一种基于CFD模拟的通风柜运行噪声控制的方法与流程

本发明涉及职业卫生与职业危害接触控制技术和室内环境科学技术领域，具体而言是一种基于CFD模拟的通风柜运行噪声控制的方法。

背景技术：

通风柜是是实验室中常用设备。

由于通风柜不属于传统意义上的高噪声设备，目前大多数实验操作者对其危害并未引起足够的重视。但是实验室科研工作有其特殊性，一般工作期间连续使用通风柜的时间都比较长；同时在实验过程中越来越多地使用到一些耳毒性化学品，由此产生的叠加效应增加了实验操作者噪声暴露所带来的职业健康危害。美国政府工业卫生学家协会(ACGIH)也在其工业卫生接触标准限值的指导手册中提到，多种化学品如一氧化碳、金属铅、甲苯或二甲苯等的接触者都需要进行严格的听力评估；同时，对于接触砷、汞和三氯乙烯等化学品所造成听力系统的损害也正在调查研究之中。因此，在无法完全避免化学品接触的前提下，非常有必要对通风柜运行产生的噪声进行分析研究，并采取相应措施降低风险，保护实验室工作者的职业健康和安全。

目前，常用的通风柜运行噪声评估方法主要包括两大类：一是通过设备额定工况下的噪声发射值如声功率级、声压级等进行评估；二是通过现场仪器实测的方法进行评估。前者仅能表明设备总体的噪声特性，并无法了解到主要的声源分布和声强。后者也存在类似的问题，虽然能够得到实际工况下的噪声值，但无法具体地分析噪声场的分布状况且多点测量工作量较大。

因此，我们需要一种新的评估方法，可以模拟通风柜运行时噪声场的分布，有助于对噪声进行定量评估并采取有效降噪措施，以解决目前现有技术中的空白。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明提出一种基于CFD模拟的通风柜运行噪声控制的方法。所述方法是通过CFD模拟对通风柜噪声场进行三维模拟，分析通风柜噪声场的声源分布和声强，并根据分析结果进行噪声控制。

在本发明一实施例中，利用FLUENT软件对所述通风柜噪声场进行三维模拟。

在本发明一实施例中，所述方法包括以下步骤：

步骤1.根据所述通风柜的三维结构划分网格，并确定三维模拟所需的相关参数、初始条件和边界条件；步骤2.在所述FLUENT软件中设定各相关参数并获得分析结果；步骤3.根据步骤2获得的结果确定噪声值较高的区域；以及，步骤4.基于步骤3所确定的噪声值较高区域，在该些区域铺设吸声材料。

在本发明一实施例中，在所述步骤1中，三维模拟所需的相关参数包括：操作环境参数、流体物理性质、基本声学参数和通风柜三维几何尺寸。

在本发明一实施例中，所述操作环境参数包括：通风柜入风口的风速值和参考压力值。

在本发明一实施例中，所述通风柜入风口的风速值的测量方法如下：以数根细线将所述通风柜入口的水平和垂直方向进行四等分，由这些水平和垂直方向的所述细线围成的各个矩形区域为面风速采样区域；以每个所述矩形的对角线交点作为实际采样点，采样时间常数设定为20s，风速计每秒钟读数一次，记录20s内风速数据后取平均值作为该采样点的实测风速值；重复步骤以获得所有采样点的实测风速值；取所述实测风速值的平均值，即为所述通风柜入风口的风速值。

在本发明一实施例中，所述流体物理性质包括流体密度和流体粘度。

在本发明一实施例中，所述基本声学参数包括远场声速和基准声功率。

在本发明一实施例中，所述步骤4中的吸声材料选择在噪声值55dB(A)以上频段(即400Hz-4KHz频段)吸声系数大于1的吸声材料。吸声材料选择过程中重点关注噪声值在55dB(A)以上频段的吸声系数，因为在此噪声值之上的工作环境会对实验室操作者的正常沟通造成影响，并带来一定的职业健康和安全风险，需要得到有效控制。

在本发明中，利用FLUENT软件模拟通风柜运行时的噪声场，获得噪声场分布数据和声强数据，有利于确定噪声值较高的区域。进而，技术人员可以根据确定的噪声值较高区域并结合噪声的频谱特性，选择铺设合适的吸声材料。因此，利用本发明所述方法，可以解决现有技术中无法分析噪声场的整体分布状况、人工检测劳动强度大等技术问题，以实现数值模拟过程简单、人工劳动强度小和噪声控制效果好的优点。进而可以降低实验操作人员的职业健康和安全风险，预防安全事故，并优化实验室工作环境。

附图说明

图1是实验室通风柜表面声功率云图；

图2是吸声材料在100Hz至5KHz频段的吸声系数；

图3是噪声控制方法实施前后声压级数值对比；

图4是通风柜入口面风速测量方法示意图；

图5是通风柜入口面风速数值；

图6是通风柜模型的网格划分图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做详细的说明，实施例旨在解释而非限定本发明的技术方案。

根据本发明实施例，如图1至图6所示，提供了一种基于CFD模拟的通风柜运行噪声控制的方法，是基于CFD技术的噪声场分析和噪声控制方法。

所述方法具体实施步骤如下：

1.CFD三维建模

(1)确定模拟场景和初始参数

本模拟选择的通风柜为某公司生产的EA-2全钢通风柜。通风柜整体规格为L1500*W800*H2350(mm)，其中上部尺寸为L1500*W800*H1550(mm)。调节拉门采用5mm厚的安全钢化玻璃；风量设计按通风柜入口平均面风速0.5m/s。

测量实验室内气流速度，确保在距离通风柜1.5m范围内无超过0.1m/s的横向气流干扰。测试开始前通风柜运行至少5min保证残余气体的排空,同时稳定柜内气流。随后启动通风柜并将其拉门设置于半开启高度。

根据附图4所示的通风柜面风速测量方法，具体的采样点设置和采样方法如下所述：

用多根细线在通风柜入口水平和垂直方向上四等分，横纵线围成的各个矩形区域即为面风速采样区域。考虑到采样点的均匀分布，将每个矩形的对角线交点作为实际采样点。采样时间常数设定为20s，风速计每秒钟读数一次，记录20s内所有风速数据取平均值作为第一个采样点的实测风速值，依此方法测量其他各个点位的风速值。由风速计测得的所有面风速数值见附图5，取平均值得到CFD模拟所需的入口风速值为0.49375m/s。

(2)几何模型建立和网格划分

根据实际所需模拟的实验室通风柜结构，使用FLUENT前处理软件GAMBIT即可构建整个模拟区域的三维模型。按照由点到线，由线到面，由面到体的步骤，在GAMBIT中构建整个模拟区域的网格。特别地，在空气流动发生剧烈变化的地方，如通风柜的出口和入口平面进行网格加密处理，模型划分网格总数为483999，如附图6所示。

2.FLUENT求解

1)参数设置

将GAMBIT生成的网格文件导入FLUENT求解器并完成网格质量检查，根据待模拟的场景进行参数设定：根据通风柜入口气流的状态选择标准k-ε紊流计算模型、定义流体物理性质、设置边界条件、流场初始化等。为了研究通风柜本身并提高计算效率，对模型进行适当简化，位于通风柜外部的管道蝶阀均被忽略。模拟过程中需要添加边界条件的对象主要包括入口、出口和壁面。其中入口的边界条件类型设为速度入口(velocity-inlet)，出口处的边界条件类型为排风风机(exhaust-fan)，通风柜壁面的边界条件类型为固体壁面(wall)。

2)FLUENT迭代运算

经过相关参数设置后，可以开始进行迭代运算，求解方式为SIMPLE(Semi-Implicit Method of Pressure-Linked Equations)，收敛因子设为1E-06，确保较高的计算精度。观测残差监视器，待其中的残差曲线随迭代步的增加趋于稳定后，可以认为运算已经收敛，停止运算，得到运算结果。最后启动宽带噪声源模块(BNS Model)，设置远场声速和基准声功率等基本参数。

3.结果分析

利用FLUENT自带的后处理功能对结果进行可视化分析，得到通风柜内部声源分布和声强，如图1所示。从图1中我们可以看到，大部分区域噪声值均在25dB(A)以下，噪声值较高的区域集中在排风管口周围和通风柜四个壁面接近入口的部分，而在排风管口处由于空气流动的截面面积减小为入口面积的1/14，流速明显增大，噪声值达到最大值54dB(A)。

根据CFD模拟得到噪声值较高的这些区域再结合噪声的频谱特性，选择铺设高效、安全的吸声材料。吸声材料选择在噪声值55dB(A)以上频段(即400Hz-4KHz频段)吸声系数大于1的吸声材料。吸声材料在100Hz至5KHz频段的吸声系数见附图2。吸声材料选择过程中重点关注噪声值在55dB(A)以上频段的吸声系数，因为在此噪声值之上的工作环境会对实验室操作者的正常沟通造成影响，并带来一定的职业健康和安全风险，需要得到有效控制。

同时，在铺设吸声材料后对各频段噪声值进行对比分析。从附图3中可以发现，通风柜运行噪声值明显降低。除200Hz处的噪声值降低了0.5dB(A)外，400Hz～4KHz之间的各个频段的噪声降低值均接近或大于5dB(A)；其中人耳最为敏感的4KHz频段处的噪声降低值达到了最大值7.5dB(A)。由于人耳对声压级3分贝以上的变化可以产生较为显著的感觉，因此无论是通过实验室工作者的主观感受还是理论分析，都可看出以上采取的控制方法是非常有效的。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已公开的实施例并未限制本发明的范围。相反地，包含于权利要求书的精神及范围的修改及均等设置均包括于本发明的范围内。