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淺談潔凈室設計中的氣流建模技術
閱讀：3150發(fā)布時間：2017-1-6
潔凈室包括小到的微型潔凈環(huán)境，大到大型的生產廠房,，它們的外形和大小不同,，有很多種，在各個行業(yè)中得到了廣泛的應用,。例如,，在醫(yī)藥、半導體等行業(yè),，都需要使用潔凈室,。
首先，在制藥和其他與人體健康相關的產業(yè)里,，經營一個清潔的工作環(huán)境,，需要花費很高的成本(資金和運行時間)，也只有這樣,，才能生產出高質量,、無污染的產品，保護從事這些工作的人員的安全,，并得到FDA等監(jiān)管機構的認可,。
其次，機械通風設計對于整個系統(tǒng)能否達到標準的要求,，作用極其重要?，F(xiàn)在，我們往往是根據過去得到的數據來確定什么是*的通風設計原則,，而這些數據往往是錯的,。這些在產業(yè)里的*的企業(yè)，傾向于擁有自己的機械專業(yè)知識,，用它們來檢查任何提出來的設計,。他們傾向于關注zui終結果，而在zui后同意之前,，會進一步檢查zui初的設想,。
為什么要這樣做呢?因為潔凈室的性能取決于氣流、污染源和熱源,、空氣進氣口和排氣口以及在這些空間里的物體的位置等等之間的相互影響,，而它們之間的相互影響是很復雜的。因此,，一旦上述任何一個因素發(fā)生了改變，都會對結果產生影響,，因而根據經驗而做出的假設不能成立,。
在理想情況下，必須考慮以下問題：
在建筑之前或者在制作大型模型之前，預先估計潔凈環(huán)境的性能;
能夠改變房間的布置,，并且要了解這些變化所帶來的實際影響;
每小時換氣次數達到僅僅夠用的空氣量(節(jié)約能量)來滿足這些必要條件;
在盡可能zui短的時間內完成上述這些工作,。
總之，zui重要的是,，必須以zui低的成本做到上面的這幾點,。
達到上述要求的*的科學方法，就是用數值計算的方法來解決問題的物理關系,，這種方法稱作計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics,，CFD)。在機械通風設計界里,，一般把它們稱為氣流建模技術,。
為了說明在完成設計之前，這些方法對于弄清楚設計特征的強大作用,，我們將考察幾個不同的應用實例,。這樣做的目的是為了說明在建造潔凈室和進行測試之前，是無法預先知道這些復雜的氣流是什么樣的,。
CFD技術是什么?
CFD技術就是數值建模技術,，通常用于解決發(fā)生在所有實際環(huán)境里的復雜氣流和熱傳導的物理關系。流體流動,、熱傳導和相關過程的物理關系都包含在大家所熟知的Navier-Stokes方程式里：
其中,，很可惜，*能夠解決所有現(xiàn)實生活環(huán)境中這組看似無害的數學方程式的方法,，就是使用CFD的數值方法,。在上世紀六十年代末，核子工業(yè)和航空航天業(yè)投入了CFD軟件項目的開發(fā),。但是,，由于這些代碼非常復雜，并且需要大量的計算機處理能力,，所以,，它們的用途也就限制在*幾家zui大的公司的研發(fā)部門里。然而,，隨著處理能力很強,，但價錢低廉的計算機和用于具體產業(yè)的CFD軟件的出現(xiàn)，現(xiàn)在,，在迅速發(fā)展的工程設計領域也可以使用這些技術了,。
早在1988年，F(xiàn)lomerics公司就已經把這種需求視為行業(yè)的焦點,，并且針對機械工程師為已經建成的環(huán)境設計通風系統(tǒng)的需要,，開發(fā)了FLOVENT CFD軟件,，用于氣流建模;隨后，成立了FLOVENT建模服務事業(yè)部,，它的*工作就是為建筑行業(yè)提供培訓和咨詢服務,，這個軟件得到了更多的支持。
它是如何工作的?
在氣流建模中,，把幾萬個甚至幾十萬個單元格(它們描述熱,、污染源和空氣本身的物理幾何學)疊加起來，用這個辦法來求解Navier Stokes方程式,。一個典型的研究實驗室,，通過對這個實驗室的空間進行離散化，把實驗室分為幾萬個或者幾十萬個單元,。
這些單元中的每一個,，都可以得到一組方程式，并且用遞推的方法求解,，所得到的解滿足能量守恒和質量守恒定律,。結果是，我們能夠畫出這個房間任何一部分氣流的流動圖,。同時,，根據其他參數，例如溫度,，給空氣標出顏色,。
在這個設計里，使用全空氣散流器(Total Air Diffuser),，目的是在送風散流器處產生低速氣流,，把實驗室里的空氣送至排氣罩。由送風口送來的是繪成藍色的低速氣流,。隨著氣流速度的提高,，空氣的顏色從藍色變成綠色，再變成黃色,，zui后變成紅色,。紅色表示氣流的速度大于0.5m/s(它表示該設計的格柵打開時的平均速度)。當然,，從散流器吹來的冷風不會撞到實驗室通風罩打開的格柵上,，而是落到了地面。新風百頁風口吹來的暖風從排氣罩前飄過,，破壞了對空氣傳播的遏制,。圖4通過把發(fā)煙源放在一個虛構的盒子的表面，(這個盒子距離實驗室的格柵外面大約一英尺遠),，可以顯示從實驗室排氣罩前流過的干擾氣流,。它不是把可能已經污染了的氣流送到排氣罩里,，而是用從新風百頁風口送過來的交叉氣流，把整個實驗室都清掃干凈,。
當我們把送風散流器移到排氣罩的另一側時，就可以清楚地觀察到設計中微小變化所產生的影響,。兩股進來的氣流現(xiàn)在融合在一起,，結果是，在排氣罩外面的空氣幾乎*被實驗室的排氣罩重新帶走,。
當然,，不但房間的配置會影響空氣的流動，而且,，整個建筑物的結構也會影響空氣的流動,。特別是，送風靜壓箱,、回風空間和風道豎井都對氣流有相當明顯的影響,。
使用氣流建模有以下三個主要好處：
如果能夠預先發(fā)現(xiàn)設計可能存在的缺陷，就可以在廠房施工之
對結構進行修改,。
對于運行中的潔凈室,，應當能夠迅速有效地發(fā)現(xiàn)可以改善性能的地方。
要能夠建立潔凈室在各種情況下的模型,，其中包括計劃中的和運行中的潔凈室,，這樣，就可以非常有信心地選出有效的方案,。
個案研究舉例
在很大程度上,，傳統(tǒng)半導體產品的生產方法，是使用一個能夠容納大型的半導體制造系統(tǒng)的大空間,。這種方法用一個通風天花板(它們一般是由HEPA過濾器組成)經由一個靜壓箱(或一組靜壓箱)把風送入大空間,，想把空氣設計成向下的單向流(它通常被不正確地稱作層流，其實應該是紊流),。然后氣流經過架空的地板格柵,，進入地板靜壓箱，通過這里,，它再經過狹窄的回風豎井,，送回至空調箱。在這些地板和天花板的靜壓箱里分配空氣,，本身就是一個關鍵問題,，但是，在這些例子中,，我們把注意力集中在潔凈室的本身,。
無論是什么方案,，我們都可以通過氣流建模來預先了解它的性能。
圖7是在一個大空間里的層流氣流(laminar airflow,，LAF),，除非那個位置因為距離設備很近而存在干擾(例如，油漆房里的氣流),。五件大型設備中的任何一件都是由三個部件組成：進料器(可以把它看成高的柱子),、光刻機(把它識別為白色立方體)和軌道(它有一個白色的較低的區(qū)域和一個黑色的較高的區(qū)域)。近距離地看看光刻機和軌道之間的區(qū)域
可以看到,，這些設備會產生令人討厭的空氣環(huán)流,。在這個例子中，這就是在工藝流程之間機械手臂等待芯片的地方,。
這種類型的局部環(huán)境,，對于整個大空間里的半導體制造來講，可能是非常重要的,，因為,，它有可能會導致成品率的損失。在距離設備較近的地方,，氣流對空氣質量的影響很大,。意法半導體(ST Microelectronics)公司所提供的這個例子說明了改變局部排風氣流速度與格柵長度的效果?？諝馔ㄟ^安裝在設備頂部天花板的HEPA過濾器送入房間,。其目的是提供向下的氣流，防止化學藥品從清洗槽散布到空氣中并到處沉積,。從工作表面上方的長形工作臺后面吸取空氣,，局部地消除了所有蒸發(fā)的化學藥品，而其余的補充進來的空氣,，則在設備的下面再次流到后面的灰色區(qū)域,。
顯示了化學藥品清洗槽上面的氣流。原來的結構把濃縮液從化學藥品清洗槽帶過臺面的上方,。
從右上角的小圖可以很明顯地看到,，當再次循環(huán)流通時，受到污染的空氣會穿過后面的灰色區(qū)域,，在格柵后面循環(huán)時也可以看到受到污染的空氣,。結果是，化學藥品變成很細的粉塵沉積在設備上,。通過修改從后面的化學藥品清洗槽吸出氣流的速度和調整格柵的長度,，就可以把化學制品的沉積數量減少到不明顯的水平(圖10)。
實際的設置需要優(yōu)化結構,，讓它能夠方便地用氣流模型來試驗,。
在制藥行業(yè)的生產過程中,，控制氣流的類型是極其重要的。在這些例子中,，我們看到沒有精心設計的氣流狀態(tài)對于產品來說存在很大的風險,。這些產品不能被其他物質污染，哪怕一丁點都不行,。
藥水瓶注裝室
根據HEPA過濾器布置圖和排氣格柵布置圖的效果,，力爭把房間里的向上的氣流降到zui小。按照氣流的垂直速度標出顏色,，可以看到氣流的情況。這可以使氣流在房間內均勻流動(層流),，然后,，再設計更好的通風。為了提供無菌環(huán)境,，在關鍵的操作區(qū)域,，從上方用HEPA過濾器通風。在注裝機的上方和層流罩的里面,，通過高區(qū)的回風口把空氣從房間里吸出去,。然后，通過HEPA過濾器過濾空氣,，再次補充給房間,。剩余的HEPA過濾器，則由主廠房提供,，抽取房間低區(qū)里的回風,。其他工藝區(qū)(例如：高壓滅菌器和烤爐，設在zui靠近觀察器的長墻)并沒有*覆蓋HEPA過濾器,，因此,，會對氣流的不均勻更加敏感。
這個例子的研究文件顯示了的優(yōu)化部分,?？梢钥吹贸鰜恚谥饕膶恿鲄^(qū)域內,，裝有新的注裝機的現(xiàn)有結構性能很好,。然而，有幾個關于氣流的特性比理想值要小,。
顯示了流經主要層流板的空氣,。在這張圖片里，流經層流罩的空氣碰到地板,，并向上折回到LAF自身里,，在向上流動之前,，先經過了高壓滅菌器和烤爐前面的空間。
這張圖片不夠清楚的地方,，是臨近注裝機的柱子后面的向上氣流,，或者到達注裝機上面的高區(qū)回風口的向上氣流。它們都是潛在的與向下氣流相反的紊流擴散的來源,。
重新設計是一個不斷反復進行的過程,，它包括檢查氣流的性質和使用工程判斷來修改結構，以解決已經認識到的問題,。在這個例子中,，消除了高區(qū)回風口，并且重新設計了房間開放部分的HEPA過濾器布置圖,。按照預想的結果,，取消了高區(qū)回風口后，向上的氣流量減少了,，同時把HEPA過濾器放在距離高壓滅菌器和烤爐更近的地方以保護它們,。臨近注裝線，有選擇性的放置風口,，也能夠減少非層流的風險,。
同樣的，一個能在LAF中減少向上的氣流的辦法是要在低于LAF的房間拐角處安排局部排氣,。
這樣就可以減少橫穿地板向注裝線流動的空氣量,，從而減少那里的向上的氣流。
結論
許多工廠的工程師認為,，經過了重大改進后的多種類型的潔凈室結構,，不會影響正常的生產過程。工廠的操作人員和設計人員可以通過這項技術,，非常容易地提高整個環(huán)境的清潔度,。
首先，在制藥和其他與人體健康相關的產業(yè)里,，經營一個清潔的工作環(huán)境,，需要花費很高的成本(資金和運行時間)，也只有這樣,，才能生產出高質量,、無污染的產品，保護從事這些工作的人員的安全,，并得到FDA等監(jiān)管機構的認可,。
其次，機械通風設計對于整個系統(tǒng)能否達到標準的要求,，作用極其重要?，F(xiàn)在，我們往往是根據過去得到的數據來確定什么是*的通風設計原則,，而這些數據往往是錯的,。這些在產業(yè)里的*的企業(yè)，傾向于擁有自己的機械專業(yè)知識,，用它們來檢查任何提出來的設計,。他們傾向于關注zui終結果，而在zui后同意之前,，會進一步檢查zui初的設想,。
為什么要這樣做呢?因為潔凈室的性能取決于氣流、污染源和熱源,、空氣進氣口和排氣口以及在這些空間里的物體的位置等等之間的相互影響,，而它們之間的相互影響是很復雜的。因此,，一旦上述任何一個因素發(fā)生了改變，都會對結果產生影響,，因而根據經驗而做出的假設不能成立,。
在理想情況下，必須考慮以下問題：
在建筑之前或者在制作大型模型之前，預先估計潔凈環(huán)境的性能;
能夠改變房間的布置,，并且要了解這些變化所帶來的實際影響;
每小時換氣次數達到僅僅夠用的空氣量(節(jié)約能量)來滿足這些必要條件;
在盡可能zui短的時間內完成上述這些工作,。
總之，zui重要的是,，必須以zui低的成本做到上面的這幾點,。
達到上述要求的*的科學方法，就是用數值計算的方法來解決問題的物理關系,，這種方法稱作計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics,，CFD)。在機械通風設計界里,，一般把它們稱為氣流建模技術,。
為了說明在完成設計之前，這些方法對于弄清楚設計特征的強大作用,，我們將考察幾個不同的應用實例,。這樣做的目的是為了說明在建造潔凈室和進行測試之前，是無法預先知道這些復雜的氣流是什么樣的,。
CFD技術是什么?
CFD技術就是數值建模技術,，通常用于解決發(fā)生在所有實際環(huán)境里的復雜氣流和熱傳導的物理關系。流體流動,、熱傳導和相關過程的物理關系都包含在大家所熟知的Navier-Stokes方程式里：
其中,，很可惜，*能夠解決所有現(xiàn)實生活環(huán)境中這組看似無害的數學方程式的方法,，就是使用CFD的數值方法,。在上世紀六十年代末，核子工業(yè)和航空航天業(yè)投入了CFD軟件項目的開發(fā),。但是,，由于這些代碼非常復雜，并且需要大量的計算機處理能力,，所以,，它們的用途也就限制在*幾家zui大的公司的研發(fā)部門里。然而,，隨著處理能力很強,，但價錢低廉的計算機和用于具體產業(yè)的CFD軟件的出現(xiàn)，現(xiàn)在,，在迅速發(fā)展的工程設計領域也可以使用這些技術了,。
早在1988年，F(xiàn)lomerics公司就已經把這種需求視為行業(yè)的焦點,，并且針對機械工程師為已經建成的環(huán)境設計通風系統(tǒng)的需要,，開發(fā)了FLOVENT CFD軟件,，用于氣流建模;隨后，成立了FLOVENT建模服務事業(yè)部,，它的*工作就是為建筑行業(yè)提供培訓和咨詢服務,，這個軟件得到了更多的支持。
它是如何工作的?
在氣流建模中,，把幾萬個甚至幾十萬個單元格(它們描述熱,、污染源和空氣本身的物理幾何學)疊加起來，用這個辦法來求解Navier Stokes方程式,。一個典型的研究實驗室,，通過對這個實驗室的空間進行離散化，把實驗室分為幾萬個或者幾十萬個單元,。
這些單元中的每一個,，都可以得到一組方程式，并且用遞推的方法求解,，所得到的解滿足能量守恒和質量守恒定律,。結果是，我們能夠畫出這個房間任何一部分氣流的流動圖,。同時,，根據其他參數，例如溫度,，給空氣標出顏色,。
在這個設計里，使用全空氣散流器(Total Air Diffuser),，目的是在送風散流器處產生低速氣流,，把實驗室里的空氣送至排氣罩。由送風口送來的是繪成藍色的低速氣流,。隨著氣流速度的提高,，空氣的顏色從藍色變成綠色，再變成黃色,，zui后變成紅色,。紅色表示氣流的速度大于0.5m/s(它表示該設計的格柵打開時的平均速度)。當然,，從散流器吹來的冷風不會撞到實驗室通風罩打開的格柵上,，而是落到了地面。新風百頁風口吹來的暖風從排氣罩前飄過,，破壞了對空氣傳播的遏制,。圖4通過把發(fā)煙源放在一個虛構的盒子的表面，(這個盒子距離實驗室的格柵外面大約一英尺遠),，可以顯示從實驗室排氣罩前流過的干擾氣流,。它不是把可能已經污染了的氣流送到排氣罩里,，而是用從新風百頁風口送過來的交叉氣流，把整個實驗室都清掃干凈,。
當我們把送風散流器移到排氣罩的另一側時，就可以清楚地觀察到設計中微小變化所產生的影響,。兩股進來的氣流現(xiàn)在融合在一起,，結果是，在排氣罩外面的空氣幾乎*被實驗室的排氣罩重新帶走,。
當然,，不但房間的配置會影響空氣的流動，而且,，整個建筑物的結構也會影響空氣的流動,。特別是，送風靜壓箱,、回風空間和風道豎井都對氣流有相當明顯的影響,。
使用氣流建模有以下三個主要好處：
如果能夠預先發(fā)現(xiàn)設計可能存在的缺陷，就可以在廠房施工之
對結構進行修改,。
對于運行中的潔凈室,，應當能夠迅速有效地發(fā)現(xiàn)可以改善性能的地方。
要能夠建立潔凈室在各種情況下的模型,，其中包括計劃中的和運行中的潔凈室,，這樣，就可以非常有信心地選出有效的方案,。
個案研究舉例
在很大程度上,，傳統(tǒng)半導體產品的生產方法，是使用一個能夠容納大型的半導體制造系統(tǒng)的大空間,。這種方法用一個通風天花板(它們一般是由HEPA過濾器組成)經由一個靜壓箱(或一組靜壓箱)把風送入大空間,，想把空氣設計成向下的單向流(它通常被不正確地稱作層流，其實應該是紊流),。然后氣流經過架空的地板格柵,，進入地板靜壓箱，通過這里,，它再經過狹窄的回風豎井,，送回至空調箱。在這些地板和天花板的靜壓箱里分配空氣,，本身就是一個關鍵問題,，但是，在這些例子中,，我們把注意力集中在潔凈室的本身,。
無論是什么方案,，我們都可以通過氣流建模來預先了解它的性能。
圖7是在一個大空間里的層流氣流(laminar airflow,，LAF),，除非那個位置因為距離設備很近而存在干擾(例如，油漆房里的氣流),。五件大型設備中的任何一件都是由三個部件組成：進料器(可以把它看成高的柱子),、光刻機(把它識別為白色立方體)和軌道(它有一個白色的較低的區(qū)域和一個黑色的較高的區(qū)域)。近距離地看看光刻機和軌道之間的區(qū)域
可以看到,，這些設備會產生令人討厭的空氣環(huán)流,。在這個例子中，這就是在工藝流程之間機械手臂等待芯片的地方,。
這種類型的局部環(huán)境,，對于整個大空間里的半導體制造來講，可能是非常重要的,，因為,，它有可能會導致成品率的損失。在距離設備較近的地方,，氣流對空氣質量的影響很大,。意法半導體(ST Microelectronics)公司所提供的這個例子說明了改變局部排風氣流速度與格柵長度的效果?？諝馔ㄟ^安裝在設備頂部天花板的HEPA過濾器送入房間,。其目的是提供向下的氣流，防止化學藥品從清洗槽散布到空氣中并到處沉積,。從工作表面上方的長形工作臺后面吸取空氣,，局部地消除了所有蒸發(fā)的化學藥品，而其余的補充進來的空氣,，則在設備的下面再次流到后面的灰色區(qū)域,。
顯示了化學藥品清洗槽上面的氣流。原來的結構把濃縮液從化學藥品清洗槽帶過臺面的上方,。
從右上角的小圖可以很明顯地看到,，當再次循環(huán)流通時，受到污染的空氣會穿過后面的灰色區(qū)域,，在格柵后面循環(huán)時也可以看到受到污染的空氣,。結果是，化學藥品變成很細的粉塵沉積在設備上,。通過修改從后面的化學藥品清洗槽吸出氣流的速度和調整格柵的長度,，就可以把化學制品的沉積數量減少到不明顯的水平(圖10)。
實際的設置需要優(yōu)化結構,，讓它能夠方便地用氣流模型來試驗,。
在制藥行業(yè)的生產過程中,，控制氣流的類型是極其重要的。在這些例子中,，我們看到沒有精心設計的氣流狀態(tài)對于產品來說存在很大的風險,。這些產品不能被其他物質污染，哪怕一丁點都不行,。
藥水瓶注裝室
根據HEPA過濾器布置圖和排氣格柵布置圖的效果,，力爭把房間里的向上的氣流降到zui小。按照氣流的垂直速度標出顏色,，可以看到氣流的情況。這可以使氣流在房間內均勻流動(層流),，然后,，再設計更好的通風。為了提供無菌環(huán)境,，在關鍵的操作區(qū)域,，從上方用HEPA過濾器通風。在注裝機的上方和層流罩的里面,，通過高區(qū)的回風口把空氣從房間里吸出去,。然后，通過HEPA過濾器過濾空氣,，再次補充給房間,。剩余的HEPA過濾器，則由主廠房提供,，抽取房間低區(qū)里的回風,。其他工藝區(qū)(例如：高壓滅菌器和烤爐，設在zui靠近觀察器的長墻)并沒有*覆蓋HEPA過濾器,，因此,，會對氣流的不均勻更加敏感。
這個例子的研究文件顯示了的優(yōu)化部分,?？梢钥吹贸鰜恚谥饕膶恿鲄^(qū)域內,，裝有新的注裝機的現(xiàn)有結構性能很好,。然而，有幾個關于氣流的特性比理想值要小,。
顯示了流經主要層流板的空氣,。在這張圖片里，流經層流罩的空氣碰到地板,，并向上折回到LAF自身里,，在向上流動之前,，先經過了高壓滅菌器和烤爐前面的空間。
這張圖片不夠清楚的地方,，是臨近注裝機的柱子后面的向上氣流,，或者到達注裝機上面的高區(qū)回風口的向上氣流。它們都是潛在的與向下氣流相反的紊流擴散的來源,。
重新設計是一個不斷反復進行的過程,，它包括檢查氣流的性質和使用工程判斷來修改結構，以解決已經認識到的問題,。在這個例子中,，消除了高區(qū)回風口，并且重新設計了房間開放部分的HEPA過濾器布置圖,。按照預想的結果,，取消了高區(qū)回風口后，向上的氣流量減少了,，同時把HEPA過濾器放在距離高壓滅菌器和烤爐更近的地方以保護它們,。臨近注裝線，有選擇性的放置風口,，也能夠減少非層流的風險,。
同樣的，一個能在LAF中減少向上的氣流的辦法是要在低于LAF的房間拐角處安排局部排氣,。
這樣就可以減少橫穿地板向注裝線流動的空氣量,，從而減少那里的向上的氣流。
結論
許多工廠的工程師認為,，經過了重大改進后的多種類型的潔凈室結構,，不會影響正常的生產過程。工廠的操作人員和設計人員可以通過這項技術,，非常容易地提高整個環(huán)境的清潔度,。
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