導(dǎo)語：CFD優(yōu)化設(shè)計管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：由于ISO5級（百級）潔凈室運行能耗較大，考慮到節(jié)能的必要性，本文利用計算流體動力學(xué)（cfd）方法對擬采用風(fēng)機(jī)過濾器單元（FFU）潔凈空調(diào)方案的ISO5級電子工業(yè)潔凈室進(jìn)行模擬，得出室內(nèi)氣流速度場，分析其性能，并通過理論公式計算所能達(dá)到的潔凈度。我們認(rèn)為結(jié)合潔凈室的具體用途，通過合理布置末端FFU送風(fēng)口位置及選擇回風(fēng)形式，以及選擇較高級別的末端過濾器，可以在滿布率較低時達(dá)到較高的潔凈度級別。利用CFD模擬技術(shù)可以為設(shè)計高效能的潔凈室系統(tǒng)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：潔凈室計算流體動力學(xué)風(fēng)機(jī)過濾器單元滿布率節(jié)能

1引言

潔凈室空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)典的方案是采用中央空調(diào)和三級過濾器集中送風(fēng)，通過大型風(fēng)道將已經(jīng)處理的空氣送至過濾器的接聯(lián)管道，然后經(jīng)高效空氣過濾器（HEPAFilter）或者超高效空氣過濾器（ULPAFilter）送到潔凈室。而另一種方案是采用室內(nèi)循環(huán)風(fēng)就地冷卻，利用干冷卻盤管解決新風(fēng)不能提供全部冷負(fù)荷的問題，同時利用風(fēng)機(jī)過濾器單元來進(jìn)行空氣循環(huán)。每種方式各有一定的適用范圍，風(fēng)機(jī)過濾器單元（FFU）因其靈活性大,即可通過置換盲板來提高局部區(qū)域的潔凈度、占用空間較少等優(yōu)點得到越來越多的應(yīng)用，尤其適合于舊廠房的改造及技術(shù)更新較快的工程。雖然FFU系統(tǒng)成本較高，而從綜合投資角度，分析認(rèn)為采用FFU方式在末端過濾器鋪設(shè)率為25%－30%時較為有利【1】。

ISO5級（百級）潔凈室屬于潔凈室用暖通空調(diào)系統(tǒng)耗能大戶，通常采用吊頂滿布高效過濾器的送風(fēng)方式，運行能耗較大。有關(guān)潔凈室運行費用的文獻(xiàn)指出，在某些歐洲國家，能源消耗的費用已占潔凈室運行、維護(hù)年度總費用的65%～75%【2】，其主要影響因素是潔凈室的空氣流量和采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)如何有效地向潔凈室分布經(jīng)過凈化和溫濕度調(diào)節(jié)的空氣，所以在保證潔凈污染控制的條件下，合理選擇送風(fēng)速度，布置末端過濾器、回風(fēng)口、減少送風(fēng)量以便節(jié)能是人們關(guān)注的焦點。

另外國外對一些ISO5級潔凈室實測數(shù)據(jù)表明，大部分換氣次數(shù)遠(yuǎn)低于建議的下限值【2】，而在設(shè)計中存在系統(tǒng)風(fēng)量過大的傾向，這可能與對氣流缺乏了解，擔(dān)心系統(tǒng)運行可靠性的保守思想有關(guān)，說明提高節(jié)省能源的機(jī)會確實存在。隨著計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)自身的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)和潔凈室等工程領(lǐng)域，通過計算機(jī)求解流體所遵循的控制方程，可以獲得流動區(qū)域的流速、溫度、濃度等物理量的詳細(xì)分布情況，是一種較好的優(yōu)化設(shè)計工具。其優(yōu)勢在于利用CFD技術(shù)對設(shè)計方案進(jìn)行模擬可以在施工前發(fā)現(xiàn)失誤并及時更正，避免經(jīng)濟(jì)損失；可以迅速發(fā)現(xiàn)提高系統(tǒng)運行效率的可能性；另外，通過模擬可以得到一系列運行的備選方案，以便在尋找最經(jīng)濟(jì)方案時有所依據(jù)。

本文利用CFD軟件，對擬采用FFU凈化空調(diào)系統(tǒng)的某微電子潔凈廠房的ISO5級潔凈室進(jìn)行計算機(jī)模擬，通過幾個設(shè)計方案相比較，利用所得到的速度場，分析評價其性能，利用理論計算驗證其平衡態(tài)的潔凈度，并提出一些應(yīng)用中的注意事項，為實際工程應(yīng)用提供參考。

2數(shù)值模擬及分析

2.1數(shù)學(xué)模型

從流動的雷諾數(shù)Re來考慮，潔凈室的氣流均為紊流【3】，空氣的流動滿足連續(xù)性方程，動量方程和能量方程。對于工程問題，我們不需要關(guān)心紊流的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其瞬時變化，而只關(guān)心紊流隨機(jī)變量的有關(guān)平均值，因此，本文采用數(shù)值計算三類方法中雷諾時均方程中的紊流粘性系數(shù)法，流動模型采用暖通空調(diào)廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε二方程模型，k-ε模型通過求解紊流動能與紊流動能耗散率的輸運方程得到紊流粘性系數(shù)。

控制方程的通用形式為【4】：

式中：ρ為空氣密度(kg/m3)，V為氣流速度矢量(m/s)，Γφ，eff為有效擴(kuò)散系數(shù)(kg/ms)，Sφ是源項，Φ代表1，u,v,w,k,ε中的一項，u,v,w為三個方向的速度分量(m/s)，k為紊流動能(m2/s2)，ε為紊流動能耗散率(m2/s3)，Φ=1時通用方程變?yōu)檫B續(xù)性方程。

邊界條件：墻體邊界設(shè)為無滑移邊界條件。送風(fēng)邊界條件，送風(fēng)速度取過濾器面風(fēng)速平均值，速度方向豎直向下?；仫L(fēng)邊界條件，回風(fēng)口滿足充分發(fā)展段紊流出口模型。由于室內(nèi)熱負(fù)荷較小，不考慮溫度浮升效應(yīng)對氣流的影響。采用混合迎風(fēng)差分格式對偏微分方程進(jìn)行離散，基于有限容積法的SIMPLEST算法進(jìn)行求解。

2.2物理模型及計算結(jié)果分析

方案一將風(fēng)機(jī)過濾器單元（規(guī)格為1.2m×1.2m）成條型居中布置于天花板，滿布比在25%，回風(fēng)采用全地面均勻散布穿孔板作為回風(fēng)口。物理模型平面圖如圖1。經(jīng)模擬計算得到氣流流場示于圖3，由于送風(fēng)口在Y方向呈對稱布置，圖中只給出一半流場。從圖中可見，在送風(fēng)口下方流線垂直向下，流線平行較好，而在送風(fēng)口至墻體范圍內(nèi)有較大的渦流區(qū)，則主流區(qū)范圍減少，不能使全室工作區(qū)達(dá)到較高級別。同時粒子也會被卷吸進(jìn)入主流區(qū)，排除污染物的路徑增長，增加污染的可能性。

圖1FFU布置平面示意圖（條型）圖2FFU布置平面示意圖（均勻）

圖3FFU條型布置YZ截面流場圖

圖4FFU均勻布置YZ截面流場圖

方案二將FFU（規(guī)格為1.2m×1.2m）散布于天花板，滿布比仍為25%，過濾器面風(fēng)速在0.45m/s，回風(fēng)采用全地面均勻散布高架格柵地板作為回風(fēng)口。物理模型平面示意圖如圖2，氣流流場分布如圖4。模擬計算顯示，對于均勻布置FFU方案，工作區(qū)1.2m及0.8m高度斷面平均風(fēng)速分別為0.1545m/s、0.1516m/s，可見散布末端過濾器送風(fēng)口可以減小速度的衰減。雖然在送風(fēng)口之間上部存在反向氣流，形成小的渦流區(qū)，但在工作區(qū)0.8m－1.2m范圍內(nèi)已形成豎直向下的流線，時均流線平行較好，由于此潔凈室產(chǎn)熱量較小，熱氣流對流線影響可忽略，不會產(chǎn)生逆向污染，因此上部的渦流不會對主流區(qū)產(chǎn)生影響。空氣中的微粒在重力、慣性和擴(kuò)散三種作用力下運動速度和位移是微小的，直徑在1μm時，微粒跟隨氣流運動的速度和氣流速度相差不會大于10－3【3】。此設(shè)計中新風(fēng)處理機(jī)組設(shè)三級過濾器，F(xiàn)FU中過濾器為U15≥99.9995%＠MPPS，直徑＞1μm的微?？梢暈榱?，因此，工作區(qū)產(chǎn)生的微粒能完全跟隨氣流一起運動，直接排出潔凈室。

當(dāng)進(jìn)一步減小滿布比時模擬計算可知，除送風(fēng)口正下方—定區(qū)域外，其余部分已根本不能保證氣流接近垂直向下，過濾器之間存在一個從天花板到地面貫通的巨大渦流區(qū)，污染物極易被卷吸進(jìn)入渦流區(qū)內(nèi)而不易排出。

經(jīng)過模擬計算及分析，我們認(rèn)為在送風(fēng)口滿布比為25%，均勻分布FFU，采用全地面均勻散布穿孔板回風(fēng)，過濾器面風(fēng)速在0.45m/s，相應(yīng)換氣次數(shù)為147次/小時，由于FFU可達(dá)到較大的送風(fēng)面風(fēng)速，以及均勻散布穿孔地板回風(fēng)口的均流作用，因為如果采用側(cè)墻下側(cè)回風(fēng)，就會在潔凈室中間下部區(qū)域形成較大的渦流三角區(qū)【5】，因此，潔凈室內(nèi)能夠形成比較合理的氣流流形，在主流區(qū)內(nèi)能形成基本垂直向下的流線，但在靠近四周墻壁處，由于形成受限射流，出現(xiàn)渦旋，因此在布置設(shè)備時，應(yīng)避免將設(shè)備靠墻壁布置，而應(yīng)留有一定距離，這是潔凈室施工完畢，開始投入使用時應(yīng)加以注意的。另外，此設(shè)計中雖然不能形成如傳統(tǒng)滿布高效過濾器送風(fēng)口而形成的全室平行氣流，但美國標(biāo)準(zhǔn)IES－RP－CC012.1【6】中已認(rèn)為ISO5級潔凈室也可采用非單向流流型或混合流型。

3理論計算潔凈度

潔凈室的潔凈度級別由通風(fēng)系統(tǒng)和室內(nèi)污染源所決定?？梢酝ㄟ^數(shù)學(xué)公式對其進(jìn)行計算。根據(jù)粒子平衡理論，進(jìn)入潔凈室的粒子有室外新風(fēng)帶入、循環(huán)空氣帶入及室內(nèi)污染源。對于電子廠房室內(nèi)污染源主要是工作人員的產(chǎn)塵，而設(shè)備產(chǎn)塵很小可忽略不計。從潔凈室排出的粒子有回風(fēng)帶出及由于室內(nèi)正壓而滲出的粒子?？傻萌缦路匠獭?】：

達(dá)到平衡狀態(tài)時，濃度方程變?yōu)椋?/p>

其中

以上式中：Q，送風(fēng)量，m3/sq，滲出的空氣量，m3/s；V，潔凈室的容積，m3；x，循環(huán)風(fēng)的比例，此處為1；c，潔凈室的濃度，粒/m3；c0，潔凈室的初始濃度，粒/m3；c∞，潔凈室的平衡濃度，粒/m3；c1，滲出空氣的濃度，粒/m3；cout，室外新風(fēng)的濃度，粒/m3；t，時間；ηout，新風(fēng)過濾器效率；ηrec，回風(fēng)過濾器效率；S，室內(nèi)污染源，粒/秒；ε,通風(fēng)效率。

新風(fēng)預(yù)過濾器為F5（η＝55%），中效過濾器為F9（η＝95%），高效過濾器為H12（η＝99.5%），F(xiàn)FU中過濾器為U15（η≥99.9995%＠MPPS）；新風(fēng)含塵濃度天津地區(qū)取為3×107粒/m3(≥0.5μm)；身著潔凈服的工作人員走動時的產(chǎn)塵量為1×104粒/秒·人(≥0.5μm)；設(shè)同時有3人在工作；通風(fēng)效率取為90%；新風(fēng)比為4.42%。計算得出此設(shè)計的潔凈室穩(wěn)定含塵濃度為2857粒/m3（即81粒/ft3），達(dá)到ISO5級100粒/ft3的設(shè)計要求。

4結(jié)論

通過本文的研究可得到如下結(jié)論：

1）針對電子廠房潔凈室發(fā)塵量較低，室內(nèi)人員較少，熱負(fù)荷較小的情況，通過選擇級別較高的過濾器，合理布置末端高效過濾器的位置，回風(fēng)方式后，即使設(shè)計的室內(nèi)換氣次數(shù)、斷面平均風(fēng)速低于規(guī)范建議的下限值，仍可有效地濾除粒子，滿足空氣潔凈度要求。

2）CFD是一種較好的優(yōu)化設(shè)計工具，結(jié)合工程實際情況，借助模擬工具進(jìn)行輔助設(shè)計是必然趨勢。

參考文獻(xiàn)

1.嚴(yán)德隆.全國室內(nèi)空氣凈化工程與技術(shù)發(fā)展研討會.2001:94～97

2.徐騰芳,楊耀祖.潔凈與空調(diào)技術(shù),2002(B12)：37～42

3.許鐘麟.空氣潔凈技術(shù)原理.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1998

4.陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)（第二版）.西安:西安交通大學(xué)出版社,2001

5.樊洪明,何鐘怡，李先庭.空氣動力學(xué)學(xué)報，2001，19（3）：302～309

6.IES－RP－CC012.1ConsiderationsinCleanroomDesign

7.Camfilcleanlinesscalculationofcleanroom