垂直单向流洁净室高架地板布置研究_王妍.pdf

建筑行业节能1NO.05 2023节能 ENERGY CONSERVATION垂直单向流洁净室高架地板布置研究王妍（中国电子工程设计院有限公司，北京 100142）摘要：为了探究垂直单向流洁净室高架地板最优布置规则，建立典型垂直单向流洁净室数值计算模型，以高架地板布置形式为影响因子，设置6种计算工况，通过现场实测验证模型的准确性。结果显示：洁净室内气流组织受高架地板布置影响，风机过滤机组（FFU）下方0.62 m以下区域，不同布置形式下工作面最大气流偏移角相差10.9倍、速度不均匀度相差2.9倍。通过对比分析提出垂直单向流洁净室高架地板布置建议，为垂直单向流洁净室在设计和运维过程中的气流组织优化提供参考。关键词：垂直单向流洁净室；高架地板布置；气流偏移角；速度不均匀度中图分类号：TB126 文献标识码：A 文章编号：1004-7948（2023）05-0001-04 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.001Research on layout of raised-floor in the vertical unidirectional airflow cleanroomWANG YanAbstract：In order to explore the optimal layout rules of raised-floor in the vertical unidirectional airflow cleanroom,a CFD numerical model of the typical vertical unidirectional airflow cleanroom was established.Six calculation conditions were set with raised-floor layout forms as the influence factors,which was validated by test.The results show that the air distribution is affected by the raised-floor layout in the clean room.In the area of 0.62 m below the FFU,with different layout forms of raised-floor,the maximum airflow offset angle varies by 10.9 times and the velocity non-uniformity varies by 2.9 times in the working face.Through comparison and analysis,the layout suggestions of raised-floor in the vertical unidirectional airflow cleanroom is proposed,which provides a reference for the optimization of air distribution in the design,operation and maintenance of the vertical unidirectional airflow cleanroom.Key words:vertical unidirectional airflow cleanroom;layout of raised-floor;airflow offset angle;velocity non-uniformity引言随着电子制造技术的进步，器件尺寸缩小到纳米级，电子制造工对进入亚微米区域的粒子污染的敏感性增加，工艺需求对洁净环境提出了更高要求。垂直单向流洁净室依靠平行气流的“活塞”作用将污染物快速排出，为生产工艺提供“高洁净”甚至“超洁净”环境保障。气流的均匀性是垂直单向流污染物控制的重要保障和前提条件，相关技术文件1-2对此作出了明确规定，要求速度不均匀度不大于0.25，气流偏移规定方向的夹角（气流偏移角）不大于14。目前，关于垂直单向流洁净室气流均匀性的研究主要集中于洁净室气流组织形式、风机过滤机组(FFU)布置率、FFU风速3-5等，有关高架地板布置对气流均匀性影响的研究较少。Cheng6等采用数值计算的方法研究发现，改变高架地板开孔率分布是改善洁净室内气流均匀性最有效、最节约的方法。Khoo7等对不同换气次数和高架地板开孔率下洁净室内颗粒物的浓度进行测试，洁净室换气次数和高架地板开孔率均对室内颗粒物浓度产生重要影响，且高架地板开孔率应作为降低室内悬浮粒子浓度的首要考虑因素。对于应如何布置高架地板以优化气流均匀性、控制污染物扩散、提升产品良率，目前仍缺乏相关的技术资料。以高架地板布置形式为影响因子，建立典型电子厂房垂直单向流洁净室CFD计算模型，通过分析6种高架地板布置形式下洁净室流场，提出垂直单向流洁净室高架地板布置规则，为洁净室的设计和运维提供合理化建议。1数值方法1.1几何模型基于苏州某实验室建立几何模型，计算区域包括洁净室、上技术夹层、下技术夹层、回风夹道、高架地板、干式冷却盘管(DCC)、FFU（满布）。实验室几何模型如作者简介：王妍（1988），女，硕士，工程师，研究方向为洁净保障技术。收稿日期：2023-01-25引用本文：王妍.垂直单向流洁净室高架地板布置研究 J.节能，2023，42（5）：1-4.建筑行业节能2节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 2023图1所示。模型各部件尺寸如表1所示。1.2计算方法假设流体为稳态不可压缩流体，采用标准壁面函数及SIMPLE算法，建立Realizable k-模型湍流方程，该模型已被验证适用范围广泛。湍动能k和耗散率方程分别为：t(k)+xj(kuj)=xj|(+tk)kxj|+Gk+Gb-+YM+Sk(1)t()+xj(uj)=xj|(+t)xj|+C1S-C2k+C1kC3Gb+S(2)C1=max|0.43,+5|(3)=Sk(4)S=2SijSij(5)式中：流体动力粘度，Pa s；t湍流粘度，kg/(m s)；Gk由平均速度梯度产生的湍流动能，kg/(m s3)；Gb由浮力产生的湍流动能，kg/(m s3)；流体密度，kg/m3；YM可压缩湍流中的波动膨胀对总体耗散率的贡献，kg/(m s3)；Sk、S用户自定义源项，kg/(m s3)；C2、C1常数；k、k和的紊流普朗特数。1.3边界条件FFU送风口设置为速度入口，大小为0.45 m/s。高架地板采用多孔跳跃边界条件8。开孔率17%和25%的高架地板局部阻力系数根据厂商提供的样本设置，开孔率为17%和25%的高架地板P-Q曲线如图2所示。带调节阀的高架地板局部阻力系数被认为可以任意调节，将高架地板沿垂直于回风夹道方向分成13列，每列开孔率相同。洁净室高架地板划分方式如图3所示。洁净室高架地板局部阻力系数如图4所示。DCC采用多孔跳跃边界条件计算，局部阻力系数为189。2工况设置各工况高架地板布置形式如图5所示。以地板布置形式为影响因子，建立6种仿真工况。工况设置如表2所示。图3洁净室高架地板划分方式图4洁净室高架地板局部阻力系数（a）开孔率17%（b）开孔率25%图2开孔率为17%和25%的高架地板P-Q曲线表1模型各部件尺寸编号12345678部件名称洁净室上技术夹层下技术夹层回风夹道1回风夹道2高架地板DCCFFU尺寸/(mmm)7.806.003.627.806.002.587.86.00.60.726.006.800.996.006.800.60.61.01.40.61.2数量11111130865图1实验室几何模型建筑行业节能3NO.05 2023节能 ENERGY CONSERVATION高架地板布置形式1布置形式3均采用7列开孔率25%和6列开孔率17%的高架地板。布置形式1以两种开孔率的高架地板交错布置；布置形式2将开孔率较大的高架地板布置在靠近回风夹道位置；布置形式3将开孔率较小的高架地板布置在靠近回风夹道位置；布置形式4采用带调节阀的高架地板，局部阻力系数随距回风夹道的距离增大而减小，开孔率随距回风夹道距离增大而增大；布置形式5、布置形式6均只采用1种开孔率高架地板满布，开孔率分别为25%和17%。3模型可靠性验证为了验证计算模型的可靠性，在洁净室中采用美国ShortridgeADM-870C 气 象 数 据 万 用 表（精 度 3%，7 fpm）对工作面（1.2 m高度）竖直方向速度分量进行测试。工作面速度采样点布置如图6所示。测试工况为FFU满布、断面平均速度0.45 m/s，高架地板布置同工况A。仿真相对误差如图7所示。24个采样点的相对误差均控制在15%以内，且大部分采样点相对误差小于10%，因此认为仿真模型计算结果可靠。4计算结果分析4.1流场流线平行度各工况洁净室内z=3 m截面的流场流线如图8所示。工况A工况F工作面最大气流偏移角对比如图9所示。（1）受回风夹道影响，各工况洁净室内气流向回风夹道方向发生偏移，且越靠近高架地板偏移越显著。（2）6种工况中，只有工况C、工况D工作面最大气流偏移角满足规定，其余均大于14；其中工况B偏移角图8各工况洁净室内z=3 m截面的流场流线图5各工况高架地板布置形式表2工况设置工况编号工况A工况B工况C工况D工况E工况F高架地板布置形式123456高架地板开孔率/%17、2517、2517、25可调节2517图6工作面速度采样点布置图7仿真相对误差图9工况A工况F工作面最大气流偏移角对比建筑行业节能4节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 2023最大，是最小工况D的10.9倍。（3）工况A工况D洁净室采用不同开孔率高架地板进行布置。工况C、工况D将开孔率小、局部阻力系数大的高架地板布置在靠近回风夹道位置，其工作面最大气流偏移角较小，流线平行度优于两种开孔率交错布置的工况A以及将开孔率较大、局部阻力系数较小的高架地板布置在靠近回风夹道位置的工况B。（4）工况E、工况F仅采用一种开孔率布置，工况F采用开孔率较小的高架地板，其工作面最大气流偏移角较小，是工况E最大气流偏移角的0.4倍。（5）与采用固定开孔率高架地板布置的工况A、工况B、工况C、工况E、工况F相比，工况D采用带调节的高架地板，工作面最大气流偏移角较小，分别是工况A的0.270倍、工况B的0.092倍、工况C的0.420倍、工况E的0.110倍、工况F的0.270倍。4.2流场速度不均匀度速度不均匀度能够表征速度场离散或集中的程度，工况A工况F速度不均匀度曲线如图10所示。（1）各工况速度不均匀度沿洁净室高度方向逐渐降低；以FFU下方0.62 m（高度3 m）为界，其上方各工况速度不均匀度几乎一致，下方区域受高架地板开孔率影响，速度不均匀度呈现显著差异，在0.5 m高度处，工况B的速度不均匀度是工况D的4.1倍。（2）各工况工作面(1.2 m)速度不均匀度均小于0.25，但受高架地板布置影响，速度不均匀度最大工况B是最小工况D的2.9倍。（3）对比工况A工况D可，工况C、工况D将开孔率较小的高架地板布置于靠近回风夹道位置，其工作面速度不均匀度较小。（4）对比工况E、工况F，仅采用一种开孔率高架地板布置时，开孔率较小的高架地板工作面速度不均匀度较小，工况F工作面速度不均匀度仅是工况E的0.48倍。（5）采用带调节阀的高架地板布置时，通过合理调节高架地板阻力系数可以进一步降低工作面速度不均匀度，工况D工作面速度不均匀度仅是采用固定开孔率工况A的0.82倍、工况B的0.35倍、工况C的0.95倍、工况E的0.38倍、工况F的0.80倍。5结语以苏州某实验室为例，建立全尺寸数值计算模型，对洁净室进行现场实测与模型验证。对比分析6种高架地板布置形式下的气流平行度和速度