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.docVIP

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。“GMP验证及自动化”微信号——您的口袋工具书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