CFD在生物安全柜优化设计中的应用研究

摘要

生物安全柜是处理危险性微生物时所用的箱形空气净化安全装置，是生物安全实验室的基础安全设施，对人员、产品和环境起着一次隔离的作用。近年来医疗卫生、疾病预防、环境监测等领域对生物安全日益重视，生物安全柜的需求量也日益增大，这使得对生物安全柜的优化设计和研究变得更加严格和重要。
　　 计算机流体力学(CFD)的发展和计算机硬件水平的提高，为生物安全柜性能研究开辟了一个新空间。使用计算机流体力学对设计精密的生物安全柜进行研究，不仅省时省力，操作方便，而且不受实验仪器和设备的限制，可以取得适用于多种工况的结果。
　　 本文在充分调查和研究国内外生物安全柜发展现状的基础上，运用CFD模拟的方法对生物安全柜气流组织进行优化。首先以Ⅱ级生物安全柜为例，建立了基于CFD理论的模型，并通过分析数值模拟结果和实验测试的方法对模型进行了有效性验证。接着对前窗进气气流和顶部下降气流进行了分析，得出随着进气速度变化操作区内气流变化情况，并分析计算出前窗气流速度值上限值和最优值，在保证不发生外溢和贯穿的前提下，适当增大下降气流速度能使操作区气流更接近于层流。
　　 高效过滤器和风机系统是生物安全柜的重要组成部分，本文介绍了CFD在高效过滤器和风机优化设计中的运用。CFD还可以方便地应用在气溶胶扩散的模拟中去。掌握气溶胶的分布及扩散规律，对生物安全柜的气流优化设计有着指导意义。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 生物安全柜简介

1．2．1 生物安全柜的原理和分类

1．2．2 生物安全柜的检测

1．3 生物安全柜的发展及研究现状

1．4 论文工作与安排

第二章 计算流体力学的基本理论与方法

2．1 引言

2．2 流体力学控制方程

2．3 计算流体力学

2．3．1 CFD的基本概述

2．3．2 CFD求解过程

2．4 湍流模型

2．4．1 湍流的基本方程

2．4．2 κ-ε模型

2．5 本章小结

第三章 生物安全柜模型建立及有效性验证

3．1 引言

3．2 模型建立

3．2．1 物理模型

3．2．2 网格划分

3．2．3 边界条件

3．2．4 计算策略

3．2．5 数值模拟结果分析

3．3 实验验证

3．3．1 实验平台及测量仪器

3．3．2 测量方法

3．3．3 模拟结果与实验结果的对比分析

3．4 本章小结

第四章 前窗气流及下降气流速度分析

4．1 引言

4．2 前窗气流流速分析

4．2．1 自订窗气流速度上限值确定

4．2．2 前窗气流速度最优值确定

4．3 下降气流分析

4．4 本章小结

第五章 CFD在生物安全柜系统优化设计中的应用

5．1 引言

5．2 高效过滤器的CFD优化研究

5．2．1 高效过滤器简介

5．2．2 CFD在高效过滤器优化设计中的运用

5．3 CFD在风机系统优化设计中的运用

5．4 气溶胶扩散模拟研究

5．4．1 CFD在气溶胶分布扩散规律研究中的运用

5．4．2 预测气溶胶扩散的理论模型

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢