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生物安全柜流动噪声的数值模拟

[导读]为了降低生物安全柜的流动噪声,并提高生物安全柜设计的效率和能力,采用计算气动声学方法对生物安全柜流动噪声进行数值模拟.基于流体力学和气动声学理论及 Fluent软 件,通 过 几 何 建 模、边 界 条 件 设定、计算模型选择等步骤建立了生物安全柜气流流场的数学模型和噪声预测模型

 生物安全柜(Biologicalsafetycabinets,BSC)是一种主要应用于微生物学、生物医学、动物实验等领域的科研、教学和临床实验的安全设备,也是实验室生物安全中的一级防护屏障[1].如今,生物安全柜的生产技术已发展成熟,性能要求也已达到较高的水平,然而在噪声方面的要求并没有相应的提高,仅仅停留在最初始的水平(低于67dB[2]).安全柜所产生的噪声是对操作人员最直观的影响,也 决 定 着 市 场 竞 争力,因而,在达到安全柜性能要求的基础之上,对其降噪问题进行研究也变得越来越迫切.

生物安全柜设计精密,成本较高,对其噪声的研究若采用实际实验的方法,周期太长,耗费较大.计算气动声学(CAA)的发展和计算机硬件水平的提高,为研究生物安全柜流动噪声开辟了一个新空间.采用计算气动声学方法对生物安全柜的流动噪声进行数值模拟,不仅省时省力,操作简单,而且不受实验仪器和设备的限制,可以取得适用于多种工况的结果[3-5].笔者探讨基于 CAA 方法建立生物安全柜数学模型的方法和具体操作方式,并对模型进行有效性验证.

1 生物安全柜流动噪声的数值模拟

1.1 CAA基本原理

计算气动声学(CAA)是基于计算流体力学(CFD)与气动声学的交叉学科,采用数值计算的方法研究流体与固体边界间相互作用所产生噪声的非定常流动机理,是一种高效准确的计算方法,成功解决了现实工程中的气动噪声问题.它用计算机来代替实验装置,通过控制方程来求解气流流场变量的近似值,在此基础之上运用快速傅里叶转换(FFT)并结合 FW-H 方程对流场进行数值计算,将复杂流动的压力、流速、温度、声压级等物理 量 用 图 形 输 出,直观地展现出流场和声场的特性.随 着 数 学 和 计 算 机 科 学 的 进 步,CAA 也得到很大的进步,模拟结果越来越普遍适用[6-7]

1.2 几何模型

生物安全柜实物如图1所示,安全柜模型的尺寸与实物尺寸相同.操作空间柜体为梯形(只有前窗面为倾斜面),长1170mm;宽:上面460mm、底面610mm;高680mm.高效过滤器的尺寸为:长1170mm、宽460mm、厚69mm;按照《Ⅱ级生物安全柜》(YY0569—2011)要求取前窗最大开启高度200mm 计算;以安全柜左、后、下方的柜体角为坐标原点建立 X、Y、Z 坐标轴,并以操作台 XY 面为参考基准面,所建立的物理模型如图2所示.

1.4 边界条件

安全柜的额定工况:垂直下降风量为910m3/h,垂直下降气流流速为(0.30±0.025)m/s;前窗流入风量与排风风量相同(安全柜的气流风量采用70%循环,30%排出)为390m3/h,流入气流流速为(0.55±0.025)m/s;风机总送风量为1300m3/h.风机的送风风量已知,故选取的边界类型为质量流量入口(massflowinlet);前窗入口是在前窗底面

格栅负压的作用下将安全柜窗外的空气吸进格栅,并不进入到操作区间,所以前窗流入口可定义为压力入口(pressureinlet)边界条件;出口边界有排风口、操作区间底部四面格栅,可根据实际情况设置为压力出口(pressureoutlet)边界条件;气流经风机送风口被送进柜体内,一部分经过高效过滤膜的处理排出安全柜,另一部分也经过高效过滤膜的洁净进入操作区间,这层过滤膜选定的边界条件为多孔介质阶跃(por-ousjump)[8];由于固体壁面满足无滑移条件,故安全柜其余结构默认为壁面(wall)边界条件.

1.5 数值模拟

生物安全柜内流场流动属于三维非定常湍流流动,在进行流场模拟计算时选择k-ε[2epn]湍流模型、压力与速度耦合的方法进行求解计算,并采用二阶迎风格式对动量、湍流强度(k)及湍流耗散率(ε)进行离散化,使计算结果达到最佳的求解精度和收敛速度.流动噪声声场的计算建立在对气流流场准确模拟的基础之上,使用计算气动声学方法中的直接计算法.该方法对计算资源的要求并不苛刻,当前所拥有的计算条件基本可以达到要求,而且这种方法还提供了与所研究的气动噪声密切相关的湍流脉动信息.

由图3和图4可以看出:气流由风机送风口处送入,一部分气流排出柜体,另一部分经高效过滤膜洁净和整流流入操作区间,形成低速且均匀下降的气流,没有产生旋涡和向上气流且无死点,也没有气流从柜体中除出口处溢出.由此可知,对安全柜气流流场的模拟结果在均匀性和密封性上满足相关要求.但是在导流板前后,气流流速较大且极其紊乱,增大了流场的不均匀性,形成了噪声场与流场最容易发生耦合的地方,这对于寻找安全柜流动噪声源有着一定的研究意义.此外,安全柜前窗操作口整个周边气流流向均向内,无向外溢出的现象,且没有进入工作区,而是直接流入底面格栅进入负压通道,气流分布满足《Ⅱ级生物安全柜》(YY0569—2011)的要求,故可初步判断该模拟方法是有效的.

2 实验验证

生物安全柜流动噪声声场具有一定的复杂性,由于其辐射特性,导致声场频谱中既有离散噪声又有宽频噪声.为了进一步研究安全柜流动噪声,同时也是对模拟结果的验证,在适当的测试环境下对安全柜样机进行测试分析.

图5 流速测点布置

2.1 下降气流流速的测量与分析

为了对生物安全柜操作区间气流均匀性进行验证,需在操作空间内布置多个测量点测量.为了更加准确地体现出下降气流的真实情况,实验将对前窗开启高度上方100mm 平面均匀布置格栅点进行测量并取平均值(见图5).对 下 降 气 流 均 匀 性 的 测 量 同 时 也 是对模拟流场结果的有效验证,实验结果、模拟结果及其比值如表1所示.

均向内,无向外溢出的现象,且没有进入工作区,而是直接流入底面格栅进入负压通道,气流分布满足《Ⅱ级生物安全柜》(YY0569—2011)的要求,故可初步判断该模拟方法是有效的.

3 结束语

生物安全柜的降噪问题对改善操作人员的工作环境、提高安全柜市场的竞争力具有重要意义.笔者运用计算气动声学方 法 建 立 了 Ⅱ 级生物安全柜模 型,模拟出的气流均匀性符合 《Ⅱ 级 生 物 安 全 柜》(YY0569—2011)标准的规定,对噪声的预测与实际测量值基本吻合.并结合实验测量数据,对模型进行了有效性验证,通过比较50个测点气流流速的测量值与模拟值、5个接收点处声压级的测量值与模拟值、5个接收点处频谱图的测量值与模拟,验证了模型对生物安全柜运行情况的模拟能力很好,说明了该数值模拟方法对研究生物安全柜的降噪问题具有可借鉴性.




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