指導教授：胡 石 政 博士 研究生：董 雲 春 中華民國九十一年六月

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1 指導教授：胡 石 政 博士 研究生：董 雲 春 中華民國九十一年六月
On the Assessment of Turbulent Type Clean Room Performance with the Aid of Numerical Simulation 指導教授：胡 石 政 博士 研究生：董 雲 春 中華民國九十一年六月 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

2 簡 報 內 容 摘 要 前 言 數 學 模 式 數 值 模 擬 分 析 結 果 與 討 論 結 論 2018/11/23
國立臺北科技大學冷凍空調工程系

3 摘 要 探討具牆壁回風，天花板回風與高架地板回風等三種不同亂流型無塵室的速度向量流場分佈和微粒子移動軌跡。
摘 要 探討具牆壁回風，天花板回風與高架地板回風等三種不同亂流型無塵室的速度向量流場分佈和微粒子移動軌跡。 採用7.8 m(寬)*7.8 m(長)*2.7 m(高)之無塵室，並以FLUENT之k - ε兩方程式紊流模式為基礎，對這三種不同型式的無塵室進行模擬。 由模擬結果得知；無塵室具牆壁回風的通風效率，比具天花板回風與高架地板回風者差。 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

4 前 言 Murakami等人曾經對亂流型無塵室之流場與擴散場特性作過系統性的分析，對無塵室做定量化的通風效益評估。
前 言 Murakami等人曾經對亂流型無塵室之流場與擴散場特性作過系統性的分析，對無塵室做定量化的通風效益評估。 無塵室若採用天花板送風，則其室內之氣流模式，可以當作是由數個流場單元組合而成(如圖1)。 無塵室內回風口的設置位置，對室內之速度流場影響很小，但對室內之污染擴散場的影響很大。 本文主要是以微粒子移動軌跡的觀點，定量化評估不同型式之無塵室性能。採用計算流體力學(CFD)方法分析、模擬與比較三種不同亂流型無塵室之性能。並利用Stochastic軌跡模式，分析微粒子在紊流流場的運動情形。 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

5 粒子移動方程式 可以對一個以Lagrangian為架構之粒子作用力平衡方程式積分，來預測分離相之粒子移動軌跡。作用力平衡等於粒子上的作用力慣性，以下列式子表示(在直角座標 x 方向)： 注意，為了預測紊流對粒子的散佈，必須將變動速度 (u’) 加入到瞬時速度 (u) 中, 即 。 而CFD所得到的直接輸出值為平均速度 ，當變動速度造成粒子紊流擴散時，粒子沿著流線的對流，則由平均速度決定。 為粒子單位質量的阻力 代表作用在粒子上之重力 為其他的作用力，包括虛擬質量力，當 時，必須考量此作用力的影響；壓力梯度所產生的作用力；Saffman上升力，係應用在次微米粒子上。 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

6 基 本 假 設 空間為三維直角座標系統 流體為牛頓流體、不可壓縮(ρ=c)的理想氣體 流場為穩態紊流流場 忽略浮力的影響、粘滯耗散和輻射效應
流體與粒子均無熱源產生，且無質傳與熱傳現象 粒子碰撞壁面將附著於壁面 粒子為球形固體狀 流體性質在數值計算之有限體積內(finite volume)內，其流體壓力、溫度、密度為均值性(homogeneous) 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

7 邊 界 條 件 流體以均一速度0.35 m/s流進室內。 為了遵守質量守衡定律，在出口處採用Neumann邊界條件。
牆壁為無滑動條件，即牆壁的表面速度為零。鄰近牆壁區域之紊流特性，採標準牆壁函數分析。 在分離相的計算中，出口邊界為”escape”，此意謂著粒子到達出口邊界時，將離開計算區域；牆壁邊界為”trap”，此意謂著粒子碰到牆壁時，將黏附在牆壁上而被捕捉，且粒子移動軌跡計算將被終止 。 所有粒子密度均為1000kg/m³。 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

8 無塵室模型簡介 利用室內具有9個送風口的亂流型無塵室模型，進行數值模擬。
圖2(a)型式1為具牆壁回風之無塵室，其4個回風口裝設在鄰近地板的牆壁上。 圖2(b)型式2為具天花板回風之無塵室，其送回風口採用方塊狀排列，以捕集上升至天花板之氣流。此外，為了維持相同的回風速度，所有的回風口將配合調整面積大小。 圖2(c)型式3為具高架地板回風之無塵室，其進入室內之氣流將經由地板之多孔板排出。 粒子粒徑將分成0.1μm、0.5μm與1.0μm等三組，每組粒子將從線A到線F等6個不同位置同時釋放，每線位置釋放100顆大小相同粒子，每組共計釋放600顆粒子。 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

9 案 例 分 析 本研究所有模擬的案例，詳列在表1(1/2)與表1(2/2)之中。
首先，當室內無阻礙物時，比較三種不同回風口設置之案例W30，C30與F30。 其次，分別採用型式1、2與3等案例，以及型式1中最佳通風效益案例與型式2和3中最差通風效益案例，來評估阻礙物對流場的影響。 然後，在每種型式中，以阻礙物置於兩相鄰送風口間的案例，來探討粒子釋放位置的影響。 最後，對每種型式的所有案例，改採較大的送風量，50次/時換氣率，來分析流場分佈和粒子移動軌跡。 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

10 數值模擬與實驗數據比較 Murakami等人曾經以具天花板回風和具牆壁回風等之亂流型無塵室，進行速度流場與污染擴散場等實驗研究，其速度向量場實驗結果與本研究之數值模擬結果如圖3，圖4與圖5所示。 在圖3中，兩相鄰送風口間之氣流，均無法上升抵達到天花板上，約略在室內1/2~1/3高度處，氣流就停止上升，並形成滯留區域。 在圖4中，沿著牆壁區域與兩相鄰送風口間之氣流，均能上升抵達至天花板。 在圖5中，中央送風口氣流撞擊到阻礙物後，均向阻礙物兩側擴散，並且產生迴旋氣流區域。 整體上，不論是實驗結果或數值模擬，兩者之速度向量場氣流分佈情形，是十分類似的。 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

11 微粒子釋放數量比較 計算0.1μm微粒子釋放600顆與600,000顆對數值模擬的影響。
表2為空室時，牆壁回風與天花板回風型式之微粒子釋放數量比較結果。 表3為室內中央有阻礙物時，牆壁回風與天花板回風型式之微粒子釋放數量比較結果。 當微粒子釋放數量增加1000倍時，被追蹤的微粒子數量與離開室內的微粒子數量亦增加約1000倍。 在考量computer CPU與memory 容量下，本研究將以釋放600顆微粒子來計算微粒子移動軌跡。 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

12 回風口配置之影響 在牆壁回風型式(圖6)中，室內氣流上升到約1/2高度處，就停止上升並形成停滯氣流。
在天花板回風型式(圖7)中，沿著牆壁或在兩相鄰送風噴流間之氣流，則可以完全上升抵達天花板上。 在高架地板回風型式(圖8)中，氣流部分經由高架地板排出，部分則沿著牆壁或在兩相鄰送風噴流間，形成較弱的氣流往上移動。 由這些圖中可以發現到，這三種型式主要的氣流分佈情形彼此相似。這是因為送風口均設置在天花板上，形成一個送風噴流與環繞其四周的上升氣流效應所致。 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

13 回風口配置之影響 圖9說明案例W30，C30與F30中之微粒子排出數量狀況。
由這些案例可以發現，案例W30中 0.1μm微粒子自回風口排除的數量（110顆），比案例C30數量（228顆）與案例F30數量（290顆）少。 對0.5μm與1.0μm微粒子而言，案例W30所排除的微粒子數量（91顆與129顆），亦比案例C30數量（227顆與241顆）與案例F30數量（299顆與288顆）少。 而微粒子排出數量愈多，則表示通風效率愈好。因此室內無阻礙物時，案例C30與F30的通風效率優於案例W30。 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

14 阻礙物的影響-牆壁回風 在案例W31(圖10)中，阻礙物係置於室內中央送風噴流正下方處。在牆壁附近的氣流，會沿著牆壁朝向天花板移動；自中央送風口送出的氣流，在撞擊到阻礙物後，形成斜向氣流，朝向牆壁之回風口移動；在兩相鄰送風口間之氣流，從天花板降下後，就朝著地板方向移動。 於圖11中，以案例W31，W32和W33跟案例W30（110顆0.1μm粒子，91顆0.5μm粒子與129顆1.0μm粒子）比較，可以發現在案例W31中，會有最多數量（149顆0.1μm粒子，154顆0.5μm粒子與149顆1.0μm粒子）的微粒子，自回風口排出。而在案例W32與W33中，微粒子排出之數量則較少。 因此，當阻礙物置於牆壁附近時，會造成通風效率些微降低。但是，當阻礙物置於室內中央送風口正下方時，通風效率就增大了。 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

15 阻礙物的影響-天花板回風 圖12將說明具天花板回風型式之案例C31，箱型阻礙物置於室內正中央之流場分佈情形。室內中央送風口之送風噴流在撞擊到阻礙物之後，氣流向阻礙物兩側擴散，並且在阻礙物兩側形成大的迴流，而在此大迴流上方，又有小的渦流形成。 在圖13中，以案例C31，C32和C33跟案例C30（228顆0.1μm粒子，227顆0.5μm粒子與241顆1.0μm粒子）比較，在案例C31中，阻礙物置於中央送風口正下方，由於流場內有大迴流產生，因此造成排出的微粒子數量（213顆0.5μm粒子與206顆1.0μm粒子）減小。 在案例C32與C33中，阻礙物置於兩相鄰送風噴流間與置於鄰近牆壁處，由於強烈朝向天花板移動的氣流，使得其微粒子排出數量（0.5μm粒子分別為274與273顆和1.0μm粒子分別為258顆與251顆）增多。 因此，在天花板回風型式中，當阻礙物置於中央送風噴流正下方時，會造成較差的微粒子排除效果。 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

16 阻礙物的影響-高架地板回風 在圖14中，以案例F31，F32和F33跟案例F30（290顆0.1μm粒子，299顆0.5μm粒子與288顆1.0μm粒子）比較，當阻礙物置於中央送風口噴流正下方（案例F31）與置於兩相鄰送風噴流之間（案例F32）時，會造成粒子排出數量（0.1μm粒子分別為278顆與269顆，0.5μm粒子分別為270顆與251顆，以及1.0μm粒子分別為264顆與245顆）減少，其中以案例F32微粒子排出數量最少。 相反地，在阻礙物置於鄰近牆壁處之案例F33中，其微粒子排出數量（301顆0.1μm粒子，320顆0.5μm粒子與306顆1.0μm粒子）最多。 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

17 阻礙物的影響 此外，將型式1中最佳通風效率案例W31，與型式2和型式3中最差通風效率案例C31和F32進行比較，其結果如圖15所示。在0.1μm微粒子中，案例W31微粒子排出數量（149顆），比案例C31（228顆）與案例F32（269顆）少很多，此意味著牆壁回風型式的微粒子排除效率最差。 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

18 微粒子釋放位置的影響 圖16說明案例W32微粒子排出情形，當微粒子自線E位置（參見圖2（a））釋放時，其微粒子排出數量（29顆0.1μm粒子與36顆0.5μm粒子）最多；但若從線B位置釋放時，則微粒子排出數量（10顆0.1μm粒子與10顆0.5μm粒子）最少。 圖17說明案例C32微粒子排出情形，若從線F位置（參見圖2（b））釋放粒子，則會有最多數量（58顆0.1μm粒子，65顆0.5μm粒子與59顆1.0μm粒子）的微粒子被排除；若從線A位置釋放微粒子，則排出之微粒子數量（26顆0.1μm粒子，23顆0.5μm粒子與35顆1.0μm粒子）最少。此外，從線B，D與F位置釋放微粒子，會比從線A，C與E位置更容易將微粒子排除。 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

19 換氣率的影響 提高送風速度（0.7m/s）增加換氣率，而送風口大小、數量與位置，則維持不變。
送風速度增加，對案例W70，案例C70以及案例F70中之速度流場分佈情形影響很小。 在圖18中，這些案例的微粒子排出數量有些許差異，但是差異不大。 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

20 結 論 回風口設置配置，對微粒子軌跡有很大的影響。採用高架地板回風型式者，其微粒子排除數量最多；採用天花板回風型式者，居次；而採用牆壁回風型式者，其微粒子排除數量最少。 當室內有阻礙物時，對流場分佈與微粒子軌跡均會造成影響。不過，即使有阻礙物存在，對天花板回風型式與高架地板回風型式者而言，其微粒子排出數量，仍然超出牆壁回風型式者甚多。 微粒子釋放位置越接近回風口，則微粒子愈能有效的被排除出去。 由於送風口大小、位置與數量維持不變，因此送風速度由0.35m/s提高至0.7m/s時，對速度流場分佈與微粒子軌跡的影響不大。 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

21 報 告 完 畢 敬請指教 謝謝 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

22 圖1 流場單元(FLOW UNIT) 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

23 圖2(a) 牆壁回風(型式1) 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

24 圖2(b) 天花板回風(型式2) 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

25 圖2(c) 高架地板回風(型式3) 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

26 圖3 實驗數據與數值模擬比較(1) 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

27 圖4 實驗數據與數值模擬比較(2) 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

28 圖5 實驗數據與數值模擬比較(3) 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

29 圖6 案例W30速度向量分佈 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

30 圖7 案例C30速度向量分佈 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

31 圖8 案例F30速度向量分佈 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

32 圖9 案例W30,C30與F30微粒子排出數量 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

33 圖10 案例W31速度向量分佈 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

34 圖11 案例W30,W31,W32與W33微粒子排出數量 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

35 圖12 案例C31速度向量分佈 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

36 圖13 案例C30,C31,C32與C33微粒子排出數量 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

37 圖14 案例F30,F31,F32與F33微粒子排出數量 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

38 圖15 案例W31,C31與F32的微粒子排出數量 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

39 圖16 案例W32微粒子排出數量 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

40 圖17 案例C32微粒子排出數量 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

41 圖18 案例W30,W70,C30,C70,F30與F70微粒子排出數量 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

42 表1 案例說明(1/2) 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

43 表1 案例說明(2/2) 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

44 表2 空室之微粒子釋放數量比較 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系

45 表3 非空室之微粒子釋放數量比較 2018/11/23 國立臺北科技大學冷凍空調工程系