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三级生物安全实验室受控环境安全性能研究

作　者: 李江龙
导　师: 凌继红
学　校: 天津大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 生物安全实验室气流组织 CFD模拟开关门气流控制风量转移
分类号: X50
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 60次
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内容摘要

二十一世纪是以生命科学为主导学科的世界,生命科学的研究成果在世纪之初就已经开始渗透到包括公共医疗健康、农业基因改良、工业生物材料、生物芯片、军事生物武器等社会各领域,甚至被恐怖组织用于恐怖袭击,随之而来的生物安全问题与生物安全实验室相关技术成为公众关注的焦点。鉴于此,本论文采用实体模型实验和数值模拟相结合的方法,对三级生物安全实验室受控空间的气流组织和开关门时气流泄漏问题进行了较为全面的研究。本课题建立了实体模型实验室,通过气流实验和自净时间的测试,为数值模拟提供基础数据,并对数值模拟采用的数学模型、边界条件和初始条件的合理性进行验证。在此基础上,采用数值模拟方法对三级生物安全实验室上送侧下排和上送上排两种典型气流组织方式的自净时间、平均空气龄、换气效率和排污效率等指标进行了对比分析。计算数据表明:受控空间的污染物排出速度主要受气流组织和污染源位置影响,当室内均匀散发污染物时,上排风方式的自净时间、室内平均空气龄及换气效率优于下排风方式;而污染发生源位于1.5m以下的操作区时,下排风方式中污染粒子则能够较为快速的达到排风口,整个排污时间呼吸区粒子平均浓度小于上排风方式,人员面部所捕捉到的粒子数也较少。针对主实验室门开关过程造成的气流泄漏问题,本课题设计了风量转移系统,并通过实验确定了系统稳定和有效运行的各项参数,对比实验表明:风量转移系统能够有效阻止开关门时造成的气流外泄。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-18
  1.1 生物安全与生物安全实验室简述  8-12
  1.2 本课题的背景  12-13
  1.3 国内外研究现状  13-15
    1.3.1 国外研究现状  13-14
    1.3.2 国内研究现状  14-15
  1.4 目前存在的问题  15
  1.5 本课题的主要研究内容与意义  15-17
    1.5.1 本课题的主要研究内容  15-16
    1.5.2 本课题的意义  16-17
  1.6 本课题的建立与研究思路  17-18
第二章数值计算基本理论及其在HVAC 中的应用  18-31
  2.1 计算流体力学（CFD）技术简介  18-20
    2.1.1 CFD 技术及其在HVAC 中的应用  18-19
    2.1.2 CFD 数值模拟的基本过程  19-20
  2.2 紊流及其数值模拟方法  20-22
    2.2.1 紊流现象  20
    2.2.2 紊流的数值模拟方法  20-22
  2.3 流体力学基本控制方程及紊流模型  22-25
    2.3.1 基本控制方程  22
    2.3.2 紊流时均方程  22-23
    2.3.3 紊流基本模型  23-25
  2.4 控制方程与计算区域的离散化  25-26
    2.4.1 控制方程的离散化  25
    2.4.2 计算区域的离散化  25-26
  2.5 污染物发散相关理论  26-27
  2.6 计算流体力学软件－FLUENT 应用  27-31
    2.6.1 FLUENT 软件简介  27-29
    2.6.2 FLUENT 软件应用  29-31
第三章实验研究  31-49
  3.1 实验系统设计  31-40
    3.1.1 建筑布局  31-33
    3.1.2 送、排风系统设计  33-37
    3.1.3 气流组织设计  37-38
    3.1.4 开关门动态实验设计  38-40
  3.2 送风口流场测试  40-42
    3.2.1 测试内容及步骤  40-41
    3.2.2 测试结果  41-42
  3.3 自净时间对比实验  42-43
    3.3.1 测试内容及步骤  42
    3.3.2 实验结果  42-43
  3.4 主实验室开关门动态实验  43-48
    3.4.1 不同转移风量时CO_2 和乙二醇的外泄情况  44-46
    3.4.2 不同转移风量下室内压力波动情况  46-47
    3.4.3 门不同的开关角度对室内压力波动的影响  47-48
  3.5 实验小结  48-49
    3.5.1 气流组织实验总结  48
    3.5.2 开关门动态实验总结  48-49
第四章数值模拟研究  49-71
  4.1 室内气流组织的相关评价指标  49-51
    4.1.1 空气龄及换气效率  49-50
    4.1.2 污染物含量、排空时间及排污效率  50
    4.1.3 自净时间、污染物排出时间  50-51
  4.2 室内稳态气流组织数值模拟  51-62
    4.2.1 数值模拟的可行性验证  51-55
    4.2.2 气流组织模拟  55-60
    4.2.3 本节小结  60-62
  4.3 室内污染物发散模拟  62-68
    4.3.1 污染物发散模型  62
    4.3.2 污染物发散实验结果  62-65
    4.3.3 不同污染源位置的粒子排除效率  65-67
    4.3.4 本节小结  67-68
  4.4 主实验室开门时气流模拟  68-71
    4.4.1 物理数学模型  68-69
    4.4.2 实验室开关门时气流模拟结果  69-70
    4.4.3 数值模拟与测试结果对比分析  70-71
第五章结论与展望  71-73
  5.1 结论  71-72
  5.2 展望  72-73
参考文献  73-77
发表论文和参加科研情况说明  77-78
致谢  78

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