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潔凈室氣流分析之單向流
2025/1/20
在潔凈技術中，自美國FS209C將潔凈室中的氣流流動分為單向流和非單向流后，這一名詞被廣泛采用。
單向流的概念
從流體力學的角度，描述流體的流態，按質點的速度是否隨時間變化分為穩定流動和非穩定流動。 按流速是否隨流向變化，分為均勻流動和非均勻流動。不均勻流動又分為漸變流動和急變流動。
空調系統運行穩定一般屬恒定流動。潔凈室中的氣流流動除天棚滿布、高效過濾器送風棗滿布地板格柵回風的典型流動性屬均勻流動外，均屬不均勻流動。
在穩定流動中，按Re數判斷可分為層流和紊流。
潔凈室中，由于斷面積大，既或在穩定流動中也不屬于層流。只有在潔凈管道中可能形成層流。
潔凈室的流態分類（以下均以美國FS209為例）最早分為層流和亂流。
美國FS209C開始將層流改稱單向流，亂流改稱非單向流。這一名稱顯然比較貼切。 FS209C（1987年10月27日發布）："氣流以一個平行的方向沿單一通道穿過潔凈室或潔凈區"； FS209D（1989年6月15日發布）："一般具有平行流線，以單一通路、單一方向通過潔凈室或潔凈區的氣流"； FS209E（1992年9月11日發布）："一般具有平行流紅，以單一方向并且橫斷面上風速一致的氣流。"綜上所述，潔凈室中形成單向流有三個條件，也就是單向流的三要素：氣流速度、流線不均勻度、氣流平行度。但對三要素均無定量的數值限制。
FS209E已被廢止，但國際標準ISO14644和我國<潔凈廠房設計規范>GB50073，有關單向流的描述，仍沿用FS209E的提法。
單向流三要素分析
1、氣流速度
氣流速度的選擇應該使整個氣流均勻流動不發生滯留區。不發生滯留區氣流速度必須大于0.08m/s。一般潔凈室層高H=2.5∽3.5m當υ≥0.08m/s時，則n≈100次/時，這就是潔凈出現單向流狀態必須滿足的最小換氣次數。
氣流速度應能抵抗人員活動、熱浮升的干擾，在水平單向流中還應抵抗塵粒自由沉降的影響。 當人員活動時，就相當于有外力作用在塵粒上。某一物體受到外力作用就會產生一個初速度，這些速度下物體會發生運動。當外力消失后，該物體就獲及的瞬時速度，機械力（人員的活動）基本不影響塵粒的轉移，外力消失后，塵粒會繼續沿流線流動。
粒子能否隨氣流移動取決于塵粒的懸浮速度的大小。 塵粒的懸浮速度甚微，只要有微弱氣流就可以將其帶走。
一般成年人的發熱量為0.1Kw，在靜止的空氣中在人體頭部上方可產生0.2m/s的上升氣流。所以垂直單向流的風速要克服此熱浮升的速度。
綜上，對垂直單向流，氣流速度υ≥0.25m/s可以滿足要求。 在水平單向流中，塵粒除隨氣流運動外，還受到一個重力作用，但粒子沉降的距離很小，不會太脫離原流線。 由上而分析，無論垂直單向流還是水平單向流的氣流速度取υ≥0.25m/s均足夠。水平單向流可適當提高一點流速。
以上分析的是氣流按等溫送風計算，如果室內有強熱源，則另當別論，需采取其它措施。
2、氣流速度的不均勻度
潔凈技術發展初期，對氣流的不均勻度要求很嚴格。 美國FS209B規定：不均勻度在±20%以內。此規定沒有說明以那個速度為基準值，是設計風速還是斷面風速的實測平均值。一般認為其準值是斷面實測的平均風速。
美國FS209以后，刪掉了氣流不均勻度的要求。這顯然是長期實踐得出的認識。
從長期對潔凈室的測試發現這一要求基本達不到。 我們知道，出口氣流除射流的主體段之核心部分，氣流速度相等，流線平行外，其它部分均不可能。 由于過濾器濾料密度不均，過濾器送風靜壓箱壓力不均，及由于相鄰高效過濾器邊框形成的無風區，相鄰過濾器出風搭接處的風速與過濾器表面的出風風速也不相同。
但是，設計時仍需要考慮氣流的不均勻度對潔凈度的影響。
3、流線的平行度
各種規范都規定單向流的一個要素是氣流流線平行。這一點到目前為止仍被堅持。然而實踐證明完全平行也不是必要的。
我們知道，氣流速度相等和流線平行，只有兩種情況能達到：①射流的起始段之核心部分。②有Welosinski曲線入口的直管段。其它情況由于多種原因均不可能。 只要整個氣流中的流線(跡線)不交叉，不形成渦流區，塵粒就會沿著跡線(流線)排走，而不會被滯留。 通過上面分析可知，只要整個氣流在一個通道上流動，流線之間不形成渦流區，流線平行與否均勻可將塵粒排走。所以氣流流線要求平行也是沒有必要的，而且由于氣流速度的不均勻性而形成橫向的壓力變化，流線完全平行是不可能的。
那么，兩個流線間在什么情況下不形成渦流區呢?對此純理論的論述尚未見到。在流體力學中對漸擴管的局部阻力損失有半經驗公式經推算當擴張角為5-80度時阻力損失最小，這就意味著擴散角為5-80除磨擦阻力外，只有由于流體流斷面逐漸擴大而形成的流速分布改變形成的損失，而基本無旋渦區的損失，流體并未脫離擴張管壁。
所以可以認為只要送風口的出流中，相鄰的流線夾角小于5-80度，整個氣流就會沿單一的總趨向流動。因為在此情況下，塵粒仍可沿自己的跡線流動而不受干擾，這就達到了排走的目的。
