CFD气流仿真模拟技术在洁净厂房项目中的应用

Part

1

(资料图片)

1.1

换气次数

送风房间的气流充满整个洁净室房间，稀释空气中的含尘浓度，并最终将污染空气排放至室外，保证室内空气品质。工程中房间换气次数是一个经验值。与房间的体积、层高、送风方式及室内压差要求密切相关［１］。ＧＢ　５００７３—２０１３《洁净厂房设计规范》、ＧＢ　５０４７２—２００８《电子工业洁净厂房设计规范》和ＩＳＯ１４６４４国际规范等对不同行业、不同洁净度等级的房间换气次数都有着具体要求，如表１所示［２－３］。

表１ ３本规范对不同洁净等级风量及换气次数要求

1.2

工作区截面的风速

工业洁净厂房洁净等级为１００级及更高级别的洁净室对洁净区单向流断面风速有着严格的要求。对于医药厂房Ａ 级洁净室单向流的断面风速，它是保证Ａ级洁净级别的重要参数。

1.3

气流组织

洁净室按气流组织主要有单向流、非单向流、辐流、混合流。对于百级或更高级别洁净室要求的洁净室气流组织必须为单向流，利用“活塞”般的挤压作用，迅速把室内污染物排出。

1.4

房间压差

为保证房间洁净度要求，洁净室维持一定的正压，防止室外空气进入洁净室。

1.5

温湿度

为防止静电的产生，电子洁净室厂房对洁净室温湿度有着严格的控制要求。在生物制药洁净室中，温湿度对产品工艺生产和细菌繁殖等有重要的影响。

1.6

自净时间

指在全室被污染的情况下，空气净化系统运行使室内空气颗粒浓度迅速下降到静态设计要求的范围内的时间。空气自净与洁净室的气流速度有很大的关系。垂直单向流洁净室的自净时间在３０～１２０ｓ左右［１］。

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2

气流组织形式要根据项目工艺生产对洁净度的要求而设计，保证送风能够均匀送到洁净室，充分发挥干净气流稀释作用，带走室内粉尘颗粒，减少灰尘对洁净室生产工艺的影响。在设计洁净室气流组织时要尽量避免和减少涡流的产生，避免工作区外污染物随气流带入工作区；控制洁净室内气流工作区风速，避免二次扬尘的产生，减少工艺生产的风险；合理布置送风口及回风口，使室内的污染空气能被有效地排出。不同洁净度等级的洁净室换气次数、送风量、气流组织要求也不同，要根据项目实际情况而定。

气流流型的设计应满足规范要求，根据ＧＢ５００７３—２０１３《洁净厂房设计规范》气流流型和送方式应满足表２要求。

表２　气流流型和送方式

空气洁净度为１～１００级时气流流型采用单向流，洁净度在１０００级及以下级别采用非单向流流型。

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3

3.1

设计阶段

正确地选择气流组织，可充分发挥干净空气的稀释作用，限制和减少灰尘对洁净房间操作区的污染。因此设计师在设计阶段要考虑气流组织的合理性，尽量减少涡流的产生，减少空气交叉污染的可能性。空气的状态又无法直观地看出。这就需要借助ＣＦＤ仿真模拟软件对空气气流状态进行模拟。ＣＦＤ可实现对洁净室内气流组织分布的有效预测，模拟室内气流组织如温度、风速、空气龄、室内静压等分布情况。设计师根据模拟情况对设计方案进行优化，具体流程如图１所示。

图１　ＣＦＤ在项目中的应用流程图

3.2

施工阶段

由于洁净室空间受限或投资成本受限，施工方在施工阶段会根据施工现场的实际情况对设计方案进行深化设计。存在更改气流组织方式、增减风口、改变风口安装位置等。导致洁净室气流组织较设计阶段发生改变。增大空气速度场的不均匀性，增加涡流区产生或扩大。增大洁净室气流交叉污染的风险。所以施工单位在深化设计阶段需要根据现场实际情况对深化方案进行模拟，验证方案可行性。

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4

4.1

项目概况

该项目为某集成电路研发厂房一期建设项目。占地面积为９４５０ｍ２，建筑面积为１９１８３ｍ２，建筑高度２２．４ｍ。光刻间空调系统原理见图２。为预测光刻间洁净室的气流流速分布情况，利用ＰＨＯＥＮＩＣＳ软件对光刻间进行ＣＦＤ 气流模拟，ＣＦＤ模拟模型见图３。模拟的光刻间面积为３８６．４ｍ２，下夹层高０．８ｍ，洁净区高３．３ｍ，上夹层４．５ｍ。洁净空调系统为ＭＡＵ（组合式新风机组）＋ＦＦＵ（风机过滤单元）＋ＤＣＣ（干盘管）的形式。新风经过ＭＡＵ处理到送风状态点再由ＦＦＵ过滤后送至房间，房间回风通过高架地板至回风夹道经ＤＣＣ冷却后进入静压箱，再由ＦＦＵ 过滤送至房间。保证房间温湿度控制要求。光刻间洁净度要求为１０级，设计温度为２３±２℃，相对湿度５０％±５％，设计压差＋３０Ｐａ。

图２　光刻间空调系统原理图

图３　ＣＦＤ模拟模型

4.2

CFD模拟条件

ＦＦＵ：１７５台、尺寸为１２００ｍｍ×１　２００ｍｍ、面风速０．４５ｍ／ｓ、单台送风量２０００ｍ３／ｈ。模拟区域洁净室总送风量３５００００ｍ３／ｈ。送风口送风温度２０℃。高架地板：尺寸６００ｍｍ×６００ｍｍ，开孔率２５％，总地板块数８６４块。墙面温度２３℃，地面温度２３℃。

4.3

结果分析

(１)如图４所示，整体气流组织较为均匀，ＦＦＵ送风口下的风速为０．４～０．５ｍ／ｓ，高架地板面风速为０．８～１．１ｍ／ｓ的范围内，整个洁净室空间的平均风速０．１８～０．４５ｍ／ｓ。整个洁净室为单向流，但由于设备会阻挡气流，在设备上方出现局部卡门涡街的现象。这种现象在洁净室中是不可避免的。在项目实施过程中送风口应错开设备正上方送风。

图４　设备截面处速度矢量图

(２）如图５、６所示，洁净室平均温度在２２．５～２３．５℃。仅设备周围局部区域出现２４～２５℃的情况，由于设备生产过程会产热，设备周围出现２４～２５℃的情况是正常现象。如图５所示，光刻间平均温度为２１．５～２３．５℃，下夹层及回风夹道平均温度为２３℃，上夹层平均温度为２０℃。

图５　设备截面处温度云图

图６　光刻间洁净室距高架地板１．０ｍ处温度云图

(３）如图７、８所示，因此整场气体流动较好，整个洁净室空间平均空气龄为１３～３８ｓ，光刻间自净时间在１ｍｉｎ以内。满足竖直单向流自净范围要求。

图７　光刻间流线图

图８　光刻间洁净室距高架地板１．０ｍ处空气龄云图

综上所述，整个光刻间流场较为均匀，温湿度满足设计要求，洁净室自净时间在１ｍｉｎ以内。

Part

5

(１）在气流组织实施方案过程中要形成单向气流路线，既能保证污染空气被及时排出洁净室，又能避免新鲜空气与回流空气发生交叉感染的情况出现。可借助ＣＦＤ模拟仿真技术对洁净室气流流场进行模拟，在项目施工前对气流线路进行预测。

(２）洁净室是一个动态的环境，人员的走动、机器的运行、开门关门等操作都会对洁净室的气流组织结构形成影响。在项目实施过程当中，充分考虑洁净室空间情况，合理地规划ＦＦＵ的布置、高架地板的开孔率及布置、送风口回风口等的布置位置，确保洁净室内不出现乱流、涡流、滞留、回流、扬尘等气流结构。利用计算机对洁净室气流组织方案进行温度、速度、可能产生的涡流区等进行气流模拟，验证洁净室气流方案可行性。

(３）在洁净室设计施工阶段详细了解生产工艺的洁净需求，维持洁净厂房的正常运转是非常耗能的，洁净等级越高洁净厂房能耗也越大。在洁净厂房设计阶段不能盲目追求高洁净，要结合生产工艺的实际需求，设备运行负荷，人员操作的空间，人员、设备、物料等可能携带的污染物情况等。避免系统运行造成的大量能耗及高成本初投资。

参考文献

［１］　许钟麟．空气洁净技术原理［Ｍ］．３版．北京：科学出版社，２００３：３５．

［２］　中国电子工程设计院．电子工业洁净厂房设计规范：ＧＢ　５０４７２—２００８［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２００８：２０．

［３］　中国电子工程设计院．洁净厂房设计规范：ＧＢ５００７３—２０１３［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２０１３：２１．

撰稿人 | 张梅、霍金鹏

责任编辑 | 胡静

审核人 | 何发

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