基于PyroSim的FDS数值模拟在单向流无菌室设计中的应用

LOW CARBON WORLD2021/4建筑•节能
基于的数值模拟在单向流无菌室设计中的应用
梁适
(广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州510010)
【摘要】广东省食品药品检验所迁址项目总建筑面积31782.9m2,为综合性科研办公楼。

本项目主要功能房间为无菌实验室，通过空气的净化和空间的消毒为微生物实验提供一个相对无菌的工作环境，设置洁净空调。

本文通过应用PyroSim软件进行建模，对洁净空调无感层流送风的气流流型进行研究，并论证无菌实验室通风系统中变风量通风橱窗控制技术的可靠性，安全性。

通过该项目在FDS功能方面拓展使用案例，阐述PyroSim软件在暖通设计中的应用遥
【关键词】暖通设计;PyroSim；FDS;无菌室；层流送风;垂直单向流
【中图分类号】TU831【文献标识码】A【文章编号】2095-2066(2021)04-0183-02
1工程概况
本工程是广东省食品药品检验所迁址项目，位于萝岗区科学城首期用地中的生物医药片区，总建筑面积31782.9m2,为综合性科研办公楼。

本项目中实验室部分为无菌室,无菌室是通过空气的净化和空间的消毒为微生物实验提供一个相对无菌的工作环境，处理样品和接种培养的主要工作间。

它也属于生物洁净室范畴，主要控制工作对象是有生命微粒对外界和人的污染。

为满足无菌室无菌要求，洁净空调设置上按照超净无菌实验室标准进行布置叫
2PyroSim烟气模拟
PyroSim是一款用于消防模拟的软件，包含三维建模,FDS 数值模拟,Smoke View后处理等组件。

本工程中采用PyroSim 软件中的FDS(Fire Dynamic Simulation),是一种以火灾中流体运动为主要模拟对象的计算机流体力学软件，由美国国家标准技术研究所(NIST)开发，具有观察界面友好、可视性强、针对性强等优点。

可以模拟热力学流体，对火灾中的烟雾、温度、毒气等相关参数进行数值模拟［役该软件模拟颗粒物、液滴与热气流形成的混合物特性可迁移使用到无菌实验室标本台污染物控制数值模拟中。

3基于PyroSim的FDS数值模拟在无菌实验室暖通设计中的应用实例
3.1广东省食品药品检验所迁址项目中对无菌实验室设计应用目标
①数值模拟洁净空调系统气流流型；②论证无菌实验室变风量橱窗通风系统的可靠性、安全性。

为完成该应用目的，按实际物理尺寸对无菌实验室内的洁净空调及橱窗通风系统气流流型进行数值模拟,设置污染物示踪粒子,通过运动轨迹等结果输出无菌实验室洁净空调的可视化结果，从而论证其
可靠性、安全性。

3.2FDS数值模拟工作流程
3.2.1FDS数值模拟建模
考虑到无菌实验室内洁净空调复杂性，以REVIT软件先
行建模，再通过标准文件传递到PyroSim软件进行模拟分析。

本项目建立起两套无菌试验室模型，一套为洁净空调系统气
流流型研究模型,有限元个数为307200个。

一套变风量通风
橱窗的可靠性安全性论证模型，有限元个数为54315个，见
图1。

图1洁净空调系统气流流型研究模型与变风量通风橱窗论证模型
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I建筑•节能LOW CARBON WORLD2021/4
3.2.2FDS数值模拟的环境设置
本项工程参照火灾热烟测试中混合流体模型，基于气相可燃物化学反应来模拟通风橱窗中标本台的污染泄漏。

由于从通用的燃烧模型预设库中选择导入，使FDS模拟在任何一次数值模拟中都能得到稳定的边界条件，从而获得较为准确的计算结果。

3.2.3FDS数值模拟中通风空调设置
在PyroSim的FDS数值模拟中，通风空调的风管和其他模型框架一样，以空间占位block矩形块体表示，不对风管内流体进行数值模拟。

送排风、自然进风口等风口由面属性管理，定义不同种类风口的面属性。

(1)本项工程中无菌实验室设置的洁净空调通风原理如下:无菌室送风由精密空调主机预处理至工况温湿度,通过风管接入天花内装大面积高效级过滤净化层流送风口由房间上空送入房间，风口维持0.3〜0.35m/s无感层流送风，回风则由安装距地150mm低位回风口吸入，经过过滤净化后排出房间。

整体气流流型为上送下回，在操作台及实验人员操作区域主要气流流型为垂直单向流，确保实验柜表面无污染风险。

(2)本项工程中变风量橱窗排风系统原理如下:排风系统风机采用管道静压变频控制，控制器将持续监测管道静压，通过调整风机转速来恒定静压。

通风柜的面风速控制系统根据设置值持续地监测实际面风速，并通过风阀开度调整风量以恒定面风速设定值，整体为闭路控制。

3.3基于PyroSim的FDS数值模拟
FDS数值模拟根据全局参数设置，基于大涡流模拟来计算，使用流体力学模型近似N-S方程，从而获得质量密度分析、流体流速分析、流体温度分布、运动矢量分布、体积变化分析、生成物浓度分析等多项参数的分析结果叫
在本项工程中，均设置0〜120s数值模拟时间，以系统启动至稳态运行流场模拟为主要研究对象。

4FDS数值模拟分析应用结果分析
4.1洁净空调系统气流流型研究模型
洁净空调系统气流流型FDS数值模拟，系统经过60s达到稳态运行,得到的数据结果通过Smokeview可视化分析。

可以看到无菌实验室中洁净空调垂直单向流的空间分布状态，见图2。

洁净空调的层流送风口在主要操作区域有效形成稳定的下沉垂直单向流。

图2洁净空调垂直单向流的空间分布状态
4.2变风量通风橱窗论证模型
变风量橱窗排风系统排风口选用0.5m/s面风速进行FDS数值模拟，系统经过60s达到稳态运行，得到的数据结果通过Smokeview可视化分析。

模拟实验样本产生污染物示踪粒子轨迹，见图3。

可见在变风量橱窗排风系统作用下，实验室橱窗面有较明显流入橱窗的面风速，气流方向为净流入，在变风量排风系统的伺服补风送风作用下洁净区总是保持正压,污染物(主要为实验操作台面样本蒸汽模型)在下沉垂直单向流以及橱窗排风气流共同作用下迅速排走，无散逸出通风柜以外风险。

变风量通风橱窗排风系统在本项工程中的应用是可靠、安全的。

图3实验样本产生污染物示踪粒子轨迹
5结语
在本项目中，通过应用PyroSim软件中FDS功能,经过数值模拟，得到详细直观的无菌实验室中洁净空调稳态运行的气流流型，并进一步模拟变风量通风橱窗排风系统与洁净空调共同作用下的污染物粒子运行。

从而实现以可视化手段研究无菌实验室洁净空调系统，并得出以下结论：
(1)在本项工程中，洁净空调设置的层流送风口无感送风条件下形成的垂直单向流，其形成的气流流型对实验中的生物样品产生的污染物以及实验人员产生的污染物有显著的抑制和排除作用，从而保证无菌实验室所需的洁净程度。

(2)在本项工程中，变风量橱窗排风系统与洁净空调系统共同作用下，实验室中产生的污染物(主要为实验操作台面样本蒸汽模型)在下沉垂直单向流以及橱窗排风气流中迅速排走，无散逸出通风柜以外风险。

从而论证变风量通风橱窗排风系统是可靠、安全的。

本文采用的PyroSim软件是作为火灾动力学模拟软件，能够对火灾中各种流体的物理量进行精细计算和模拟，从而得出详细的时间分布及空间分布。

经过本项工程中对PyroSim 软件的应用实践，未来FDS数值模拟软件不再局限于消防防排烟的模拟,而将在暖通设计中发挥更多的作用。

参考文献
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安大学,2011.
[3]陈思奇•基于PyroSim的棉花露天仓储火灾仿真模拟研究[D].北京:
首都经济贸易大学,2019.
收稿日期：2021-01-27
作者简介:梁适(1989—),男，汉族，广东湛江人，本科，工程师，主要从事暖通设计工作。

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