Введение. Обеспечение нормируемых параметров микроклимата на рабочих местах является основной задачей формирования воздушного режима. В фармацевтическом производстве предъявляется ряд требований для обеспечения не только комфортного пребывания на рабочих местах и обеспечения нормируемой чистоты помещения, но и для предотвращения загрязнения конечной продукции и снижения потерь исходных материалов. Снизить перекрестную контаминацию и обеспечить нормируемые параметры микроклимата в «чистом помещении» необходимо на этапе проектирования систем вентиляции [1, 2]. Особенности технологического процесса исследуемого объекта представлены в работе [3].Многие исследователи решали задачи рационального способа подачи воздуха для обеспечения нормируемых параметров воздуха за счет подачи активированной приточной струи в рабочую зону [4, 5]. Исследованием аналитического расчета дальнобойности струи занимались многие ученые, такие как В.В. Батурин, Г.М. Позин, М.И. Гримитлин [6].  Важно отметить, что струи, в том числе активированные, существенно влияют на развитие циркуляционных течений и распространение вредных веществ.  Обобщение результатов исследований в зависимости от линейных размеров помещения и воздухораспределителя, влияния ограждающих конструкций технологического оборудования представлены в работе автора [7] в виде зависимости для текущего значения осевой скорости: Vx=m∙L0x∙F0∙KC∙KB∙KН ,            (1)где m – скоростной коэффициент воздухораспределителя (ВР); L0 – объемный расход воздуха через ВР; x – расстояние от истечения до места входа струи в рабочую зону по аэродинамической оси; F0 – площадь расчетного сечения воздухораспределителя; Kc – коэффициент стеснения; Kв – коэффициент взаимодействия; Kн – коэффициент неизотермичности.Использование инженерного метода расчета приточных струй на основе уравнения (1) применимо для расчетов воздухообмена и воздухораспределения в помещениях, а также систем воздушного душирования. Во всех таких случаях решение сводится к обеспечению нормируемых параметров в рабочей зоне и/или на рабочем месте, что неприемлемо для исследуемого объекта, когда одновременно с обеспечением нормируемых параметров микроклимата необходимо исключить потери ценного исходного материала.Работы по предотвращению запыленности воздушной среды проводятся для производств химической, фармацевтической, деревообрабатывающей и других отраслей промышленности. Разработаны конструкции местных отсосов разной степени укрытия для удаления различных видов вредностей. Для повышения эффективности местных отсосов используются, например, конструктивные элементы [7], определенная организация струйных потоков внутри пылезащитной камеры [8], приточные струи для воздушно-струйного экранирования [9].  В инженерных методах расчета местных отсосов, активированных приточной струей, используются результаты лабораторных и численных исследований взаимодействия струи и стока, при этом практически не учитывается влияние оборудования на аэродинамику формирующихся газо-пылевоздушных потоков. Кроме того, в некоторых случаях, исходя из особенностей технологического процесса, например, для фармацевтического производства, использовать местные отсосы не представляется возможным. Многие виды фармацевтических грануляторов, над пространством которых происходят манипуляции с порошками, не имеют аспирационных укрытий. Часть порошка поступает в открытое пространство помещения. В масштабах нескольких манипуляций с порошком – это незначительный расход, но, если таких операций за день больше 10, то актуальными становятся мероприятия по исключению выноса частиц порошка из гранулятора как с точки зрения ресурсосбережения [10, 11], так и обеспечения требований для «чистых» помещений [12, 13]. Учитывая существенные сложности в изучении аэродинамики и тепломассообмена при взаимодействии различных воздушных потоков с газовыми и пылевыми потоками [14] и конвективными течениями, с технологическим оборудованием, в настоящее время широко используются не только исследования на опытных лабораторных установках, но и математическое моделирование [15–19]. Сравнительный анализ результатов лабораторных и численных исследований в последующем позволяет разработать инженерные методы расчета струйных течений в сложных условиях их формирования.Таким образом, целью работы является исследование распределения скорости движения воздуха при взаимодействия активированной приточной струи с гранулятором по результатам лабораторного и численного экспериментов для выбранных расходов воздуха в работе [6]. Для поставленной цели исследований решены следующие задачи:на базе завода «Арктос» создана лабораторная установка для выполнения измерений при различных расходах воздуха;разработана численная модель натекания активированной струи на гранулятор;выполнена статистическая обработка результатов лабораторных исследований;на основании обработки результатов исследований предложены зависимости для определения коэффициентов стеснения и влияния гранулятора для совершенствования методики инженерного расчета.Материалы и методы. Объектом исследования является модуль «чистого помещения» (рис. 1), имитирующий помещение класса d по изготовлению гранулированных порошков фармацевтического завода Полисан в масштабе 1:1. На рисунке 2 представлен общий вид фармацевтического гранулятора открытого типа для производства твердых лекарственных форм.Производство твердых лекарственных форм фармацевтики состоит из следующих этапов: изготовление порошков, гранулирование, изготовление таблеток. На этапе грануляции происходит прессование простых порошков методом засыпки сырья в открытое пространство гранулятора. Как известно [19], в процессе засыпки порошкообразного сырья происходит пылеобразование на рабочем месте (рис. 3).Для предотвращения перекрёстной контаминации, а также в избежание выноса в помещение взвешенных частиц в работе предлагается использовать средства вентиляции, а именно активированную приточную струю для формирования однонаправленного воздушного потока и обеспечения равномерности распределения скоростей при натекании струи на гранулятор, а также для нахождения рационального диапазона скоростей у поверхности гранулятора. Рис. 1. Лабораторная установка (1 – канальный вентилятор; 2 – модуль помещения;3 – вентиляционная установка; 4 – имитация гранулятора; 5 – воздухораздающий блок) Над местом образования пыли установлен воздухораздающий блок с воздухораспределителем ВБС-М размерами 595×595 на расстоянии 2 м от источника. Подача воздуха осуществляется через приточную установку с частотами вентилятора 11 Гц (L=150 м3/ч) и 19 Гц (L=300 м3/ч). Равномерность и однонаправленность воздуха в рабочей зоне создается за счет воздушного Hepa-фильтра, установленного в воздухораздающем блоке (1 ВБД 595×595 М), предназначенного для чистых помещений [20]. Для измерений использована специальная измерительная система с установкой датчиков воздуха в горизонтальной и вертикальной плоскостях (рис. 4).Рис. 2. Фармацевтический гранулятор открытого типа Рис. 3. Загрузка сухого материала (порошок) 1 –воздухораспределитель; 2 – гранулятор; 3 – оператор; 4 – вытяжка; 5 – облако взвешенных частиц;6 – конвективные потоки от оборудования и оператора  Система измерений включает 8 датчиков скорости движения воздуха на стойке, расстояние между датчиками 10 мм, размещение нижнего датчика 10 мм от поверхности гранулятора. Обработка осуществляется автоматически в компьютерной программе «AirDistSys5000» в течение 3 минут. Температурный режим воздушной струи – изотермический.Подача воздуха осуществлялась при двух расходах L=300 м3 и L=150 м3 согласно техническим данным в натурных условиях на рабочих местах завода «Полисан».Численное моделирование выполнено в программе STAR-CCM+.  Рис. 4. Расположение датчиков скорости по аэродинамической оси  В основе численного моделирования лежит решение системы дифференциальных уравнений Навье-Стокса, неразрывности, энергии и примесей. В данной работе для замыкания системы уравнений использована k-ε модель турбулентности:    ∂ρ∂t+∂∂xjρui+ρ'u'i=Sm ρ∂ui∂t+uj∂ui∂xj=-∂P∂xj+μ∂ui∂xj+∂ui∂xi+∂τij'∂xj+Si ∂ρa∂t+∂ρaui∂xj=-∂ρuj'a'∂xj+Ja,           (2)где t – время; ρ – плотность; μ – коэффициент динамической вязкости; uj  – компоненты вектора осредненной скорости по осям координат; τij – турбулентные напряжения (дополнительные напряжения Рейнольдса); ui', uj', T', C' – локальные пульсации скорости, температуры и примеси потока; a – осредненные значения удельной плотности скалярной величины; Sm, Si – интенсивность источников массы и импульса; Ja – интенсивность источников примеси.Для выполнения численного моделирования построена прямоугольная сетка с измельчением по аэродинамической оси от плоскости истечения до поверхности гранулятора, расчетное количество ячеек 267009. Физические свойства математической модели представлены на рис. 5. Граничные условия модели задаются на поверхности подачи и удаления воздуха через массовый расход (табл. 1).                                            Рис. 5. Физические свойства математического моделирования На рис. 6 приведены результаты численного моделирования в виде поля скоростей [6] и указанием точек измерений максимальных значений скорости в направлении истечения струи по оси х (рис.5).   Таблица 1Граничные условия математического моделированияГраничные условияФизическое значениеКоличественное значениеПри расходе 300 м3/ч (0,083 кг/с)Граница (приток)Массовый расход0,083Граница (вытяжка)Массовый расход-0,083При расходе 150 м3/ч (0,042 кг/с)Граница (приток)Массовый расход0,042Граница (вытяжка)Массовый расход-0,042  Рис. 6. Математическая модель рассматриваемого модуля «чистого помещения» 1 – воздухораспределитель, 2 – гранулятор В качестве инженерного метода расчета используются рекомендации завода «Арктос», которые включены в СП 60.13330.2020 Приложение Ж.  Расчет произведен для схемы подачи «сверху вниз коническими струями» для изотермического режима. Таким образом выражение (1) принимает следующий вид: Kc∙m=Vx∙x∙F0L0,                          (3)Скоростной коэффициент принят по данным завода «Арктос» m=6 для конических струй, образующихся из прямоточных воздухораспределителей ВБС. В расчете использованы коэффициенты взаимодействия для единичной струи KВ=1 и неизотермичности KН=1 для изотермического режима течения воздушной рециркуляционной струи. При распределении струи в ограниченном пространстве необходимо учесть коэффициент стеснения. Для нахождения зависимости данного коэффициента от расстояния между воздухораспределителем и гранулятором KС=f (x) выполнена обработка данных СП 60.13330.2020 Приложение Ж (таблица Ж1), которые представлены в виде Kс=f F0bo∙h; xm∙bo∙h . Здесь F0 – площадь расчетного сечения воздухораспределителя (F0=0,192 м2); b0 – ширина расчетного сечения ВР (b0=0,47 м); h – высота помещения, м (h=3,0 м); x – расчетная длина струи до поверхности гранулятора (x=2,3 м). Поскольку для условий исследований величина F0bo∙h=0,18 , что вне пределов данных таблицы, то предложен прогноз до значений 0,2.  Для удобства обозначив F0bo∙h=F  и   xm∙bo∙h=x , для расстояния от плоскости истечения приточной струи до гранулятора x=2,3 м  получена зависимость Kс=0,2686F-0,207 .  Рис. 7. Зависимость коэффициента стеснения Kc Помимо коэффициента стеснения предлагается использовать дополнительный коэффициент для учета торможения струи при натекании и частичном обтекании гранулятора. Коэффициент влияния гранулятора Kг должен учитывать соотношение геометрических размеров воздухораспределителя и гранулятора. Таким образом:Kг=SF0 ,                                (4)где S – площадь гранулятора (S=0,18 м2).Основная часть. Результаты исследований представлены на рисунках 8-12. На рисунке 8 приведены графики изменения осевой скорости движения воздуха в пространстве над гранулятором при расходе 300 м3/ч по результатам лабораторного и численного экспериментов, а также с использованием инженерного метода расчета с учетом предложенных коэффициентов стеснения и влияния гранулятора.   Рис. 8. Изменение осевой скорости активированной струи при расходе 300 м3/ч(Красным цветом показаны данные инженерного метода расчета; синим – результаты численного моделирования; серым – результаты лабораторного исследования) В интервале от 1,0 до 2,0 м наблюдается удовлетворительное соответствие скоростей движения воздуха для всех методов исследований. В непосредственной близости от гранулятора на расстоянии от 2, 0 до 2,3 м инженерный метод не может быть использован вследствие торможения потока при его взаимодействии с гранулятором. В этой зоне можно отметить удовлетворительное соответствие данных численного и лабораторного исследований, что доказывает адекватность принятых методов исследований, поскольку подробные пространственные поля распределения параметров возможно получить только в результате численных экспериментов. Аналогичные результаты получены и при расходе 150м3/ч (рис. 9).  Рис. 9. Изменение осевой скорости активированной струи при расходе 150 м3/ч(Красным цветом показаны данные инженерного метода расчета; синим – результаты численного моделирования; серым – результаты лабораторного исследования  На рисунках 10–12 представлены поля распределения скорости движения воздуха в пространстве над гранулятором, полученные в результате численного эксперимента. Рис. 10. Распределение скоростей движения воздуха при расходе 300 м3/ч  На рисунке 10 видно, что на расстоянии0,3 м от гранулятора струя начинает испытывать влияние препятствия (гранулятора), происходит торможение и поворот струи. Струя обтекает гранулятор, создавая при этом несимметричные зоны распределения скоростей на рабочем месте оператора из-за наличия вспомогательного оборудования (блока электропривода гранулятора). При этом скорости не превышают нормируемых значений. Максимальное значение при срыве струи в левой части (рис. 10) до 0,26 м/с. Одновременно в левой части образуется зона с малыми скоростями (Рис. 11.а), способствующая формированию ниспадающей струи.  Частично воздух поступает в бункер гранулятора. В правой части поля скоростей наблюдается затухание струи (hис. 11.б), что связано, с одной стороны, с наличием препятствия (блока электропривода), соразмерного с гранулятором. С другой – с влиянием конвективной струи, возникающей над блоком. Несмотря на незначительную разность температур между поверхностью блока и воздухом в пределах 2-4ºС, конвективная струя воздействует на активированную струю, изменяя ее траекторию.   При расходе 150 м3/ч поле распределения скоростей имеет идентичный характер (рис.12). а)                                                                                                          б)Рис. 11. Левая часть гранулятора (а), правая часть(б) Рис. 12. Распределение скоростей при расходе 150 м3/ч Особенности взаимодействия приточной активированной струи и гранулятора с точки зрения распределения скорости необходимы для исследования режима функционирования оборудования при загрузке порошкообразного исходного материала с размерами 0,5–5,0 мкм.Выводы. 1. Результаты математического моделирования и лабораторного эксперимента на созданной опытной установке имеют удовлетворительное согласование, что подтверждает адекватность разработанной математической модели для описания процесса взаимодействия активированной приточной струи и гранулятора.2. Предложено ввести в инженерный метод расчета струи полученные значения коэффициентов стеснения и влияния гранулятора, позволившие обобщить результаты при различных методах исследований.3.Полученные поля распределения скорости движения воздуха при взаимодействии приточной струи и гранулятора выявили особенности формирования струйных течений в окрестности гранулятора и рабочей зоне помещения.4. Определены перспективы дальнейших исследований, направленных на совершенствование способа подачи активированной струи для повышения эффективности процесса локализации взвешенных частиц порошка с целью улучшения состояния микроклимата и снижения потерь исходного материала.