目的:探究生物安全柜前窗气流的速度最大值和最优值,为规范生物安全柜检测标准提供科学依据。方法:采用计算流体动力学(CFD)理论建立数值模型的方法,对Ⅱ级生物安全柜前窗气流速度进行模拟分析。结果:通过实验得到柜体内气流分布及流动变化图,确定了前窗气流和柜体内部气流速度的关系。结果显示,当前窗气流速度为1.0 m/s时,标准偏差最小,气流稳定性最好。结论:前窗气流的上限速度为1.4 m/s,最优速度为1.0 m/s,数据结论对生物安全柜检测具有一定的借鉴意义。

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,其前窗流入气流防止柜体内气流外溢,将柜体内气流与实验室气流隔离开,实现对操作人员的保护[1,2]。前窗气流是检验生物安全柜是否合格的关键要素[3,4,5,6]。国家医药行业标准YY0569-2005“生物安全柜标准”规定了Ⅱ级生物安全柜前窗气流速度不能低于0.5 m/s,但尚未规定其上限值及合理的速度范围[7]。生物安全柜在实际使用中,前窗气流过大会发生贯穿现象,对试验样本造成危害。为此,本研究通过对Ⅱ级生物安全柜进行计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟,对前窗气流进行优化,得出前窗气流速度的最大值和最优值,为规范生物安全柜标准提供科学依据。

1 生物安全柜CFD模型的建立

CFD在工程流体力学中应用广泛,采用CFD数值模拟的方法对生物安全柜进行研究能够提高设计的效率和能力[8,9]。以Ⅱ级B2型生物安全柜为模型建立对象,结合Gambit前处理软件和Fluent仿真分析软件,通过几何模型建立、网格划分、边界条件选择及计算模型的确定等步骤建立生物安全柜的CFD模型。边界条件选择Ⅱ级生物安全柜额定工况下的运行状态。入口为风机送风口和前窗,出口为四周壁面上的格栅。综合精确度和计算耗时两方面要求,计算模型选择RANS模型中的Standard K-二方程模型[10]。经过多次建立模型和实验验证,得到正确有效反应安全柜气流流动的模型。

2 生物安全柜前窗气流流速分析

前窗气流速度的大小是检验生物安全柜是否合格的重要环节[11,12]。需要对前窗气流进行合理控制,前窗气流过小则操作区气流会从柜体中溢出,因而国家医药行业标准YY0569-2005规定了前窗进气速度的下限。本研究采用固定变量法研究前窗气流时将下降气流速度固定,综合分析前窗气流过大所造成的影响、前窗气流的速度上限值及最佳速度[13]。

2.1 前窗气流速度上限值的确定

固定前窗开启高度和下降气流速度,可改变前窗气流速度,当窗气流速度设为0.57 m/s、1.0 m/s、1.2 m/s和1.5 m/s时,得到柜体内气流分布的不同变化,如图1所示。