洁净室设计CFD仿真分析的必要性和主要方向

对于洁净室气流的气流状态的把握，采用传统的实验方法易行、直观，但非常昂贵，需要很长的校准时间，而且实验中使用的测量仪器会干扰气流，导致误差的产生，同时，实验的结果只是针对某个具体的条件而得出的，不具有通用性。计算机模拟则是采用计算流体力学（CFD）的方法，将洁净室房间划分为小的控制体，求解一组描述流动现象的偏微分方程，将流场以图形的形式显示出来，只要划分的控制体足够好，就可认为离散区域上的离散值代表了洁净室内气流状况。与实验法相比，能在较短的时间内完成模拟的实现，能较精确地预测气流流场，灵活性好，不用追加费用就可以检验各种结构的系统，成本低；在产品设计时，对方案的筛选通过 CFD 模拟，形成大量“虚拟试验样本”，只需要少量的“真实样本”即可检验方案的正确性、可行性，速度快；可实现带有预测性质的控制方案，如可得到求解过程中各变量随时间和空间变化的中间值，以便对影响因素进行分析、比较。

图1  洁净室内部速度矢量图

洁净室以医药工业洁净厂房对室内的气流组织要求最高，现以它为例进行分析。医药工业洁净厂房按照洁净度级别分为A、B、C、D级，其中A级采用单向流，B、C、D级采用非单向流的气流组织形式，非单向流洁净室一般采用上送侧下回的送回风方式。洁净室的气流组织，受到多种因素的影响，困扰设计者的主要问题有：

医药工业洁净厂房内采用高效送风口作为房间的送风口，选用不同的出风速度、或者采用不同的扩散板形式，会产生不同的房间气流组织效果。因此，哪种形式的送风口更适合用于洁净室，成为困扰设计者的一个首要问题。

CFD软件能对孔板型、孔板+散流、旋流扩散板等不同形式的送风口形式进行模拟，通过模拟，能选择找到扩散均匀，效果最好的送风口形式。

图2  洁净室扩散出口速度矢量图

从图2中可以看出，在出风口处布置一圈扩散风口，气流不仅可以垂直向下吹风，还能沿水平方向吹风，水平方向吹出的风经挡板的遮挡和导向作用，也会向下送风。这样增大了顶送洁净气流的作用范围。

由于送风为射流，其对房间气流组织的影响比回风对气流组织的影响更大。虽然回风对于气流组织的影响较小，但是不合理的回风口布置，也可能造成房间气流组织的不当，此外，房间布局、工艺设备等也会对气流组织产生影响。因此，送风口、回风口的合理布置，以及如何配合房间布局和工艺设备布置，是设计过程中应认真考虑的问题。

借助CFD的参数化功能对洁净室的进、出口不同的位置进行模拟，通过对比不同方案，优化得到最佳的风口布置设计方案。

图3  洁净室空调送风速度矢量图和分布云图

气流死角（涡流）可能导致局部洁净度不能满足设计要求；不当的气流方向会导致工艺生产受到人员等污染源的威胁。如何保证自己的设计能够提供合理的气流组织，并保证房间的洁净度等级，是设计者必须面对的一个问题。

在设计阶段，可利用CFD软件对房间的气流组织进行模拟，进而用于指导房间送风口、回风口的布置。对于房间形状不规则及/或有工艺设备可能会对房间气流组织产生影响的情况，CFD 模拟的意义更大。

在设计条件下房间的温湿度等参数及其均匀性是否满足相关规范的要求，也是在设计过程中困扰设计者的一个难题。

图4  洁净室温度云图

应用CFD软件，可以在医药工业洁净厂房的设计过程中，对气流组织进行模拟，从而用于优化设计，合理选用风口并布置风口，特别对于房间形状不规则及/或有工艺设备可能会对房间气流组织产生影响的情况，意义更大。