基于CFD技术的FFU箱体流场分析与优化设计

由过滤器和离心风机组成的FFU是一种具有过滤功效、自带动力的送风装置，是洁净室的重要组成部分，其性能优劣将直接决定洁净室的清洁程度。目前FFU普遍存在的问题是内部流道设计不合理，容易产生紊流、乱流及噪音，严重影响设备的高效运行，消耗大量能量，不利于节能，而对FFU内部结构进行优化设计能有效提高设备的整体性能。

2.1 评价指标

送风均匀性是FFU评价体系中非常重要的一项指标，因为对于满布FFU的5级以上洁净室，洁净度的保证是通过层流气流来实现的，只有当FFU具有优秀的出风均匀性时才能构造最好的层流流动。所以，本项目采用均匀性指标作为评价FFU性能好坏的标准，均匀度计算公式如下：

式中，β为相对标准偏差；Ω为面源、体源；X为参数。均匀度β值越小，风速越均匀，所以FFU流道设计的最终目的是获得最小的β值。

2.2 拟达到的技术目标

本项目以箱体整体出风面的均匀度β为评价指标，在不同的方案中挑选出风面均匀性最好的结构。

2.3 实施流程

图1 FFU整体结构

步骤一：结构分析与参数化

FFU通常由叶轮、导流板和过滤器组成，考虑到结构设计的周期、成本、效益和难易程度，本项目只针对导流板B、C和D（见图1）进行优化设计，叶轮和导流板A暂不做修改。

为方便设计，将导流板结构做参数化描述，引入角度α和γ、位置或高度H等描述方式，不同的α、γ和H代表不同的结构方案。

步骤二：参数组方案设计

为了方便设计和表述，首先给出原始结构的尺寸参数，详细数据见表1，表1所列的参数组即为方案0。方案0总计8个变量，本项目采用控制变量法来进行结构设计，变量数为1，即单次结构设计控制7个变量值大小不变，只改变1个变量值大小，每做一次参数修改就形成一个新的方案。由于FFU结构是左右对称的，本文以FFU左侧部分结构为例进行说明，具体过程如下：

(1) 记导流板B(角钢)在垂直线右侧的初始角度为α1，在垂直线左侧初始角度为γ1，角钢的初始高度为H1，如图2所示。导流板B的实验步骤如下：

第一步：在方案0的基础上，其它参数不变，仅改变α1值，令α1=30°、40°、50°、60°。

第二步：在方案0的基础上，其它参数不变，仅改变γ1值，令γ1=30°、40°、50°、60°。

第三步：在方案0的基础上，其它参数不变，仅改变H1值，令H1的增量H1add=10 mm、20 mm、30 mm和40 mm。

图2 导流板B

图3 导流板C

(2) 记导流板C(角钢)在水平线上侧的初始角度为α2，下侧初始角度为γ2，角钢拐点与右侧平台的距离为H2，如图3所示。导流板C的修改步骤如下：

第一步：在方案0的基础上，其它参数不变，仅改变α2值，令α2=30°、50°、60°、70°。

第二步：在方案0的基础上，其它参数不变，仅改变γ2值，令γ2=30°、40°、50°、60°。

第三步：在方案0的基础上，其它参数不变，仅改变H2值，令H2的增量H2add=10 mm、20 mm、30 mm和40 mm。

图4 导流板D

(3) 导流板D(角钢)在垂直线左侧初始角度为α3，右侧角度为γ3，如图4所示。导流板D的修改步骤如下：

第一步：在方案0的基础上，其它参数不变，仅改变α3值，令α3=50°、70°、80°、90°。

第二步：在方案0的基础上，其它参数不变，仅改变γ3值，令γ3=100°、110°、120°、130°。

       步骤三：虚拟计算与数据分析

对于步骤二中出现的32组参数，即32种结构设计方案。在经过Clabso软件的计算后，每组设计会对应有一个评价指标（均匀性指标）。图5-图7给出了某截面处速度和压力参数分布图。由图5-图6可以清楚地看到气流从叶轮入口至出风断面处的流动过程和局部流动详情。图7给出了压力分布云图，通过该图的分析，我们可以知道出风断面处的压力大小，进而判断是否足够推动气流在室内的循环。

图5 流动速度矢量图

图6 压力分布云图

图7 速度分布云图

根据行业标准JG/T 388-2012规定，送风均匀性是指在出风断面150 mm处各点风速的均匀程度，所以在本项目中取出风断面以下150 mm处截面的速度均匀度来进行分析。方案0对应的速度均匀度值为5。

图8 不同方案下的均匀度变化曲线

本文通过对上述32个方案进行数值计算，并获取了出风面处速度均匀度数据，具体统计见表2-表4，速度均匀度随方案编号的变化曲线如图8所示。由图8可知，编号16，23和32三个方案的出风均匀性较优，这3个方案所对应的结构尺寸如下表所示：

说明：8个参数组成的参数组，如果每个参数取4个值，将会产生48=65536种方案，这是极其庞大的计算工作。但是，当我们固定一些参数，按只修改某一个参数时，设计方案数将会大大减小。我们可以通过初步的较小数量的数据计算获取一些关键的信息。

图9 根据结构对方案组进行分类

根据结构的不同对方案组进行分类，总共可以分成3类，即关于导流板B的方案组、关于导流板C的方案组和关于导流板D的方案组，如图9所示。由图可知，导流板B的结构变化对气流结构优化效果不明显，或者表明默认方案已经较优。导流板C在α2为70°时性能较优，导流板D在γ3为130°时性能较优。导流板C和D的结构参数变化对气流均匀性影响较大，有很大的优化潜能。

接着，我们可以将性能较优的几种结构进行综合，同时修改2个、3个或者更多的参数，期望获得更优的结构设计。

03数据挖掘与智能参数设计

在完成上述工作之后，我们将对大量数据进行整合、分析，在Clabso软件中添加一个新的模块，具体步骤为：

步骤一：根据分析目标收集数据；

步骤二：对数据进行分类、组合。不同的数据组合代表不同的结构设计方案；

步骤三：利用现有数据对未知数据组合(结构设计)做出精准预测。

所以，在积累足够数据后，工程师可以直接通过这套数据分析模块对各种参数组合下的FFU结构性能进行预测，实现智能参数设计。最后再通过CFD软件来验证预测，大大优化设计步骤、提高研发效率。

       

CFD软件介绍

      CLABSO仿真软件是一款专业面向工程师、设计师和建筑师应用于暖通（HVAC）领域的研发设计辅助工业仿真软件。基于工程设计模型/数据，借助计算机虚拟仿真计算，可准确地分析通风系统的空气流动、空气质量、传/散热、污染和舒适度等问题，可以替代成本昂贵的风洞实验来验证设计和改进设计。

       CLABSO仿真软件将计算结果可视化展示，支持多层次的速度、温湿度、压力、粒子浓度、空气龄、气流偏转角等平面图和动态动画模式，帮助工程师更直观的观察气流运动轨迹，可实现暖通洁净工程（产品）设计优化、设计验证、虚拟实验、诊断评估。通过各种实际工况与模拟计算数据的深度融合，CLABSO仿真软件可从宏观到微观、静态和动态、过程和结果全面反映复杂工况的空气流动、温湿度、压力等变化，极大程度提高产品的可靠性与成功率，降低了企业的试错成本和安全风险。