一、引言
100級的潔凈工業(yè)廠房或制藥廠房普遍采用單向流潔凈室以創(chuàng)造潔凈環(huán)境。流線平行度作為單向流潔凈室的三項特性指標(biāo)之一，在很大程度上反映了潔凈室可以達(dá)到的潔凈效果。單向流潔凈室最理想的情況是流線平行，其作用是保證塵源散發(fā)的塵粒不作垂直于流向的傳播。如果這種傳播在允許范圍內(nèi)，則流線稍有傾斜也是許可的，這樣，對于單向流潔凈室就有一個允許的流線平行度，按流線平行度的要求，國內(nèi)一般規(guī)定氣流偏向角小于或等于25度，而IEST規(guī)定不超過14度。本文將要討論的類型為頂棚滿布高效過濾器送風(fēng)，全地板格柵回風(fēng)的潔凈室，地板格柵回風(fēng)口的開孔率直接影響著氣流平行度，開孔率過大，氣流平行度不好，而開孔率過小，阻力很大，孔口處的風(fēng)速過大，進(jìn)而引起噪聲，耗費能用。ASHRAE規(guī)定為避免噪聲過大，風(fēng)速應(yīng)小于5m/s，在本文討論的幾種工況下（送風(fēng)速度為0.25m/s，地板開孔率為0.1,0.2,0.3和0.4）孔口速度都滿足此條件，所以此處不必考慮噪聲的問題。因此本文綜合考慮氣流平行度、經(jīng)濟(jì)性因素，在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合實測值，給出了不同潔凈房間跨度對應(yīng)的地板回風(fēng)口開孔率的推薦值，為單向流潔凈室的設(shè)計和建設(shè)提供參考。
二、物理模型
本文以長25m，凈高2.8m，跨度分別為6,12,18和24m的4種垂直單向流潔凈室為物理模型，采用頂棚滿布高效過濾器送風(fēng)，全地板格柵回風(fēng)的送回風(fēng)方式，地板回風(fēng)靜壓箱高度為1m。由于本文只對各種房間跨度的空態(tài)情況進(jìn)行研究，所以沒有考慮潔凈室內(nèi)的設(shè)備和人員問題。下圖是跨度為6m的潔凈室。
三、數(shù)學(xué)模型及邊界條件
本文采用室內(nèi)零方程模型，對該類潔凈室的空態(tài)情況進(jìn)行了研究。在給出數(shù)學(xué)模型之前，筆者對所給的物理模型先作適當(dāng)?shù)暮喕图僭O(shè)；
1、室內(nèi)氣流為不可壓縮常物性牛頓流體，穩(wěn)態(tài)流動，并忽略質(zhì)量力。
2、室內(nèi)無內(nèi)熱源，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱，不考慮能量的變化和影響。
有了以上的假設(shè)以后，本文所使用的數(shù)學(xué)模型可由以下兩個方程組成：
連續(xù)性方程
動量方程
邊界條件為：送風(fēng)速度取0.25m/s，回風(fēng)口和出風(fēng)口設(shè)置為自由出流。
四、數(shù)值模擬的結(jié)果和分析
筆者對4種工況下的垂直單向流潔凈室進(jìn)行了模擬，并研究了其流線圖及工作區(qū)（地面以上1-1.5m的區(qū)域）的平均氣流偏向角，模擬結(jié)果見圖2-5.
1、跨度為6m的潔凈室模擬結(jié)果與分析
由圖2可以看出，跨度為6m的潔凈室在4種工況下的流線相差不大，地板格柵回風(fēng)口以上的區(qū)域氣流偏向角普遍較小，由表1也可以看出工作區(qū)的平均氣流偏向角都小于14度，即4種工況都滿足國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和IEST標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)問題，筆者認(rèn)為兩種標(biāo)準(zhǔn)跨度為6m的潔凈室開孔率推薦值都為0.4.
2、跨度為12m的潔凈室模擬結(jié)果與分析
由圖3可見，室內(nèi)流線隨著地板開孔率的增大，其傾斜程度明顯增加，即氣流偏向角不斷增大。當(dāng)開孔率為0.1和0.2時，地板格柵回風(fēng)口以上的區(qū)域氣流偏向角普遍較小。當(dāng)開孔率為0.3和0.4時，房間下部有些氣流偏向角甚至高達(dá)40度左右，由于主要考慮工作區(qū)的氣流偏向角，故由表2可見，4種工況仍能滿足IEST和國內(nèi)規(guī)范，綜合考慮經(jīng)濟(jì)問題，筆者認(rèn)為跨度為12m的潔凈室開孔率推薦值仍為0.4。
3、跨度為18m的潔凈室模擬結(jié)果與分析
由圖4可見，隨著室內(nèi)流線隨著地板開孔率的增大，其傾斜程度很明顯增加，即氣流偏向角不斷增大。當(dāng)開孔率為0.1時，工作區(qū)的氣流偏向角很小，滿足IEST和國內(nèi)規(guī)范的要求。當(dāng)開孔率增大為0.2,0.3和0.4時，室內(nèi)氣流偏向角明顯增大，部分區(qū)域甚至高達(dá)60度，超出了兩種規(guī)范的要求，但是只考慮工作區(qū)的氣流偏向角，由表3可見，只有開孔率為0.1的工況滿足IEST的要求，而開孔率為0.1,0.2,0.3的工況都符合國內(nèi)規(guī)范，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，認(rèn)為按照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，0.3是跨度為18m的潔凈室的開孔率推薦值。
4、跨度為24m的潔凈室模擬結(jié)果與分析
由圖5可見，隨著室內(nèi)流線隨著地板開孔率的增大其傾斜程度增加的非常明顯，即氣流偏向角不斷增大。當(dāng)開孔率為0.1時，工作區(qū)的平均氣流偏向角只有10.8度，滿足兩種規(guī)范的要求。但當(dāng)開孔率增大為0.2,0.3和0.4時，室內(nèi)氣流偏向角明顯增大，部分區(qū)域高達(dá)70度，工作區(qū)的氣流偏向角也都超出了規(guī)范的要求。故0.1是兩種標(biāo)準(zhǔn)下跨度為24m的潔凈室的開孔率推薦值。
5、不同跨度下工作區(qū)平均氣流偏向角與地板格柵開孔率的關(guān)系
從圖6可以看出，氣流偏向角會受到房間跨度和地板回風(fēng)口開孔率兩方面的影響，當(dāng)其中一個固定，另一個增大時，氣流偏向角會隨之增大，并且房間跨度或地板回風(fēng)口開孔率越大，這種增加的區(qū)域越明顯。
對于既有的跨度較大的潔凈室，若對地板格柵進(jìn)行改造，可以根據(jù)具體情況提高局部孔板回風(fēng)口的開孔率以節(jié)省人力和資金。此外，由于跨度為24m的潔凈室地板回風(fēng)口采用滿布情況會耗費資金，故從節(jié)省投資的角度看，可以采用分散布置孔板回風(fēng)口，適當(dāng)提高格柵開孔率的方法來減小氣流偏向角，以達(dá)到同樣好的潔凈效果。如果條件允許，也可以在房間中部增加一條回風(fēng)通道，變相的縮短房間跨度，進(jìn)而使地板格柵的開孔率增大，從長遠(yuǎn)考慮，可以在保證較好潔凈度的基礎(chǔ)上節(jié)省能耗。
五、實驗驗證
2006年7月，對跨度為24m的某百級電子潔凈廠房進(jìn)行了現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬，實測中以3m為間距在距地1.5m高度均勻布點，利用泗縣逐點測出各測點的絲線飄動角度，即量出各測點的氣流偏向角，模擬結(jié)果和實測數(shù)據(jù)吻合良好，由于模型簡化和絲線重力等原因可能造成模擬結(jié)果和實測數(shù)據(jù)之間存在某些差異，但基本無太大影響。從氣流偏向角的模擬值和實測值看，氣流偏向角普遍偏大，在8-85度之間，有些甚至接近90度，嚴(yán)重影響了電子產(chǎn)品的合格率，故需對其氣流組織進(jìn)行優(yōu)化改善。由于房間跨度較大，所以該潔凈室原方案采取分散布置孔板回風(fēng)口的方法，回風(fēng)口位置的不合理也可能會導(dǎo)致氣流平行度較差，但是筆者通過模擬發(fā)現(xiàn)，單純調(diào)整回風(fēng)口的位置對局部流線的偏向角能夠起到一定的作用，但從總體效果看，不能根本改善氣流偏移的現(xiàn)狀，這種改善方法只能起到微調(diào)作用，可以作為氣體改善方法的補(bǔ)充。根據(jù)考察，此潔凈室的地板回風(fēng)口開孔率為0,4，阻力很小，造成回風(fēng)靜壓箱內(nèi)壓力分布不均，使得各回風(fēng)口回風(fēng)量的差異很大，故氣流偏向角過大的原因主要在于是回風(fēng)口阻力過小，本文主要討論通過增大回風(fēng)口阻力來改善室內(nèi)氣流偏向角，該方法雖然能夠有效減小氣流偏向角，但是如果全面增大回風(fēng)口阻力將使改造量較大，根據(jù)現(xiàn)場實測的結(jié)果是，只是距回風(fēng)夾墻較近的5m區(qū)域內(nèi)，回風(fēng)口內(nèi)外靜壓箱較大，因此，從減少改造工作量的角度，可以在局部增大回風(fēng)口的阻力。
根據(jù)第3.4節(jié)中提到的跨度為24m潔凈室地板回風(fēng)口滿布時推薦開孔率為0.1，從節(jié)省投資的角度看，可以根據(jù)具體情況適度提高局部孔板回風(fēng)口的開孔率來減小氣流偏向角，以達(dá)到較好的潔凈效果。所以在數(shù)值模擬中，筆者將距兩側(cè)回風(fēng)夾墻5m內(nèi)的回風(fēng)扣的開孔率設(shè)定為0.15，模擬結(jié)果顯示增大局部阻力后氣流偏向角明顯減小，能滿足規(guī)范的要求，在現(xiàn)場以數(shù)值模擬結(jié)果為指導(dǎo)，對孔板開孔率進(jìn)行了調(diào)整，經(jīng)過現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)各點偏向角平均值從51度降低到19度。改善前后的模擬結(jié)果和實測值見圖7.
通風(fēng)隊格柵開孔率進(jìn)行局部調(diào)整，氣流偏向角明顯減小，改善前后氣流偏向角的對比結(jié)果如表5所示。從計算看，氣流偏向角超過25度的測點由60%下降到8.8%，氣流偏向角的平均值減小到14度，基本能夠滿足使用要求。
六、結(jié)論
1、用CFD方法對不同跨度百級潔凈室在不同地板回風(fēng)口開孔率情況下的流場進(jìn)行模擬分析，可以有效的預(yù)測潔凈室內(nèi)流場的分布情況，從而得出百級潔凈室地板回風(fēng)口的推薦開孔率，為以后百級潔凈室的設(shè)計和建設(shè)提供可供參考的建議。不同跨度的百級潔凈室所對應(yīng)的地板回風(fēng)口最佳開孔率如表6所示。
2、從每一種工況下的流線圖都可以看出流程具有以下特點：流場兩側(cè)邊緣處流線和中心地帶流線近似垂直，而在1/4室寬處最先出現(xiàn)彎曲流線，從此向兩側(cè)流線垂直單向性越來越好。
3、氣流偏向角會受到房間跨度和地板回風(fēng)口開孔率兩方面因素的影響，當(dāng)其中一個固定，另一個增大時，氣流偏向角會隨之增大，并且房間跨度或地板回風(fēng)口開孔率越大，這種增加的趨勢越明顯。
4、本文只是通過數(shù)值模擬給出不同房間跨度所對應(yīng)開孔率的推薦值，在以后的潔凈室改造和建設(shè)中，還應(yīng)結(jié)合實際情況采用相應(yīng)的措施。
