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百级洁净室地板回风口最佳开孔率的研究
一、引言
100级的洁净工业厂房或制药厂房普遍采用单向流洁净室以创造洁净环境。流线平行度作为单向流洁净室的三项特性指标之一，在很大程度上反映了洁净室可以达到的洁净效果。单向流洁净室最理想的情况是流线平行，其作用是保证尘源散发的尘粒不作垂直于流向的传播。如果这种传播在允许范围内，则流线稍有倾斜也是许可的，这样，对于单向流洁净室就有一个允许的流线平行度，按流线平行度的要求，国内一般规定气流偏向角小于或等于25度，而IEST规定不超过14度。本文将要讨论的类型为顶棚满布高效过滤器送风，全地板格栅回风的洁净室，地板格栅回风口的开孔率直接影响着气流平行度，开孔率过大，气流平行度不好，而开孔率过小，阻力很大，孔口处的风速过大，进而引起噪声，耗费能用。ASHRAE规定为避免噪声过大，风速应小于5m/s，在本文讨论的几种工况下（送风速度为0.25m/s，地板开孔率为0.1,0.2,0.3和0.4）孔口速度都满足此条件，所以此处不必考虑噪声的问题。因此本文综合考虑气流平行度、经济性因素，在数值模拟的基础上，结合实测值，给出了不同洁净房间跨度对应的地板回风口开孔率的推荐值，为单向流洁净室的设计和建设提供参考。
二、物理模型
本文以长25m，净高2.8m，跨度分别为6,12,18和24m的4种垂直单向流洁净室为物理模型，采用顶棚满布高效过滤器送风，全地板格栅回风的送回风方式，地板回风静压箱高度为1m。由于本文只对各种房间跨度的空态情况进行研究，所以没有考虑洁净室内的设备和人员问题。下图是跨度为6m的洁净室。
三、数学模型及边界条件
本文采用室内零方程模型，对该类洁净室的空态情况进行了研究。在给出数学模型之前，笔者对所给的物理模型先作适当的简化和假设；
1、室内气流为不可压缩常物性牛顿流体，稳态流动，并忽略质量力。
2、室内无内热源，且围护结构绝热，不考虑能量的变化和影响。
有了以上的假设以后，本文所使用的数学模型可由以下两个方程组成：
连续性方程
动量方程
边界条件为：送风速度取0.25m/s，回风口和出风口设置为自由出流。
四、数值模拟的结果和分析
笔者对4种工况下的垂直单向流洁净室进行了模拟，并研究了其流线图及工作区（地面以上1-1.5m的区域）的平均气流偏向角，模拟结果见图2-5.
1、跨度为6m的洁净室模拟结果与分析
由图2可以看出，跨度为6m的洁净室在4种工况下的流线相差不大，地板格栅回风口以上的区域气流偏向角普遍较小，由表1也可以看出工作区的平均气流偏向角都小于14度，即4种工况都满足国内标准和IEST标准，综合考虑经济问题，笔者认为两种标准跨度为6m的洁净室开孔率推荐值都为0.4.
2、跨度为12m的洁净室模拟结果与分析
由图3可见，室内流线随着地板开孔率的增大，其倾斜程度明显增加，即气流偏向角不断增大。当开孔率为0.1和0.2时，地板格栅回风口以上的区域气流偏向角普遍较小。当开孔率为0.3和0.4时，房间下部有些气流偏向角甚至高达40度左右，由于主要考虑工作区的气流偏向角，故由表2可见，4种工况仍能满足IEST和国内规范，综合考虑经济问题，笔者认为跨度为12m的洁净室开孔率推荐值仍为0.4。
3、跨度为18m的洁净室模拟结果与分析
由图4可见，随着室内流线随着地板开孔率的增大，其倾斜程度很明显增加，即气流偏向角不断增大。当开孔率为0.1时，工作区的气流偏向角很小，满足IEST和国内规范的要求。当开孔率增大为0.2,0.3和0.4时，室内气流偏向角明显增大，部分区域甚至高达60度，超出了两种规范的要求，但是只考虑工作区的气流偏向角，由表3可见，只有开孔率为0.1的工况满足IEST的要求，而开孔率为0.1,0.2,0.3的工况都符合国内规范，考虑到经济因素，认为按照国内标准，0.3是跨度为18m的洁净室的开孔率推荐值。
4、跨度为24m的洁净室模拟结果与分析
由图5可见，随着室内流线随着地板开孔率的增大其倾斜程度增加的非常明显，即气流偏向角不断增大。当开孔率为0.1时，工作区的平均气流偏向角只有10.8度，满足两种规范的要求。但当开孔率增大为0.2,0.3和0.4时，室内气流偏向角明显增大，部分区域高达70度，工作区的气流偏向角也都超出了规范的要求。故0.1是两种标准下跨度为24m的洁净室的开孔率推荐值。
5、不同跨度下工作区平均气流偏向角与地板格栅开孔率的关系
从图6可以看出，气流偏向角会受到房间跨度和地板回风口开孔率两方面的影响，当其中一个固定，另一个增大时，气流偏向角会随之增大，并且房间跨度或地板回风口开孔率越大，这种增加的区域越明显。
对于既有的跨度较大的洁净室，若对地板格栅进行改造，可以根据具体情况提高局部孔板回风口的开孔率以节省人力和资金。此外，由于跨度为24m的洁净室地板回风口采用满布情况会耗费资金，故从节省投资的角度看，可以采用分散布置孔板回风口，适当提高格栅开孔率的方法来减小气流偏向角，以达到同样好的洁净效果。如果条件允许，也可以在房间中部增加一条回风通道，变相的缩短房间跨度，进而使地板格栅的开孔率增大，从长远考虑，可以在保证较好洁净度的基础上节省能耗。
五、实验验证
2006年7月，对跨度为24m的某百级电子洁净厂房进行了现场测试和数值模拟，实测中以3m为间距在距地1.5m高度均匀布点，利用泗县逐点测出各测点的丝线飘动角度，即量出各测点的气流偏向角，模拟结果和实测数据吻合良好，由于模型简化和丝线重力等原因可能造成模拟结果和实测数据之间存在某些差异，但基本无太大影响。从气流偏向角的模拟值和实测值看，气流偏向角普遍偏大，在8-85度之间，有些甚至接近90度，严重影响了电子产品的合格率，故需对其气流组织进行优化改善。由于房间跨度较大，所以该洁净室原方案采取分散布置孔板回风口的方法，回风口位置的不合理也可能会导致气流平行度较差，但是笔者通过模拟发现，单纯调整回风口的位置对局部流线的偏向角能够起到一定的作用，但从总体效果看，不能根本改善气流偏移的现状，这种改善方法只能起到微调作用，可以作为气体改善方法的补充。根据考察，此洁净室的地板回风口开孔率为0,4，阻力很小，造成回风静压箱内压力分布不均，使得各回风口回风量的差异很大，故气流偏向角过大的原因主要在于是回风口阻力过小，本文主要讨论通过增大回风口阻力来改善室内气流偏向角，该方法虽然能够有效减小气流偏向角，但是如果全面增大回风口阻力将使改造量较大，根据现场实测的结果是，只是距回风夹墙较近的5m区域内，回风口内外静压箱较大，因此，从减少改造工作量的角度，可以在局部增大回风口的阻力。
根据第3.4节中提到的跨度为24m洁净室地板回风口满布时推荐开孔率为0.1，从节省投资的角度看，可以根据具体情况适度提高局部孔板回风口的开孔率来减小气流偏向角，以达到较好的洁净效果。所以在数值模拟中，笔者将距两侧回风夹墙5m内的回风扣的开孔率设定为0.15，模拟结果显示增大局部阻力后气流偏向角明显减小，能满足规范的要求，在现场以数值模拟结果为指导，对孔板开孔率进行了调整，经过现场实测发现各点偏向角平均值从51度降低到19度。改善前后的模拟结果和实测值见图7.
通风队格栅开孔率进行局部调整，气流偏向角明显减小，改善前后气流偏向角的对比结果如表5所示。从计算看，气流偏向角超过25度的测点由60%下降到8.8%，气流偏向角的平均值减小到14度，基本能够满足使用要求。
六、结论
1、用CFD方法对不同跨度百级洁净室在不同地板回风口开孔率情况下的流场进行模拟分析，可以有效的预测洁净室内流场的分布情况，从而得出百级洁净室地板回风口的推荐开孔率，为以后百级洁净室的设计和建设提供可供参考的建议。不同跨度的百级洁净室所对应的地板回风口最佳开孔率如表6所示。
2、从每一种工况下的流线图都可以看出流程具有以下特点：流场两侧边缘处流线和中心地带流线近似垂直，而在1/4室宽处最先出现弯曲流线，从此向两侧流线垂直单向性越来越好。
3、气流偏向角会受到房间跨度和地板回风口开孔率两方面因素的影响，当其中一个固定，另一个增大时，气流偏向角会随之增大，并且房间跨度或地板回风口开孔率越大，这种增加的趋势越明显。
4、本文只是通过数值模拟给出不同房间跨度所对应开孔率的推荐值，在以后的洁净室改造和建设中，还应结合实际情况采用相应的措施。
原文来源：无尘无菌洁净室专家 微信号：rfilter http://www.iwuchen.com/
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