洁净室典型气流组织特性模拟

李九如 李想 陈巨辉 董喜欣 辛孟怡

摘 要：为了研究洁净室典型气流组织特性，现选取人走动扬尘/门侵入污染物分别作为室内散发污染源和室外侵入污染源的典型污染源，以尘埃为室内污染物，建立了洁净室人走动扬尘/门侵入污染物的数学模型和物理模型。采用ANSYS/Fluent软件模拟的方法，对动态洁净室两种典型气流组织形式工作面的速度场特性、污染物浓度场分布特性以及人走动扬尘/门侵入污染物对浓度场的影响特性进行模拟。模拟结果表明，侧送侧回气流组织形式优于上送侧回气流组织形式。

关键词：数值模拟;多相流;气流组织;速度场;浓度场

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.005

中图分类号： TK229

文献标志码： A

文章编号： 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

空气洁净技术广泛用于电子信息、航空航天、精密仪器等精密制造领域[1]。国家规划《中国制造2025》提出了大力发展我国高精密制造领域[2]，随着高精密制造行业的发展必将对空气洁净技术提出更高的要求。石静宜[3]指出半导体工厂的洁净空调设备能耗占工厂总能耗的40%以上，许钟麟[4]指出洁净室内污染物浓度对电子产品的良品率有着直

接的关系。降低洁净室能耗和保证洁净室洁净等级是空气洁净技术主要关心的两个问题，而研究的洁净室典型气流组织形式的特性对于降低洁净空调能耗和优化洁净室设计具有突出意义。目前，利用数值模拟技术研究气流组织形式已有不少的研究和工程应用，但缺少直接模拟洁净室的排污率、污染物分布特性、外界扰动对污染物浓度的影响的研究[5-11]。

本文利用ANSYS/Fluent软件对乱流洁净室两种典型气流组织形式工作面的速度场分布特性、污染物浓度场分布特性、人走动扬尘/门侵入污染物工作面浓度场的影响特性进行了模拟研究。可为洁净空调设计、改造以及洁净室的运行管理提供理论指导。

1 数学模型

1.1 气相标准模κ-ε型控制方程

作用在尘埃粒子上的力主要包括质量剪切力、有效集中力、Brownian力、薩夫曼升力、气流影响力等。外力的大小主要依赖于气相流体的流动状态和颗粒相粒子的特性。对于研究洁净室的浓度场而言，只需考虑重力和流场速度所引起的萨夫曼升力和Brownian力即可[17-18]。

2 物理模型及简化

2.1 物理模型

本文选取某洁净室作为研究对象，洁净室的几何基本尺寸为5m×3.2m×2.8m，洁净间中央放置几何基本尺寸为2m×1.2m×0.8m的桌子，洁净间的外门基本尺寸为2m×0.8m 。电子车间洁净室采用两种典型的气流组织形式，即上送侧回式和侧送侧回式。为方便叙述将上送侧回式命名为A，将侧送侧回式命名为B。A种气流组织形式送风口基本尺寸为0.9m×0.4m，回风口基本尺寸1.2m×0.6m;B种气流组织形式送风口基本尺寸为1.2m×0.3m，回风口基本尺寸为1.8m×0.4m。A、B两种气流组织形式的侧墙上的风口距离地面和顶棚距离均为0.2m。两种气流组织形式均采用高效过滤器送风。乱流洁净室两种典型气流组织形式如图1所示。

2.2 物理模型的简化

为简化模拟过程对物理模型做如下简化：

1）洁净室的送风过程不带入新的污染物;

2）电子车间的生产过程对室内气流和污染物分布不产生影响;

3）除送回风口外，洁净室是密闭良好的;

4）房间污染物浓度初始值为0;

5）人通过门进入洁净室的过程对室内的气流不产生影响;

6）人走动产生的扬尘在地面是均匀分布的;

7）通过门进入洁净室的污染物在整个门上是均匀分布的。

3 网格划分及边界条件

3.1 网格划分

本文利用计算流体力学前处理软件Gambit 2.4.6对A、B两种气流组织模型进行建模并划分计算网格，两种模型均以Map方法划分的Hex网格为主，网格节点尺寸为50mm，而局部采用Tet/Hybrid划分的非结构网格，网格节点尺寸采用30mm和10mm两种规格尺寸。

3.2 边界条件

1）送风口边界条件：送风口采用速度边界条件[19]，速度值为1m/s，κ取0.04，ε取0.08，污染物颗粒设置为反射边界;

2）排风口边界条件：排风口采用自由出流边界条件，回流比设置为1，污染物颗粒设置为逃逸边界;

3）壁面边界条件：壁面采用无滑移边界条件，污染物颗粒与壁面碰撞后法向和切向反弹系数均设置为0.9[19];

4）人走动扬尘边界条件：采用面射流源，在0～20s时间段内向洁净室内喷射污染物（尘埃）粒子;

5）门侵入污染物边界条件：采用面射流源，在0～15s时间段内向喷射污染物（尘埃）粒子。

4 数值模拟结果与分析

洁净工作区是电子车间洁净室内的重要的区域，也有对风速测量的研究[20]。根据《电子工业洁净厂房设计规范》[21]中规定洁净工作区是指洁净室内离地面高度0.8～1.5m（除工艺特殊要求外）的区域。本文通过截取z=1.0m（离地面高1m）平面来分析两种气流组织形式下工作面特性。

4.1 两种气流组织形式工作面速度场特性

选取直径d=1.0μm的尘埃作为室内污染物，模拟z=1.0m时的典型气流组织形式的浓度分布，设置送风口速度为1m/s，排风口设置自由出流边界条件，对壁面采用无滑移边界条件进行模拟，得出的高度为z=1.0m时典型气流组织形式工作面的速度柱形图如图2 所示，从图2（a）可以看出，在z=1m工作面上速度场分布规律方面：A种气流组织形式工作区截面上，沿Y方向速度呈现“中间低、两边高”的分布规律，越靠近洁净室的中心位置Y方向的速度分布规律越明显;从图2（b）中可以看出，B种气流组织形式工作区截面上，沿Y方向速度呈现“中间高、两边低”的分布规律，越靠近洁净室的边缘位置Y方向的速度分布规律越明显。在z=1m工作面上速度场数值特性方面：A种气流组织形式工作区速度值在0.014m/s到0.07m/s之间，B 种气流组织形式工作区的速度值介于0.02m/s到0.14m/s之间，A种气流组织形式工作区截面的速度值的整体水平要大于B种气流组织形式。

4.2 两种气流组织形式工作面污染物浓度分布特性

本文选取直径d=1.0μm的尘埃作为室内污染物，对比典型气流组织形式下工作面（z=1.0m）的浓度分布特性，为方便对比两种气流组织形式工作面污染物浓度场，污染物浓度场的显示区间均设置为0～8×10-20kg/m3，设置送风口速度为1m/s，排风口边界条件为自由出流，壁面采用无滑移边界条件，污染物颗粒设置为逃逸边界，对气流组织形式工作面（z=1.0m）浓度进行模拟，模拟结果如图3所示。

图3给出的是在高度为z=1.0m时，A、B两种典型气流组织形式工作面的浓度云图，从图3（a）中可以看出，A种气流组织形式的情况下，尘埃粒子在工作面z=1m截面上浓度分布，在A 种气流组织形式，洁净室工作面污染物的浓度场呈现均匀分布的规律。在B种气流组织形式，洁净室工作面污染物的浓度场呈现“中间浓度小、两边浓度大”的分布规律。对比两种气流组织形式下工作区的污染物浓度场可以看出A种气流组织形式的平均浓度值要高于A种气流组织形式的平均浓度值。

4.3 人走动扬尘对工作面浓度影响特性

模拟人走动扬尘对工作面浓度影响，取0～20s时间段进行模拟，设置人走动扬尘边界条件为面射流源，选取直径d=1.0μm的尘埃为室内污染物，浓度场的显示区间均设置为0～8×10-20kg/m3，设置送风口速度为1m/s，排风口边界条件为自由出流，壁面采用无滑移边界条件，污染物颗粒设置为逃逸边界，模拟结果如图4所示。

图4给出了人走动扬尘对工作面浓度影响的模拟结果，通过图4单独分析两种典型气流组织形式可以看出，两种气流组织形式由于人走动扬尘对工作区浓度影响的变化规律趋势基本类似，在t=0～20s时间段内，由于走动扬尘洁净室工作面上的污染物浓度数值迅速升高，t=20s时污染物停止进入洁净室内，而工作区的污染物浓度继续攀升，工作区污染物浓度表现出一定的“滞后性”，工作区浓度峰值出现的位置大约位于t=30s的位置，随着时间的推移污染物浓度数值逐渐减小，减小的速率基本相同。

通过图4对比分析两种气流组织形式可以看出，A种气流组织形式形式的浓度在平均数值上始终高于B种气流组织形式。但两种气流组织形式工作区浓度场的峰值出现在同一时刻，说明工作区浓度场峰值出现的时刻与气流组织形式无关。

4.4 门侵入污染物对工作面浓度影响特性

模拟门侵入污染物对工作面浓度的影响，设置边界条件为面射流源，模拟时间为0～15s，室内尘埃污染物的直径为d=1.0μm，浓度场的显示区间设置为0～8×10-20kg/m3，送風口速度为1m/s，排风口边界条件为自由出流，壁面采用无滑移边界条件，污染物颗粒设置为逃逸边界，模拟结果如图5所示。

图5给出的是门侵入污染物对工作面浓度影响的模拟结果，通过图5单独分析两种典型气流组织形式可以看出，两种气流组织形式由于门侵入污染物对工作区浓度影响特性曲线的变化规律趋势基本类似，在t=0～15s时间段内，由于门侵入污染物洁净室工作面上的污染物浓度数值迅速升高，t=15s时污染物停止进入洁净室内，工作区的污染物浓度出现下降，工作区浓度峰值出现的位置大约位于t=15s的位置，工作区污染物浓度未表现出一定的“滞后性”。t>15s时，工作区污染物浓度场数值逐渐减小，且两种气流组织形式浓度减小的速率基本相同。

通过图5对比分析两种气流组织形式可以看出A种气流组织形式形式的浓度与B种气流组织形式浓度基本相同，工作区浓度场的峰值出现在同一时刻，工作区浓度变化速率也类似，表明因门侵入污染物而引起洁净室工作区浓度场变化特性与气流组织形式无关。

5 结 论

本文应用ANSYS/Fluent软件模拟了洁净室工作面（z=1m）的速度场特性、浓度场特性以及人走动扬尘/门侵入污染物工作面浓度场的影响特性，得到了以下规律：

1）A种气流组织形式工作区截面上，沿Y方向速度呈现“中间低、两边高”的分布规律，越靠近洁净室的中心位置Y方向的速度分布规律越明显;B种气流组织形式工作区截面上，沿Y方向速度呈现“中间高、两边低”的分布规律，越靠近洁净室的边缘位置Y方向的速度分布规律越明显;

2）A种气流组织形式工作区截面的速度值的整体水平要大于B种气流组织形式;

3）A种气流组织形式工作区的浓度场呈现均匀分布特性，B种气流组织形式工作区的浓度场呈现“中间浓度小、两边浓度大”的分布特性;

4）B种气流组织形式比A种气流组织形式控制人走动扬尘对工作区浓度影响的效果好;人走动扬尘工作区浓度场的峰值表现出一定的“滞后性”;

5）两种气流组织形式对门侵入污染物的控制效果基本相同，门侵入污染物对工作区浓度场的峰值未表现出一定的“滞后性”。

模拟结果表明，侧送侧回气流组织形式优于上送侧回气流组织形式。

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（编辑：温泽宇）