CFD软件在医药工业洁净厂房设计中的应用探讨与实例分析

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本文作者为：邱济夫
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摘要
针对医药工业洁净厂房设计过程中气流组织无法直观预判的问题，探讨使用CFD软件对气流组织进行模拟，并用于指导设计。采用CFD软件对送风口形式、风口布置等对气流组织的影响进行模拟比较。探索将CFD软件应用于实际工程设计。

关键词
CFD   医药工业   洁净厂房   气流模拟

0引言

2011年3月开始执行的《药品生产质量管理规范(2010年修订)》[1]，与旧版GMP相比，对于无菌产品生产车间的环境参数提出了更高、更严的要求。这对医药工业洁净厂房的设计提出了严峻的挑战。


在医药工业洁净厂房的设计、施工和运行过程中，洁净房间的气流组织是影响洁净室成功与否的一个重要因素。良好的气流组织，既能保证房间的洁净度等级，又能有效地避免生产过程中的污染与交叉污染。但在设计过程中，房间的气流组织是无法直观显示的，设计者无法直观地检查房间的气流组织是否合理，因此难免会有一些不当的甚至是错误的设计。

面对此类问题，在设计过程中可采用CFD软件进行气流组织的模拟及演示。CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学），是利用计算机对流体流动、传热等进行数值计算和图像显示的技术。常用的CFD商业软件有很多种，如Fluent、Phoenics、POLYFLOW、Airpak等。本文应用Fluent软件，探讨、研究了CFD软件在医药工业洁净厂房设计中的应用。

1医药工业洁净厂房设计中关于气流组织的困惑

医药工业洁净厂房按照洁净度级别分为A、B、C、D级。其中A级采用单向流，B、C、D级采用非单向流的气流组织形式，非单向流洁净室一般采用上送侧下回的送回风方式。洁净室的气流组织，受到多种因素的影响。困扰设计者的主要问题有：

1.1送风口形式

医药工业洁净厂房内采用高效送风口作为房间的送风口，选用不同的出风速度、或者采用不同的扩散板形式，会产生不同的房间气流组织效果。因此，哪种形式的送风口更适合用于洁净室，成为困扰设计者的一个首要问题。

1.2风口布置

由于送风为射流，其对房间气流组织的影响比回风对气流组织的影响更大。虽然回风对于气流组织的影响较小，但是不合理的回风口布置，也可能造成房间气流组织的不当。此外，房间布局、工艺设备等也会对气流组织产生影响。因此，送风口、回风口的合理布置，以及如何配合房间布局和工艺设备布置，是设计过程中应认真考虑的问题。


1.3气流组织对房间洁净度的影响

气流死角（涡流）可能导致局部洁净度不能满足设计要求；不当的气流方向会导致工艺生产受到人员等污染源的威胁。如何保证自己的设计能够提供合理的气流组织，并保证房间的洁净度等级，是设计者必须面对的一个问题。

1.4气流组织对其他环境参数的影响

在设计条件下房间的温湿度等参数及其均匀性是否满足相关规范的要求，也是在设计过程中困扰设计者的一个难题。


针对上述困惑，拟用CFD软件协助解决这些问题。

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2CFD原理及软件介绍

CFD的物理学基础是计算流体力学和计算传热学，其中，最基本的是三大方程——连续性方程、Navier-Stocks方程和能量方程[2]。

其中，连续性方程，描述的是流体的连续性，其数学公式如下：

Navier-Stocks方程，是流体的运动方程，其数学公式如下：


对于没有换热的流体流动，连续性方程和Navier-Stocks方程组合即可全面的描述流体流动。对于有换热的流体流动，需增加能量方程。

上述方程都是偏微分方程，只有一些简单的情形有精确解，对于大多数工程问题，只能采用实验研究或近似解法。数值解法就是一种有效的近似解法，是求解区域中某些特定点的未知量的近似值，这是CFD所采用的方法。

CFD数值解法的过程如下：

图1 数值解法流程图

一般CFD软件由前处理、求解器、后处理三部分组成。其中前处理包括建立几何模型、划分节点等；求解器包括确定控制方程、控制方程离散化、输入初始条件、输入边界条件、输入其他相关参数等；后处理即为速度场、温度场、压力场等的计算机可视化。

Fluent软件包是商业CFD软件中市场占有率较高的一个商业软件。其前处理软件为GAMBIT，可自行生成或导入模型，并划分网格。Fluent自身包含求解器和后处理部分。



3医药工业洁净厂房气流组织的模拟与显示

针对之前提出的部分问题，采用Fluent软件进行模拟分析。

3.1送风口形式的选择

高效送风口的扩散板通常有孔板型、孔板+散流、旋流扩散板等形式。（见图2）


图2 高效风口形式

应用Fluent对前两种风口形式进行模拟比较。取模型房间宽2.4m，长4m，高度为2.6m，房间送风量500m3/h，采用顶送侧下回的送回风方式，如图3所示。坐标原点设置在房间几何中心，坐标轴如图所示。



图3 房间模型一

对两种形式的风口分别建立模型，并进行模拟计算。其中采用孔板型扩散板的边界条件设定为均一速度入口，而采用孔板+散流型扩散板的边界条件划分为多个区域不同方向的速度入口。

以X=0截面的速度场进行比较，如图4、图5：

图4 孔板型，X=0



图5 孔板+散流型，X=0

比较可以看出，孔板+散流型扩散板送风在房间内的扩散更为均匀，涡流的范围较小。由于非单向流洁净室的净化原理为稀释原理，扩散越均匀，效果越好。因此，根据模拟分析，孔板+散流型扩散板更优。

通过类似的CFD模拟，可以协助我们选择更合适的风口。但风口模型的建立，需要对网格划分做非等距处理，并需要实验数据的支持与验证，有待进一步开展。

3.2送风口位置

对于上一案例，回风口布置在一角，而送风口布置在房间正中，送风口位置是否合理？通过如下的模拟进行验证。


模型房间尺寸不变，回风口位置不变，送风口采用孔板+散流型扩散板。送风口中心沿Y轴反方向移动1m和2m，与送风口正中布置进行比较。

仍以X=0截面的速度场进行分析比较，图5-1和图5-2分别为送风口中心沿Y轴反方向移动1m和送风口中心沿Y轴反方向移动2m的速度场，与图4-2进行比较。


图6 送风口沿Y轴反方向移动1m


图7 送风口沿Y轴反方向移动2m

通过比较发现，回风口对房间气流的影响比较小，送风口中心偏移后，送风的速度场变化不大；因此送风口宜在房间内均匀布置。“GMP验证及自动化”微信号——您的口袋工具书

3.3单面回风与双面回风

新建模型房间宽4m，长5m，高度为2.6m，房间送风量1560m3/h，采用顶送侧下回的送回风形式，选用两个送风口，四个回风口。比较回风口单侧布置和双侧布置的气流组织。


图8 房间模型二，单侧回风



图9 房间模型二，双侧回风

坐标原点仍设置在房间几何中心，以Y=1截面的速度场进行分析比较，如图10、图11：

图10 单侧回风，Y=1



图11 双侧回风，Y=1

比较可以看出，单侧回风会造成无回风一侧的涡流区扩大。因此，建议设计时房间宽度较宽（大于3m），宜采用双侧回风。

上述模拟可以看出，在设计阶段，可利用CFD软件对房间的气流组织进行模拟显示，进而用于指导房间送风口、回风口的布置。对于房间形状不规则及/或有工艺设备可能会对房间气流组织产生影响的情况，CFD模拟的意义更大。在部分项目中，已经尝试使用CFD软件对房间的气流组织进行模拟。“GMP验证及自动化”微信号——您的口袋工具书



4气流模拟应用案例及分析

北京某生物疫苗项目，其B级灌装间，灌装设备自带O-RABS，房间平面布局如图12：



图12 平面布局

O-RABS从房间上方取风，在房间内自循环。如图13所示。


图13 O-RABS示意图

由于RABS吸风量很大，因此存在的一个疑问是：RABS大量的吸风是否会导致房间的气流组织混乱？对于这样的疑问，拟定用CFD软件进行模拟显示。

该房间的风口布置如图14：


图14 风口布置

坐标原点设置如图14所示，对比RABS运行和不运行两种状态下X=2截面的速度场（见图15-图18）。


图15 RABS不运行，X=2


图16 RABS运行，X=2


图17 RABS运行，X=4


图18 RABS运行，速度场

比较图15和图16，可以看出，RABS运行后，高效送风口送风直接被吸入RABS，未能到达工作区域；RABS的吸风造成相邻B级环境部分区域的气流方向向上，气流极为混乱。图17显示为RABS运行时X=4截面的速度场，图18显示为整个房间的速度场，房间内局部向上气流的风速超过2m/s。这样的气流组织，可能导致B级环境无法达标。

根据上述模拟分析，在B级环境中使用O-RABS时，应慎重考虑其对B级环境的影响；条件允许的话，设置相应的回风夹墙，避免出现向上的气流。

我公司已经在浙江某医药净化项目和海南某医药净化等项目，探索使用CFD软件气流模拟用于设计指导，取得了良好的效果。

5结论与展望

5.1结论

应用CFD软件，可以在医药工业洁净厂房的设计过程中，对气流组织进行模拟，从而用于优化设计，合理选用风口并布置风口，特别对于房间形状不规则及/或有工艺设备可能会对房间气流组织产生影响的情况，意义更大。

5.2展望

CFD软件功能强大，除可以进行速度场的模拟外，还可以进行温湿度、压差、尘埃粒子浓度、换热等的计算模拟。而温湿度、压差等也是医药工业洁净厂房设计过程中的关键参数，推广应用CFD软件，可以让我们的设计更为完善。

拟在医药工业洁净厂房设计中探讨使用CFD解决如下问题：气流均匀性模拟、房间温湿度模拟及均匀性显示、区域压差显示[3]、发尘模拟与洁净区动态洁净度模拟等。

5.3问题

应用CFD软件虽然可能提高设计的质量，但是，设计的周期会相对延长。CFD软件作为数值计算软件，其结果的可靠性取决于多种因素，模型的建立、网格的划分、方程的选取、边界条件的定义、计算设置等均可能对计算结果造成影响，因此，需根据实际情况合理设置软件参数进行模拟计算。这需要对软件深入的了解和准确的应用，需要一定的人力、物力投入。

而模拟计算结果的可靠性，是需要实验数据的验证的。典型问题模拟结果的验证，需要相关现场数据的支持，这需要业主和施工方的技术投入。

尽管存在这样的问题和困难，但相信CFD软件可以在医药工业洁净厂房设计中得到很好的应用。“GMP验证及自动化”微信号——您的口袋工具书

参考书目：
【1】 国家食品药品监督管理局．药品生产质量管理规范（2010年修订）【S】．

【2】 陶文铨．计算流体力学与传热学【M】．北京：中国建筑工业出版社，1991

【3】 邓伟鹏，沈晋明．采用CFD方法模拟隔离病区的压力分布【J】．暖通空调，2005(9)

syhorchid

谢谢分享

小米0

貌似这样的应用案列应该很早就出来了~ 只不过没有真实见到~~