Что такое ламинарный поток воздуха. Ламинарный поток воздуха (laminar air flow)

Когда жидкость протекает через закрытый канал, такие как труба или между двумя плоскими пластинами, либо из двух типов потока может иметь место в зависимости от скорости и вязкости жидкости: ламинарный потока или турбулентного потока . Ламинарный поток имеет тенденцию к возникновению при более низких скоростях, ниже порога, при котором он становится турбулентным. Турбулентный поток является менее упорядоченно режимом потока, который характеризуется завихрениями или небольшими пакетами жидких частиц, которые приводят к боковому перемешиванию. В не-научных терминах, ламинарный поток является гладким , в то время как турбулентный поток является грубым .

Отношения с числом Рейнольдса

Тип потока, происходящих в жидкости в канале имеет важное значение в задачах динамики текучих сред, а затем воздействует тепло и массообмен в системах текучих сред. Безразмерное число Рейнольдса является важным параметром в уравнениях, которые описывают ли привести полностью разработанные условия потока в ламинарный или турбулентный поток. Число Рейнольдса отношения силы инерции к сдвигающей силе жидкости: как быстро жидкость двигается относительно того, как вязкое это, независимо от масштаба системы текучей среды. Ламинарный поток обычно происходит, когда жидкость двигается медленно или жидкость очень вязкая. В увеличении числа Рейнольдса, например, за счет увеличения скорости потока текучей среды, поток будет переход от ламинарного к турбулентному потоку в определенном диапазоне чисел Рейнольдса ламинарно-турбулентного перехода диапазона в зависимости от малых уровней помех в жидкости или несовершенства в проточной системе. Если число Рейнольдса очень мало, гораздо меньше, чем 1, то жидкость будет проявлять Стоукс , или ползучий, поток, где сила вязкости флюида доминировать инерционные силы.

Конкретный расчет числа Рейнольдса, а значения, где происходит ламинарное течение, будет зависеть от геометрии системы потока и структуры потока. Общий пример потока через трубу , где число Рейнольдса определяется как

Для таких систем, ламинарный поток имеет место, когда число Рейнольдса ниже критического значения приблизительно 2040, хотя диапазон перехода обычно составляет от 1,800 и 2,100.

Для гидравлических систем, происходящих на внешних поверхностях, таких как обтекания объектов, взвешенных в жидкости, другие определения для чисел Рейнольдса могут быть использованы для прогнозирования тип потока вокруг объекта. Частицы число Рейнольдса Re р будет использоваться для частиц, взвешенных в жидкости текучей, например. Как и в случае потока в трубах, ламинарный поток, как правило, происходит при более низких значениях числа Рейнольдса, в то время турбулентного потока и связанные с ними явления, такие как вихрей , происходит при более высоких числах Рейнольдса.

Примеры

Общее применение ламинарного потока в гладком потоке вязкой жидкости через трубку или трубу. В этом случае скорость потока изменяется от нуля на стенках максимума вдоль центра поперечного сечения сосуда. Профиль потока ламинарного потока в трубе может быть рассчитан путем деления потока в тонкие цилиндрических элементы и применения вязкой силы к ним.

Другой пример может служить потоком воздуха над самолетом крылом . Пограничный слой представляет собой очень тонкий лист воздуха, лежащий на поверхность крыла (и все другие поверхности самолета). Поскольку воздух имеет вязкость , этот слой воздуха имеет тенденцию прилипать к крылу. По мере того как крыло двигается вперед по воздуху, пограничный слой сначала плавно перетекает над обтекаемой формой из аэродинамического профиля . Здесь поток ламинарный и пограничный слой является ламинарным слоем . Прандтль применил концепцию ламинарного пограничного слоя с аэродинамическими поверхностями в 1904 году.

барьеры ламинарного потока

Ламинарный поток воздуха используется для разделения объемов воздуха, или предотвратить в воздухе загрязняющих веществ из входе в зону. Капоты ламинарного потока используется для исключения загрязнения из чувствительных процессов в области науки, электронике и медицине. Воздушные завесы часто используются в коммерческих условиях, чтобы нагретый или охлажденный воздух проходит через дверные проемы. Реактор с ламинарным потоком (LFR) представляет собой реактор , который использует ламинарный поток для изучения химических реакций и механизмов процесса.

В зависимости от способа вентилирования помещения принято называть:

а) турбулентно вентилируемыми или помещениями с неоднонаправленным воз­душным потоком;

б) помещениями с ламинарным, или однонаправленным, воздушным потоком.

Примечание. В профессиональной лексике преобладают термины

«турбулентны й воздушный поток», «ламинарный воздушный поток».

Режимы движени я воздуха

Существуют два режима движения воздуха : ламинарный ? и турбулентный ?. Ламинарный ? режим характеризуется упорядоченным движением частиц воздуха по параллельным траекториям. Перемешивание в потоке происходит в результате взаимопроникновения молекул. При турбулентном режиме движение частиц воздуха хаотично, перемешивание обусловлено взаимопроникновением отдельных объемов воздуха и поэтому происходит значительно интенсивнее, чем при ламинарном режиме.

При стационарном ламинарном движении скорость воздушного потока в точке постоянна по величине и направлению; при турбулентном движении ее величина и направление переменны во времени.

Турбулентность является следствием внешних (заносимых в поток) или внутренних (генерируемых в потоке) возмущении ?. Турбулентност ь вентиляционных потоков, как правило, внутреннего происхождения. Ее причина - вихреобразования при обтекании потоком неровностеи ? стен и предметов.

Критерием устои ?чивости турбулентного режима является число Реи ?нольдса:

Re = uD / h

где и - средняя скорость движения воздуха в помещении ;

D - гидравлическии ? диаметр помещения ;

D = 4S/P

S - площадь поперечного сечения помещения ;

Р - периметр поперечного сечения помещения ;

v - кинематический ?коэффициент вязкости воздуха.

Число Реи ?нольдса, выше которого турбулентное движение устои ?чиво, называется критическим. Для помещений оно равно 1000-1500, для гладких труб - 2300. В помещениях движение воздуха, как правило, турбулентное; при фильтрации (в чистых помещениях) возможен как ламинарный ?, так и турбулентный ? режим.

Ламинарные устройства применяются в чистых производственных помещениях и служат для раздачи больших объемов воздуха, предусматривая наличие специально спроектированных потолков, напольных вытяжек и регулирования давления в помещении. В этих условиях работа распределителей ламинарного потока гарантированно обеспечивает требуемый однонаправленный поток с параллельными линиями тока. Высокая кратность воздухообмена способствует подержанию в приточном потоке воздуха условий, близких к изотермическим. Потолки, спроектированные под распределение воздуха при больших воздухообменах, за счет большой площади обеспечивают маленькую начальную скорость воздушного потока. Работа вытяжных устройств, расположенных на уровне пола, и контроль давления воздуха в помещении сводят к минимуму размеры зон рециркуляции потоков, и легко срабатывает принцип «одного прохода и одного выхода». Взвешенные частицы прижимаются к полу и удаляются, поэтому риск возникновения их рециркуляции невелик.

Во всех современных операционных используются ламинарные системы (ЛС) для предотвращения инфицирования пациента через открытую рану. Операционные светильник, расположенные под потолком, оказывают сильное влияние на ламинарный поток(ЛП). Ниже представлены результаты исследования влияния размеров и геометрических форм операционных светильников на ЛП.

Введение

Ламинарная система — система, создающая чистый, ЛП воздуха, препятствующий попаданию инфекций в рану пациента. ЛС расположена под потолком на уровне «фальшпотолка», ЛС находится над операционным столом и хирургами. Купол операционного светильники располагаются между операционным столом и ЛС, вследствие чего происходит изменение ЛП.

Для вычисления величины влияния геометрии операционного светильника на ЛП используются 2 индекса- LAF (LaminarAirFlow), индекс по Леенеманну и индекс по Оостландеру.

Рисунок 1. Экспериментальная камера

Индекс по Леенеманну учитывает площадь поверхности светильника, кол-во тепловой энергии и освещенность. Данный индекс имеет особенность, если светоотдача высока, то возможно нарушение воздушного потока.

Индекс по Оостландеру учитывает геометрию светильника и является упрощенной версией индекса по Леенеманну.

Алгоритм подсчета коэффициента форму купола светильника до сих пор не найден, поэтому обычно коэффициент берется за 1.

Существует еще один метод оценки эффективности ЛС (VDI).В операционной располагается источник загрязнения, по кол-ву частит попадающих на хирургический стол можно судить о способности ЛС поддерживать заданную чистоту воздуха. Оценка геометрии операционного светильника с помощью метода VDI не является достоверно, тк этот метод дает комплексную оценку помещения.

Методики

Эксперимент проводился в стеклянной камере размером: 2×2×1,65 м, представленной на рисунке 1. В центре на потолке, располагается вентиляционная установка площадью 1 м². Вытяжка располагается по левой нижней стороне высотой 0.2 м. Были выбраны 3 операционных светильника с разной геометрией купола, светильники устанавливались под вентиляционной установкой на удалении 0.25 м. Все действия повторялись для каждого светильника.

Источник загрязнения был расположен в центре помещения на полу, высота источника составляла 0,2 м, размер частиц варьировался от 0,1-5 мкм (дым). Кол-во частиц определялось под светильником на удалении 0,2 м. Для каждой модели светильника было выполнено два эксперимента, первый — в заполненном дымом помещении включали вентиляцию, второй — система вентиляции и источник загрязнения работали постоянно. Также определялась скорость воздуха на расстоянии 0,8 м от пола. Измерения проводились про одинаковой температуре.

Были выбраны 3 различные формы светильников: 1- классическая форма, 2 — светильник с промежутками между отдельными лампами, 3 — светильник с отдельными осветителями. Светильники крепились на тонкую леску для уменьшения влияния на ЛП.

Рисунок 2. Геометрия операционных светильников

Дополнительные данные

Измерения поступающего воздуха в камеру проводилось в 25 точках камеры, была получена средняя скорость равная — 0,31 м/с. Предельное отклонение от этой скорости составляло 11%. Среднее значение турбулентности составило 2,25%, максимальная турбулентность — 7% . Воздушный поток под ЛС можно считать ламинарным. Постоянно измерялась температура в камере и температура поступающего воздуха. Так же измерялось кол-во частиц в поступающем воздушном потоке.

Вычисление индекса ламинарного потока (ИЛП)

Так как светильники не имели светоотдачи и тепловыделения были выбраны одинаковые специальные коэффициенты тепловыделения и освещенности для данных моделей.

ИЛП по Леенеманну:

Где, Р- общее кол-во электроэнергии для 1 лампы, Вт; AG — поверхность купола светильника, см2; Е-освещенность рабочего поля, кЛк.

ИЛП по Оостландеру:

Результаты

Ниже приведены результаты исследования светильника при заполнении помещения дымом и последующем включении вентиляции. Снимки были сделаны с периодом в 3,3с.

Рисунок 3. Работа системы вентиляции при заполнении комнаты дымом.

На следующем рисунке приведены фотографии эксперимента с постоянно работающей вентиляционной системой и источником загрязнения. Данные фотографии показывают структуру потока, для лучшего выделения поверхности чистого участка, выполнено усреднение.

Рисунок 4. Распределение дыма с постоянно работающей вентиляционной системой и источником загрязнения.

С результатами усреднения для трех светильников можно ознакомится на рисунке 5.

Рисунок 5. Усредненная концентрация загрязняющих частиц от непрерывного источника дыма.

Таблица № 1. Концентрация частиц для 3 форм светильников

Если значение фактора защиты равно 0 — это показатель смешанной вентиляции. Если значение фактора защиты равно 1 — концентрация ниже в 10 раз в сравнение с значением 0. если поток частиц устремлен к лампе, то значение фактора защиты может опуститься ниже 0.Для открытого светильника концентрация загрязнения была равна концентрации под приточной камерой.

Рисунок 6. Скорость воздуха в поперечном сечении.

Результаты

Форма светильника по-разному влияет на ЛП. В комнате без светильника максимальная турбулентность наблюдалась в нижнем правом углу. Светильник с открытой формой почти не влияет на результат, а светильник закрытой формы препятствует распространению воздушного потока.

Результаты визуального представления частиц подтверждены результатами подсчетов концентрации частиц. По данным из таблицы 1, установлена связь между результатами измерений частиц и индексами ЛП выбранных форм светильников.

Для уменьшения загрязнения в чистых помещениях высокого класса применяются специальные системы вентиляции, при которых поток воздуха движется сверху вниз без турбулентностей, т.е. ламинарно . При ламинарном потоке воздуха частицы грязи от людей и оборудования не разлетаются по всему помещению, а собираются потоком у пола.

Конструкции

В общем виде чистые помещения включают в себя следующие базовые элементы:

ограждающие стеновые конструкции (каркас, глухие и остекленные стеновые панели, двери, окна);

герметичные панельные и кассетные потолки со встроенными растровыми светильниками;

антистатические полы;

Clean-Zone Floor Covering Clean-Zone is supplied in standard rolls, to be professionally installed as a wall-to-wall floor covering, creating a permanent and unavoidable trap for dirt.

систему подготовки воздуха (приточные, вытяжные и рециркуляционные вентиляционные установки, устройства забора воздуха, воздухораспределители с финишными фильтрами, воздухорегулирующие устройства, датчиковая аппаратура и элементы автоматики и др.);

систему управления инженерными системами чистых помещений;

воздушные шлюзы;

передаточные окна;

фильтро-вентиляторные модули для создания чистых зон внутри чистых помещений.

Электронная промышленность в мире является одним из самых крупных потребителей чистых помещений. Требования к уровню чистоты в этой отрасли являются наиболее жесткими. Тенденция постоянного роста этих требований привела к качественно новым подходам к созданию чистых сред. Суть этих подходов заключается в создании изолирующих технологий, т.е. в физическом отделении определенного объема с чистым воздухом от окружающей среды. Это разделение, как правило, герметичное, позволило исключить влияние одного из самых интенсивных источников загрязнений – человека. Применение изолирующих технологий влечет за собой широкое внедрение автоматизации и роботизации. Использование чистых помещений в микроэлектронике имеет свои особенности: на первый план выходят требования к чистоте воздушной среды по аэрозольным частицам. Повышенные требования предъявляются также к системе заземления чистого помещения, особенно в части обеспечения отсутствия статического электричества. В микроэлектронике требуется создание чистых помещений самых высоких классов чистоты с устройством перфорированных фальшполов для улучшения линий тока воздуха, т.е. повышения однонаправленности потока.

Чистые производственные помещения должны обеспечивать условия максимальной чистоты производства; обеспечивать изоляцию внутреннего объема; вход в чистые помещения через специальный тамбур (шлюз).

Давление в чистой комнате должно быть больше атмосферного, что способствует выталкиванию пыли из нее. В шлюзе производится обдувка одежды персонала для удаления пылевых частиц.

В чистых комнатах создаются ламинарные потоки воздуха, и недопустимы турбулентные потоки, которые создаются вращающимися и перемещающимися частями оборудования. Требуется следить, чтобы не было нагретых вещей, способствующих образованию конвекционным потокам.

Обычно применяют решетчатый пол и решетчатый потолок.

В чистых комнатах размещают минимум оборудования

Поскольку производство чистых комнат очень дорогое, применяют зоны локального обеспыливания.

Одним из эффективных способов снижения затрат при создании комплексов чистых помещений является зонирование чистого помещения на локальные участки, которые могут отличаться друг от друга как классом чистоты воздушной среды, так и функциональным назначением (только защита продукта, либо защита как продукта, так и окружающей среды).

Таким образом, внутри чистого помещения низкого класса чистоты над критичными местами технологического процесса могут быть созданы чистые зоны с более высоким классом чистоты, чем помещение, где они размещены.

Основное назначение чистых зон:

поддержание в локальном рабочем пространстве заданных параметров воздушной среды;

защита продукта от воздействия окружающей среды.

Согласно определению, данному в ГОСТ Р ИСО 14644-1-2000, чистая зона – это определенное пространство, в котором контролируется концентрация взвешенных в воздухе частиц, построенное и используемое так, чтобы свести к минимуму поступление, выделение и удержание частиц внутри зоны, и позволяющее, по мере необходимости, контролировать другие параметры, например, температуру, влажность и давление.

Чистые зоны конструктивно могут быть выполнены либо как часть общей вентиляционной системы чистого помещения, либо представлять собой самостоятельные изделия.

Первый способ применим в случае, когда месторасположение чистых зон закладывается на проектной стадии создания чистого помещения и не подлежит изменению на весь период его эксплуатации, а также в случае, если в рабочее пространство чистой зоны необходимо подать приточный воздух.

Второй способ предполагает возможность изменения местоположения чистых зон, что дает более широкие возможности для изменения технологического процесса и модернизации оборудования. При этом чистые зоны, выполненные как самостоятельные изделия, могут быть либо закрепленными к силовым конструкциям чистого помещения, либо представлять собой мобильные автономные изделия, имеющие возможность перемещения внутри чистого помещения.

Наиболее часто используют чистые условия производства с минимальным использованием персонала, применяя полуавтоматы. Часто используют локальные установки. Последнее время стали использовать кластерные установки (cluster).

Технические характеристики:

1 Предельное давление в чистой, пустой и обезгаженной камере, Па 1,33х10-3

2 Время восстановления давления 1,33х10-3 Па, мин 30

3 Размеры рабочей камеры, мм Диаметр Высота 900 1000

4 Количество плазменных ускорителей с катодами из металла (СПУ-М) с сепарацией плазменного потока, шт 3

5 Количество импульсных плазменных ускорителей с катодами из графита (ИПУ-С) с сепарацией плазменного потока, шт 4

6 Количество протяженных ионных источников для очистки и ассистирования (типа РИФ), шт 1

7 Нагрев подложек, 0С 250

8 Технологическая оснастка: Одинарная планетарка, шт. Двойная планетарка, шт 1 1

9 Система напуска технологического газа

10 Система контроля и управления технологическим циклом

11 Высоковакуумная откачка: два диффузионных насоса, работающих параллельно НВДМ-400 производительностью 7000 л/с каждый

12 Форвакуумная откачка: форвакуумный агрегат АВР-150 производительностью 150 л/с

13 Максимальная электрическая мощность, потребляемая вакуумной установкой, кВт, не более 50

14 Площадь, занимаемая вакуумной установкой, м2 25

В динамике жидкости ламинарный (обтекаемый) поток возникает, когда жидкость течёт слоями без разрыва между слоями.

При низких скоростях жидкость имеет свойство течь без бокового перемешивания — соседние слои скользят мимо друг друга, как игральные карты. Здесь нет поперечных токов, перпендикулярных направлению потока, вихрей или пульсаций.

В ламинарном потоке движение частиц жидкости происходит упорядоченно, по прямым линиям, параллельно поверхности. Ламинарное течение — режим потока с высокой диффузией импульса и конвекцией низкого импульса.

Если жидкость течёт через закрытый канал (трубку) или между двух плоских пластин, может возникнуть ламинарный либо турбулентный поток — это зависит от скорости и вязкости жидкости. Ламинарный поток возникает при более низких скоростях, которые ниже порога, при котором он становится турбулентным. Турбулентный поток представляет собой менее упорядоченный режим потока, с вихрями или небольшими пакетами частиц жидкости, что приводит к боковому перемешиванию. В ненаучных терминах ламинарный поток называют гладким.

Всё же, чтобы лучше понять, что есть такое «ламинарный» поток, лучше один раз увидеть как выглядит этот «пластинчатый» поток. Жидкость движется и не движется — это очень характерное описание ламинарного течения. Поток будто замёрзшая струя, но достаточно подставить под эту струю руку, чтобы увидеть движение воды (любой другой жидкости).