用CFD方法优化设计ISO5级(百级)洁净室
摘要： 由于ISO5级（百级）洁净室运行能耗较大，考虑到节能的必要性，本文利用计算流体动力学（CFD）方法对拟采用风机过滤器单元（FFU）洁净空调方案的ISO5级电子工业洁净室进行模拟，得出室内气流速度场，分析其性能，并通过理论公式计算所能达到的洁净度。我们认为结合洁净室的具体用途，通过合理布置末端FFU送风口位置及选择回风形式，以及选择较**别的末端过滤器，可以在满布率较低时达到较高的洁净度级别。利用CFD模拟技术可以为设计高效能的洁净室系统提供依据。 关键词：洁净室计算流体动力学风机过滤器单元满布率节能1 引言洁净室空调系统经典的方案是采用中央空调和三级过滤器集中送风，通过大型风道将已经处理的空气送至过滤器的接联管道，然后经高效空气过滤器（HEPA Filter）或者超高效空气过滤器（ULPA Filter）送到洁净室。而另一种方案是采用室内循环风就地冷却，利用干冷却盘管解决新风不能提供全部冷负荷的问题，同时利用风机过滤器单元来进行空气循环。每种方式各有一定的适用范围，风机过滤器单元（FFU）因其灵活性大,即可通过置换盲板来提高局部区域的洁净度、占用空间较少等优点得到越来越多的应用，尤其适合于旧厂房的改造及技术更新较快的工程。虽然FFU系统成本较高，而从综合投资角度，分析认为采用FFU方式在末端过滤器铺设率为25%－30%时较为有利【1】。ISO5级（百级）洁净室属于洁净室用暖通空调系统耗能大户，通常采用吊顶满布高效过滤器的送风方式，运行能耗较大。有关洁净室运行费用的文献指出，在某些欧洲国家，能源消耗的费用已占洁净室运行、维护年度总费用的65%～75%【2】，其主要影响因素是洁净室的空气流量和采暖通风空调系统如何有效地向洁净室分布经过净化和温湿度调节的空气，所以在保证洁净污染控制的条件下，合理选择送风速度，布置末端过滤器、回风口、减少送风量以便节能是人们关注的焦点。另外国外对一些ISO5级洁净室实测数据表明，大部分换气次数远低于建议的下限值【2】，而在设计中存在系统风量过大的倾向，这可能与对气流缺乏了解，担心系统运行可*性的保守思想有关，说明提高节省能源的机会确实存在。随着计算流体动力学（CFD）技术自身的发展，已广泛应用于暖通空调和洁净室等工程领域，通过计算机求解流体所遵循的控制方程，可以获得流动区域的流速、温度、浓度等物理量的详细分布情况，是一种较好的优化设计工具。其优势在于利用CFD技术对设计方案进行模拟可以在施工前发现失误并及时更正，避免经济损失；可以迅速发现提高系统运行效率的可能性；另外，通过模拟可以得到一系列运行的备选方案，以便在寻找*经济方案时有所依据。本文利用CFD软件，对拟采用FFU净化空调系统的某微电子洁净厂房的ISO5级洁净室进行计算机模拟，通过几个设计方案相比较，利用所得到的速度场，分析评价其性能，利用理论计算验证其平衡态的洁净度，并提出一些应用中的注意事项，为实际工程应用提供参考。2 数值模拟及分析2.1 数学模型从流动的雷诺数Re来考虑，洁净室的气流均为紊流【3】，空气的流动满足连续性方程，动量方程和能量方程。对于工程问题，我们不需要关心紊流的精细结构及其瞬时变化，而只关心紊流随机变量的有关平均值，因此，本文采用数值计算三类方法中雷诺时均方程中的紊流粘性系数法，流动模型采用暖通空调广泛采用的标准k-ε二方程模型，k-ε模型通过求解紊流动能与紊流动能耗散率的输运方程得到紊流粘性系数。控制方程的通用形式为【4】： 式中：ρ为空气密度(kg/m3)，V为气流速度矢量(m/s)，Γφ，eff为有效扩散系数(kg/ms)， Sφ是源项，Φ代表1，u, v, w,k,ε中的一项，u, v, w为三个方向的速度分量(m/s)，k为紊流动能(m2/s2)，ε为紊流动能耗散率(m2/s3)，Φ=1时通用方程变为连续性方程。边界条件：墙体边界设为无滑移边界条件。送风边界条件，送风速度取过滤器面风速平均值，速度方向竖直向下。回风边界条件，回风口满足充分发展段紊流出口模型。由于室内热负荷较小，不考虑温度浮升效应对气流的影响。采用混合迎风差分格式对偏微分方程进行离散，基于有限容积法的SIMPLEST算法进行求解。