潔凈室典型氣流組織特性模擬

李九如 李想 陳巨輝 董喜欣 辛孟怡

摘?要：為了研究潔凈室典型氣流組織特性，現(xiàn)選取人走動(dòng)揚(yáng)塵/門侵入污染物分別作為室內(nèi)散發(fā)污染源和室外侵入污染源的典型污染源，以塵埃為室內(nèi)污染物，建立了潔凈室人走動(dòng)揚(yáng)塵/門侵入污染物的數(shù)學(xué)模型和物理模型。采用ANSYS/Fluent軟件模擬的方法，對(duì)動(dòng)態(tài)潔凈室兩種典型氣流組織形式工作面的速度場(chǎng)特性、污染物濃度場(chǎng)分布特性以及人走動(dòng)揚(yáng)塵/門侵入污染物對(duì)濃度場(chǎng)的影響特性進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明，側(cè)送側(cè)回氣流組織形式優(yōu)于上送側(cè)回氣流組織形式。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;多相流;氣流組織;速度場(chǎng);濃度場(chǎng)

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.005

中圖分類號(hào)： TK229

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）06-0024-05

Abstract：In order to study the clean room air distribution for typical characteristics.The dust raised by moving people and the dust coming into the room through the door are modeled as in-room dust source and outdoor dust source respectively.?Treating the dust as source of pollution?the mathematical model and the physical model are built regarding dust raising process by moving people in the clean room and dust penetrating process through the door.?Adopt the method of ANSYS/Fluent software simulation?the effects of velocity component?distribution of pollutant and dust raised by moving people and dust coming into through the door on the characteristics of concentration distribution are investigated.?The simulation results showed that the side-feeding-and-side-returning pattern is better than the top-feeding-and-side-returning pattern.

Keywords：numerical simulation; multiphase flow; air distribution; velocity field; concentration field

0?引?言

空氣潔凈技術(shù)廣泛用于電子信息、航空航天、精密儀器等精密制造領(lǐng)域[1]。國(guó)家規(guī)劃《中國(guó)制造2025》提出了大力發(fā)展我國(guó)高精密制造領(lǐng)域[2]，隨著高精密制造行業(yè)的發(fā)展必將對(duì)空氣潔凈技術(shù)提出更高的要求。石靜宜[3]指出半導(dǎo)體工廠的潔凈空調(diào)設(shè)備能耗占工廠總能耗的40%以上，許鐘麟[4]指出潔凈室內(nèi)污染物濃度對(duì)電子產(chǎn)品的良品率有著直

接的關(guān)系。降低潔凈室能耗和保證潔凈室潔凈等級(jí)是空氣潔凈技術(shù)主要關(guān)心的兩個(gè)問(wèn)題，而研究的潔凈室典型氣流組織形式的特性對(duì)于降低潔凈空調(diào)能耗和優(yōu)化潔凈室設(shè)計(jì)具有突出意義。目前，利用數(shù)值模擬技術(shù)研究氣流組織形式已有不少的研究和工程應(yīng)用，但缺少直接模擬潔凈室的排污率、污染物分布特性、外界擾動(dòng)對(duì)污染物濃度的影響的研究[5-11]。

本文利用ANSYS/Fluent軟件對(duì)亂流潔凈室兩種典型氣流組織形式工作面的速度場(chǎng)分布特性、污染物濃度場(chǎng)分布特性、人走動(dòng)揚(yáng)塵/門侵入污染物工作面濃度場(chǎng)的影響特性進(jìn)行了模擬研究?？蔀闈崈艨照{(diào)設(shè)計(jì)、改造以及潔凈室的運(yùn)行管理提供理論指導(dǎo)。

1?數(shù)學(xué)模型

1.1?氣相標(biāo)準(zhǔn)模κ-ε型控制方程

作用在塵埃粒子上的力主要包括質(zhì)量剪切力、有效集中力、Brownian力、薩夫曼升力、氣流影響力等。外力的大小主要依賴于氣相流體的流動(dòng)狀態(tài)和顆粒相粒子的特性。對(duì)于研究潔凈室的濃度場(chǎng)而言，只需考慮重力和流場(chǎng)速度所引起的薩夫曼升力和Brownian力即可[17-18]。

2?物理模型及簡(jiǎn)化

2.1?物理模型

本文選取某潔凈室作為研究對(duì)象，潔凈室的幾何基本尺寸為5m×3.2m×2.8m，潔凈間中央放置幾何基本尺寸為2m×1.2m×0.8m的桌子，潔凈間的外門基本尺寸為2m×0.8m 。電子車間潔凈室采用兩種典型的氣流組織形式，即上送側(cè)回式和側(cè)送側(cè)回式。為方便敘述將上送側(cè)回式命名為A，將側(cè)送側(cè)回式命名為B。A種氣流組織形式送風(fēng)口基本尺寸為0.9m×0.4m，回風(fēng)口基本尺寸1.2m×0.6m;B種氣流組織形式送風(fēng)口基本尺寸為1.2m×0.3m，回風(fēng)口基本尺寸為1.8m×0.4m。A、B兩種氣流組織形式的側(cè)墻上的風(fēng)口距離地面和頂棚距離均為0.2m。兩種氣流組織形式均采用高效過(guò)濾器送風(fēng)。亂流潔凈室兩種典型氣流組織形式如圖1所示。

2.2?物理模型的簡(jiǎn)化

為簡(jiǎn)化模擬過(guò)程對(duì)物理模型做如下簡(jiǎn)化：

1）潔凈室的送風(fēng)過(guò)程不帶入新的污染物;

2）電子車間的生產(chǎn)過(guò)程對(duì)室內(nèi)氣流和污染物分布不產(chǎn)生影響;

3）除送回風(fēng)口外，潔凈室是密閉良好的;

4）房間污染物濃度初始值為0;

5）人通過(guò)門進(jìn)入潔凈室的過(guò)程對(duì)室內(nèi)的氣流不產(chǎn)生影響;

6）人走動(dòng)產(chǎn)生的揚(yáng)塵在地面是均勻分布的;

7）通過(guò)門進(jìn)入潔凈室的污染物在整個(gè)門上是均勻分布的。

3?網(wǎng)格劃分及邊界條件

3.1?網(wǎng)格劃分

本文利用計(jì)算流體力學(xué)前處理軟件Gambit 2.4.6對(duì)A、B兩種氣流組織模型進(jìn)行建模并劃分計(jì)算網(wǎng)格，兩種模型均以Map方法劃分的Hex網(wǎng)格為主，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)尺寸為50mm，而局部采用Tet/Hybrid劃分的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)尺寸采用30mm和10mm兩種規(guī)格尺寸。

3.2?邊界條件

1）送風(fēng)口邊界條件：送風(fēng)口采用速度邊界條件[19]，速度值為1m/s，κ取0.04，ε取0.08，污染物顆粒設(shè)置為反射邊界;

2）排風(fēng)口邊界條件：排風(fēng)口采用自由出流邊界條件，回流比設(shè)置為1，污染物顆粒設(shè)置為逃逸邊界;

3）壁面邊界條件：壁面采用無(wú)滑移邊界條件，污染物顆粒與壁面碰撞后法向和切向反彈系數(shù)均設(shè)置為0.9[19];

4）人走動(dòng)揚(yáng)塵邊界條件：采用面射流源，在0～20s時(shí)間段內(nèi)向潔凈室內(nèi)噴射污染物（塵埃）粒子;

5）門侵入污染物邊界條件：采用面射流源，在0～15s時(shí)間段內(nèi)向噴射污染物（塵埃）粒子。

4?數(shù)值模擬結(jié)果與分析

潔凈工作區(qū)是電子車間潔凈室內(nèi)的重要的區(qū)域，也有對(duì)風(fēng)速測(cè)量的研究[20]。根據(jù)《電子工業(yè)潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》[21]中規(guī)定潔凈工作區(qū)是指潔凈室內(nèi)離地面高度0.8～1.5m（除工藝特殊要求外）的區(qū)域。本文通過(guò)截取z=1.0m（離地面高1m）平面來(lái)分析兩種氣流組織形式下工作面特性。

4.1?兩種氣流組織形式工作面速度場(chǎng)特性

選取直徑d=1.0μm的塵埃作為室內(nèi)污染物，模擬z=1.0m時(shí)的典型氣流組織形式的濃度分布，設(shè)置送風(fēng)口速度為1m/s，排風(fēng)口設(shè)置自由出流邊界條件，對(duì)壁面采用無(wú)滑移邊界條件進(jìn)行模擬，得出的高度為z=1.0m時(shí)典型氣流組織形式工作面的速度柱形圖如圖2 所示，從圖2（a）可以看出，在z=1m工作面上速度場(chǎng)分布規(guī)律方面：A種氣流組織形式工作區(qū)截面上，沿Y方向速度呈現(xiàn)“中間低、兩邊高”的分布規(guī)律，越靠近潔凈室的中心位置Y方向的速度分布規(guī)律越明顯;從圖2（b）中可以看出，B種氣流組織形式工作區(qū)截面上，沿Y方向速度呈現(xiàn)“中間高、兩邊低”的分布規(guī)律，越靠近潔凈室的邊緣位置Y方向的速度分布規(guī)律越明顯。在z=1m工作面上速度場(chǎng)數(shù)值特性方面：A種氣流組織形式工作區(qū)速度值在0.014m/s到0.07m/s之間，B 種氣流組織形式工作區(qū)的速度值介于0.02m/s到0.14m/s之間，A種氣流組織形式工作區(qū)截面的速度值的整體水平要大于B種氣流組織形式。

4.2?兩種氣流組織形式工作面污染物濃度分布特性

本文選取直徑d=1.0μm的塵埃作為室內(nèi)污染物，對(duì)比典型氣流組織形式下工作面（z=1.0m）的濃度分布特性，為方便對(duì)比兩種氣流組織形式工作面污染物濃度場(chǎng)，污染物濃度場(chǎng)的顯示區(qū)間均設(shè)置為0～8×10-20kg/m3，設(shè)置送風(fēng)口速度為1m/s，排風(fēng)口邊界條件為自由出流，壁面采用無(wú)滑移邊界條件，污染物顆粒設(shè)置為逃逸邊界，對(duì)氣流組織形式工作面（z=1.0m）濃度進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3給出的是在高度為z=1.0m時(shí)，A、B兩種典型氣流組織形式工作面的濃度云圖，從圖3（a）中可以看出，A種氣流組織形式的情況下，塵埃粒子在工作面z=1m截面上濃度分布，在A 種氣流組織形式，潔凈室工作面污染物的濃度場(chǎng)呈現(xiàn)均勻分布的規(guī)律。在B種氣流組織形式，潔凈室工作面污染物的濃度場(chǎng)呈現(xiàn)“中間濃度小、兩邊濃度大”的分布規(guī)律。對(duì)比兩種氣流組織形式下工作區(qū)的污染物濃度場(chǎng)可以看出A種氣流組織形式的平均濃度值要高于A種氣流組織形式的平均濃度值。

4.3?人走動(dòng)揚(yáng)塵對(duì)工作面濃度影響特性

模擬人走動(dòng)揚(yáng)塵對(duì)工作面濃度影響，取0～20s時(shí)間段進(jìn)行模擬，設(shè)置人走動(dòng)揚(yáng)塵邊界條件為面射流源，選取直徑d=1.0μm的塵埃為室內(nèi)污染物，濃度場(chǎng)的顯示區(qū)間均設(shè)置為0～8×10-20kg/m3，設(shè)置送風(fēng)口速度為1m/s，排風(fēng)口邊界條件為自由出流，壁面采用無(wú)滑移邊界條件，污染物顆粒設(shè)置為逃逸邊界，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4給出了人走動(dòng)揚(yáng)塵對(duì)工作面濃度影響的模擬結(jié)果，通過(guò)圖4單獨(dú)分析兩種典型氣流組織形式可以看出，兩種氣流組織形式由于人走動(dòng)揚(yáng)塵對(duì)工作區(qū)濃度影響的變化規(guī)律趨勢(shì)基本類似，在t=0～20s時(shí)間段內(nèi)，由于走動(dòng)揚(yáng)塵潔凈室工作面上的污染物濃度數(shù)值迅速升高，t=20s時(shí)污染物停止進(jìn)入潔凈室內(nèi)，而工作區(qū)的污染物濃度繼續(xù)攀升，工作區(qū)污染物濃度表現(xiàn)出一定的“滯后性”，工作區(qū)濃度峰值出現(xiàn)的位置大約位于t=30s的位置，隨著時(shí)間的推移污染物濃度數(shù)值逐漸減小，減小的速率基本相同。

通過(guò)圖4對(duì)比分析兩種氣流組織形式可以看出，A種氣流組織形式形式的濃度在平均數(shù)值上始終高于B種氣流組織形式。但兩種氣流組織形式工作區(qū)濃度場(chǎng)的峰值出現(xiàn)在同一時(shí)刻，說(shuō)明工作區(qū)濃度場(chǎng)峰值出現(xiàn)的時(shí)刻與氣流組織形式無(wú)關(guān)。

4.4?門侵入污染物對(duì)工作面濃度影響特性

模擬門侵入污染物對(duì)工作面濃度的影響，設(shè)置邊界條件為面射流源，模擬時(shí)間為0～15s，室內(nèi)塵埃污染物的直徑為d=1.0μm，濃度場(chǎng)的顯示區(qū)間設(shè)置為0～8×10-20kg/m3，送風(fēng)口速度為1m/s，排風(fēng)口邊界條件為自由出流，壁面采用無(wú)滑移邊界條件，污染物顆粒設(shè)置為逃逸邊界，模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5給出的是門侵入污染物對(duì)工作面濃度影響的模擬結(jié)果，通過(guò)圖5單獨(dú)分析兩種典型氣流組織形式可以看出，兩種氣流組織形式由于門侵入污染物對(duì)工作區(qū)濃度影響特性曲線的變化規(guī)律趨勢(shì)基本類似，在t=0～15s時(shí)間段內(nèi)，由于門侵入污染物潔凈室工作面上的污染物濃度數(shù)值迅速升高，t=15s時(shí)污染物停止進(jìn)入潔凈室內(nèi)，工作區(qū)的污染物濃度出現(xiàn)下降，工作區(qū)濃度峰值出現(xiàn)的位置大約位于t=15s的位置，工作區(qū)污染物濃度未表現(xiàn)出一定的“滯后性”。t>15s時(shí)，工作區(qū)污染物濃度場(chǎng)數(shù)值逐漸減小，且兩種氣流組織形式濃度減小的速率基本相同。

通過(guò)圖5對(duì)比分析兩種氣流組織形式可以看出A種氣流組織形式形式的濃度與B種氣流組織形式濃度基本相同，工作區(qū)濃度場(chǎng)的峰值出現(xiàn)在同一時(shí)刻，工作區(qū)濃度變化速率也類似，表明因門侵入污染物而引起潔凈室工作區(qū)濃度場(chǎng)變化特性與氣流組織形式無(wú)關(guān)。

5?結(jié)?論

本文應(yīng)用ANSYS/Fluent軟件模擬了潔凈室工作面（z=1m）的速度場(chǎng)特性、濃度場(chǎng)特性以及人走動(dòng)揚(yáng)塵/門侵入污染物工作面濃度場(chǎng)的影響特性，得到了以下規(guī)律：

1）A種氣流組織形式工作區(qū)截面上，沿Y方向速度呈現(xiàn)“中間低、兩邊高”的分布規(guī)律，越靠近潔凈室的中心位置Y方向的速度分布規(guī)律越明顯;B種氣流組織形式工作區(qū)截面上，沿Y方向速度呈現(xiàn)“中間高、兩邊低”的分布規(guī)律，越靠近潔凈室的邊緣位置Y方向的速度分布規(guī)律越明顯;

2）A種氣流組織形式工作區(qū)截面的速度值的整體水平要大于B種氣流組織形式;

3）A種氣流組織形式工作區(qū)的濃度場(chǎng)呈現(xiàn)均勻分布特性，B種氣流組織形式工作區(qū)的濃度場(chǎng)呈現(xiàn)“中間濃度小、兩邊濃度大”的分布特性;

4）B種氣流組織形式比A種氣流組織形式控制人走動(dòng)揚(yáng)塵對(duì)工作區(qū)濃度影響的效果好;人走動(dòng)揚(yáng)塵工作區(qū)濃度場(chǎng)的峰值表現(xiàn)出一定的“滯后性”;

5）兩種氣流組織形式對(duì)門侵入污染物的控制效果基本相同，門侵入污染物對(duì)工作區(qū)濃度場(chǎng)的峰值未表現(xiàn)出一定的“滯后性”。

模擬結(jié)果表明，側(cè)送側(cè)回氣流組織形式優(yōu)于上送側(cè)回氣流組織形式。

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（編輯：溫澤宇）