基于CFD的FFU箱体实验设计与分析
基于CFD的FFU箱体实验设计与分析
一、项目背景
计算流体力学(CFD)是流体力学、计算数学和计算机科学结合的产物，是一门计算机中仿真模拟现实的流体力学现象的科学。实验设计(DOE)是指通过对产品质量、工艺参数的量化分析，发掘关键因素，根据实际需求设计实验步骤。通过对关键因素的实验分析，获取最佳方案。
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。
所以，我公司借助DOE的科学方法，针对FFU的结构进行基于CFD软件的计算、分析和优化。这样做的优点是：
1、一定程度上代替实物实验，节约成本；
2、方便对模型进行修改，加快研发进度；
3、在积累大量计算结果和实验数据的基础上，可以实现参数化设计，即不再从结构的角度进行模型修正，而是从大数据中挖掘FFU结构的优化方向。此时，工程师只需要对数据进行分析，然后再通过实物实验来进行验证。
二、设计过程
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) 记导流板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。
三、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。
