关于单向流洁净室
发布时间： 2009-9-10 20:12:11 来源： 科泰瑞
1、简述
在洁净技术中，自美国FS209C将洁净室中的气流流动分为单向流和非单向流后，这一名词被广泛采用。
我们知道，从流体力学的角度，描述流体的流态，按质点的速度是否随时间变化分为稳定流动和非稳定流动。
按流速是否随流向变化，分为均匀流动和非均匀流动。不均匀流动又分为渐变流动和急变流动。
空调系统运行稳定一般属恒定流动。洁净室中的气流流动除天棚满布、高效过滤器送风棗满布地板格栅回风的典型流动性属均匀流动外，均属不均匀流动。
在稳定流动中，按Re数判断可分为层流和紊流。
洁净室中，由于断面积大，既或在稳定流动中也不属于层流。只有在洁净管道中可能形成层流。
洁净室的流态分类（以下均以美国FS209为例）最早分为层流和乱流。
美国FS209C开始将层流改称单向流，乱流改称非单向流。这一名称显然比较贴切。
对单向流的描述，文字上也稍有差异：
FS209C（1987年10月27日发布）："气流以一个平行的方向沿单一通道穿过洁净室或洁净区"；
FS209D（1989年6月15日发布）："一般具有平行流线，以单一通路、单一方向通过洁净室或洁净区的气流"；
FS209E（1992年9月11日发布）："一般具有平行流红，以单一方向并且横断面上风速一致的气流。"
上述对单向流的描述与FS209B对层流的描述有那些差别呢？
FS209B称：层流的规定是，在限制范围的全部空气以均匀的速度平行流动。
FS209B对层流气流速度又有明确的规定："通过洁净室断面的气流速度能常保持为0.457m/s，在整个无干扰的房间内，其不均匀度在±20%以内。"
这就是说对单向流的描述中删去了速度约0.457m/s的规定和断面风速不均匀度为±20%的要求。
综上所述，洁净室中形成单向流有三个条件，也就是单向流的三要素：气流速度、流线不均匀度、气流平行度。但对三要素均无定量的数值限制。虽然FS209E已被废止，但国际标准和我国<洁净厂房设计规范>GB50073-2001，有关单向流的描述，仍沿用FS209E的提法。
我们知道，最佳的气流组织就是使尘粒沿着流线（迹线）以最短的路径排走。所以单向流是最佳流型。
2、单向流三要素分析
以下笔者根据理论分析和洁净技术的实践具体剖析单向流三要素。
2.1 气流速度
FS209B规定的气流速度保持在0.457m/s的规定显然偏大，目前各国的规定均未规定这么高的气流速度。洁净技术多年的实践也证明不需要这么高。
那么，单向流的流速多大合适呢？笔者对此进行理论分析。
气流速度的选择应该使整个气流均匀流动不发生滞留区。不发生滞留区气流速度必须大于0.08m/s[1]。因此换气次数n应满足：
式中：L棗通风量，m/h；
H棗房间体积，m3；
F棗房间横断面积，m2；
H棗房间高度，m；
V棗流速，m/s。
一般洁净室层高H=2.5∽3.5m当υ≥0.08m/s时，则n≈100次/时，这就是洁净出现单向流状态必须满足的最小换气次数。
气流速度应能抵抗人员活动、热浮升的干扰，在水平单向流中还应抵抗尘粒自由沉降的影响。
当人员活动时，就相当于有外力作用在尘粒上。某一物体受到外力作用就会产生一个初速度，这些速度下物体会发生运动。当外力消失后，该物体就获及的瞬时速度ω（2）
ω= ω0 朅t（2）
式中：ω0棗物体获及的初速度，m/s；
t棗时间，s；
A棗系数，1/s。
式中：dc棗物体直径，m；
Pc棗物体密度，Kg/m3；
μ棗空气粘度，Pa.S。
理论上讲t→∞时，ω→0。
以dc =1μm，Pc=600Kg/m3，（A=55×10-4），ω0=5m/s（对1μm尘粒这已是很难达到的），t=0.36×10-4s，速度ω已下降为0.25m/s，也就是说速度即该接近零。
此时粒子所运动的距离S：
t→∞时，S→Smsx，则
可见机械力（人员的活动）基本不影响尘粒的转移，外力消失后，尘粒会继续沿流线流动。
下面分析粒子随气流的运动。粒子能否随气流移动取决于尘粒的悬浮速度的大小。
尘粒的悬浮速度ω:
式中：g棗重力加速度，m/s2；
ρ棗空气密度，Kg/m3；
其它同式（2）
dc=1μm，ρc=600Kg/m3的尘粒，ω=1.78×10-5m/s。
可见尘粒的悬浮速度甚微，只要有微弱气流就可以将其带走。
一般成年人的发热量为0.1Kw，在静止的空气中在人体头部上方可产生0.2m/s的上升气流[3]。所以垂直单向流的风速要克服此热浮升的速度。
综上，对垂直单向流，气流速度υ≥0.25m/s足矣。
在水平单向流中，尘粒除随气流运动外，还受到一个重力作用，见图1。我们分析一下重力沉降对尘粒运动的影响。
假设水平单向流洁净室长为L，高为H。尘粒的沉降速度为ω，气流速度为υ。欲使尘粒在流过洁净室过程不沉降在地面上，则有： (5)
仍以1μm粒子为例（条件同式2），则ω=1.78×10-5m/s，假定水平单向流空气流速仍取υ≥0.25m/s，若L=6m，那么尘粒由入口至出口，下沉的距离h为：
可见粒子沉降的距离很小，不会太脱离原流线。
由上而分析，无论垂直单向流还是水平单向流的气流速度取υ≥0.25m/s均足够。当然水平单向流可适当提高一点流速。
以上分析的是气流按等温送风计算，如果室内有强热源，则另当别论，需采取其它措施。
2.2 气流速度的不均匀度
洁净技术发展初期，对气流的不均匀度要求很严格。
美国FS209B规定：不均匀度在±20%以内。此规定没有说明以那个速度为基准值，是设计风速还是断面风速的实测平均值。一般认为其准值是断面实测的平均风速。
美国FS209以后，删掉了气流不均匀度的要求。这显然是长期实践得出的认识。从长期对洁净室的测试发现这一要求基本达不到。
我们知道，出口气流除射流的主体段之核心部分，气流速度相等，流线平行外，其它部分均不可能。
由于过滤器滤料密度不均，过滤器送风静压箱压力不均，及由于相邻高效过滤器边框形成的无风区，相邻过滤器出风搭接处的风速与过滤器表面的出风风速也不相同。
3、流线的平行度
各种规范都规定单向流的一个要素是气流流线平行。这一点到目前为止仍被坚持。然而实践证明也不是不必要的。
我们知道，气流速度相等和流线平行，只有两种情况能达到：①射流的起始段之核心部分。②有Welosinski曲线入口的直管段。其它情况由于多种原因均不可能。
只要整个气流中的流线（迹线）不交叉，不形成涡流区，尘粒就会沿着迹线（流线）排走，而不会被滞留。
那么，两个流线间在什么情况下不形成涡流区呢？对此纯理论的论述尚未见到。在流体力学中对渐扩管的局部阻力损失有半经验公式经推算当扩张角为5-80时[3]阻力损失最小，这就意味着扩散角为5-80除磨擦阻力外，只有由于流体流断面逐渐扩大而形成的流速分布改变形成的损失，而基本无旋涡区的损失，流体并未脱离扩张管壁。所以可以认为只要送风口的出流中，相邻的流线夹角小于5-80，整个气流就会沿单一的总趋向流动。因为在此情况下，尘粒仍可沿自己的迹线流动而不受干扰，这就达到了排走的目的。
通过上面分析可知，只要整个气流在一个通道上流动，流线之间不形成涡流区，流线平行与否均匀可将尘粒排走。所以气流流线要求平行也是没有必要的，而且由于气流速度的不均匀性而形成横向的压力变化，流线完全平行是不可能的。
以上是在空态上，分析室内的尘粒沿气流流线排走的情况。
实际工程中，由于有工艺设备将影响气流运动方向，使尘粒流迹发生改变。在这种情况下我们所要研究的是，某一尘粒是否能被控制在一定范围被排走，而不影响相邻的工作点。
对两个相邻工作点间的距离并无统一规定，这与工艺操作要求有关。但两个最近的工作点，应该是两个坐着工作的活动范围。国内外均对此作过分析。人的活动范围为一米直径范围内，以1.80米高度的尘源，落到工作区高度0.75米的人活动范围外，计算得到流线与垂线的偏有为250 [4]。这种假定是可行的。文献[5]指出，如果横向气流分量是主气流的40%（这大约形成23.60偏角），可以防止相邻工作区的污染。
但是，流线的不平行度，应该以两流线间不形成涡流，尘粒不被滞留为依据。所以流线的不平行度应该是夹角5-80。而上面提到250或23.60的夹角中不形成涡流是因为还有很多流线。250左右的倾角应该称为相邻工作点不形成污染的倾角，或污染物被控制在自己工作区范围的倾角更为贴切。
相邻的工作点的交叉污染用流线的倾角可以被控制，而自己工作区的工作台面有可能滞留尘粒。这种情况发生在以下两种情况：①气流流过的工作台边角时，发生涡流；②工作台表面近似水平的气流速度趋向零时。对第一种情况，只需涡流区出现在工作台下，就不影响工作区洁净度（顶送风相对两侧墙底部回同的气流流型就可以保证工作区高度以上不产生涡流区）；第二种情况，只要工作台面不太长，瞬时气流变为零的可能性很小。因为尘粒的悬浮速度特小，只要有微小的气流流速就可带走尘粒。
4、关于单向流建议
从美国FS209E对单向流的描述可知，形成单向流要在气流充满洁净室或洁净区的前提下，还有三个要素：气流速度、气流的不均匀度、气流的平行度。而且对三要素均有严格的要求。
洁净技术发展到今天，使人们清楚的认识到，早期对洁净室装修十分苛刻的要求已被取消；对气流组织要求也在调整，使之更有效实用。
国内外大量研究表明，洁净室的洁净度主要取决于合理的气流组织和高效过滤器的效率。
对气流而言，单向流无疑是最佳的气流流型，因为它可以达到高级别洁净度。当然低级别洁净度可用非单向流。典型的垂直单向流流线平行，同一高度上尘粒排走的路径相同而且最短。但我们有时只要求尘粒沿流线排走即可，至于同一高度的尘粒是否排走的路径最短或是否同时排走，并不刻求。从这一点出发能否对单向流的概念，有一种新的提法。
我个人的建议是：充满洁净室或洁净区以一定速度沿总趋向单一方向流动，且流线（迹线）不交叉的气流称为单向流。
这个定义使单向流的范围拓宽了，当然还是现在的垂直单向流，水平单向流，这两种气流是新定义单向流的最佳气流。
根据新定义，目前称之为矢流的气流也可称为单向流，见图2。它也符合条件：气流充满洁净室，流向总趋向单一，流线不交叉且具有一定的速度。当然这的流线并不平行，同一断面的速度也不相等，而且尘粒排走的路径不是最短的，但尘粒可沿某一流线排走。
按照新定义，洁净室的洁净度要求不同，可以选择不同气流组织方案。
非单向流则是气流未充满整个洁净室，在洁净室内形成较大涡流区的气流。
以上提出的是个人的看法，希望引起同行的讨论。