小于０．２０，风速越大，速度场均匀性越好。

５．３　静态条件下垂直单向流洁净工作台截面风速为０．２～０．５ｍ／ｓ时，自净时间均不足３０ｓ，风速越大，自净时间越短。

５．４　静态条件下垂直单向流洁净工作台截面风速为０．２～０．５ｍ／ｓ时，引射作用对操作区洁净度的影响不大，但是客观存在。引射作用区域的大小受气流卷吸力与气流外排力共同作用的影响，截面风速增大时，气流外排力作用加强，引射作用区域面积减小。

５．５　垂直单向流洁净工作台截面风速为０．２～０．５ｍ／ｓ时，酒精灯火焰倾斜角度为４０°～１８０°。洁净工作台内不宜使用酒精灯，当需要使用酒精灯时应在购买洁净工作台时向供货商提出最低风速可调至０．２ｍ／ｓ左右的要求，并在使用酒精灯时将风速降至最低。