生物安全柜（Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ 　 ｓａｆｅｔ ｙ　ｃａｂｉｎｅｔｓ，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．

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》（ＹＹ　０５６９—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（ｍａｓｓ 　 ｆｌｏｗ　ｉｎｌｅｔ）；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（ ｐｒｅｓｓｕｒｅ 　 ｉｎｌｅｔ）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（ ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｕｔｌｅｔ）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－ ｏｕｓｊ ｕｍｐ）；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．

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》（ＹＹ　０５６９—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．

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．

　在生物安全柜的性能要求中，下降气流的均匀性是非常重要的指标，不管是在实验测量还是模拟计算 中都应该对此项严格要求．从表１的结果中发现，模拟值与测量值接近地很好，流速标称值为０．３０ｍ／ｓ， 测量值与模拟值的平均值分别为０．２９９５，０．３０４１ｍ／ｓ，从而进一步验证了模型的正确性；比较不同测点值 可知其大小几乎相等，这进一步说明了安全柜下降气流的设计均匀性、合理性．

２． ２　噪声值的测量与分析 在噪声测试实验中，通过变换生物安全柜风 机的不同档位，来改变安全柜运行的流速，分别测 量噪声值．考虑到声场的辐射特性，需对安全柜布 置多个接收点进行测量分析，测点取为： Ａ———右 格栅中部； Ｂ———后格栅中部； Ｃ———操作台面３００ ｍｍ高处距离左壁面３８０ ｍｍ；Ｄ———操作台面 ３００ｍｍ 高处距离右壁面３００ｍｍ； Ｅ———总噪声 值测点（见图６）．在不同流速下的各测点的数据 记录如表２所示．

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》（ＹＹ ５６９—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值，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．