墙壁回风乱流型无尘室与天花板回风乱流型无尘室的通风性能比较.doc

牆壁回風亂流型無塵室與天花板回風亂流型無塵室的通風性能比較A Comparative Study on the Ventilation Performance of Wall-Return Turbulent Type Clean Room and Ceiling-Return Turbulent Type Clean Room董雲春* 胡石政*國立台北科技大學機電科技研究所博士班 博士候選人*國立台北科技大學能源與冷凍空調工程系 教授摘 要本文探討具牆壁回風與天花板回風之亂流型無塵室的速度向量流場分佈和微粒子移動軌跡。數值分析係以FLUENT software之k-兩方程式紊流模式為基礎，對兩種不同型式的無塵室進行模擬；並研究各種影響流場性能的因素，包括流場內阻礙物，微粒子粒徑與微粒子釋放位置等。由模擬結果得知；由一個送風噴流與環繞其四周的上升氣流所構成的天花板回風者其通風效率，較牆壁回風者好。關鍵詞：亂流型無塵室，數值模擬，微粒子移動軌跡一、前言亂流型無塵室與商業大樓辦公室，兩者在空調通風系統的設計上，均是利用空調設備將空氣冷卻後，再經由天花板的送風口送入室內。但是，這兩種通風系統並非完全相同。其主要差異點在於：辦公室的送風量只要能夠滿足舒適條件即可，其換氣次數約為210次/時。而典型的亂流型無塵室，換氣次數可能要達到2060次/時。這額外供給的送風量，主要是作為室內混合、稀釋與排除污染空氣之用。在從事無塵室通風系統設計時，必須先研究無塵室內之流場分佈情形與最佳的污染控制方法。Murakami等人1-4 曾經對亂流型無塵室之流場與擴散場(concentration field)特性作過系統性的分析，其研究結果如下所述：1. 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；而每個流場單元，則由一個送風噴流與環繞其四周的上升氣流所構成。2. 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。3. 藉由流場單元的概念，可以有效地分析污染擴散狀況。在污染朝向鄰近的流場單元傳遞之前，會先在本身的流場單元內擴散，然後再由回風口排出。Murakami等人5 延伸流場單元的概念，並利用數值方法，分析亂流型無塵室具有局部送回風量平衡的擴散特性。他們對各種影響流場與擴散場的因素進行研究，並且運用 SVE 13 的定義，對無塵室做定量化的通風效益評估。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、模擬與比較亂流型無塵室之性能。計算時除了求解連續相的統御方程式外，尚需利用Lagrangian架構之分離相，來作微粒子軌跡的評估與統計分析。並利用Stochastic軌跡模式，分析微粒子在紊流流場的運動情形。在本模式中，係假設微粒子對連續相中紊流的形成或耗散，並無直接的作用。二、數學模式2.1平均流場模擬由Eulerian守恆方程式，可以得到穩態的氣流運動方程式(2.1)其中代表常數1，速度分量 ，和，紊流動能k與紊流動能耗散率等之任一項，為變數的有效擴散係數，為源項，為密度，V為速度。2.2變動速度模擬假設為均質紊流，則由紊流動能的計算，可以得到空氣的變動速度= (2.2)其中 為 0 1的隨機分佈數，k 為紊流動能。對隨著流體移動的微粒子而言，其積分時間就變成流體Lagrangian積分時間 TL。此積分時間約為(2.3)對k 兩方程式紊流模式， 其CL 0.15 。渦流的特性壽命e 定義為(2.4)2.3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慣性作用力，以下列式子表示(在直角座標x方向)：(2.5)為了預測紊流對粒子的散佈，必須將變動速度 () 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。三、數值模擬分析3.1基本假設為了簡化問題，因此作了以下的假設條件：(1)流體為不可壓縮、絕熱與三維穩態紊流，(2)粒子為球狀固體，以及(4)連續相與分離相不發生交互作用。3.2邊界條件在本研究中，有關連續相與分離相的邊界條件定義如下：(1) 流體以均一速度流進室內，即i = 0.35 m/s，i = i = 0 m/s(25次/時之換氣率)。送風口的k 與 分別為4.594e-4 m2/s2 與 3.853 e-5 m2/s3。(2) 為了遵守質量守衡定律，在出口處採用Neumann邊界條件。(3) 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。(4) 在分離相的計算中，粒子粒徑將被分成0.1m，0.5m與1.0m等三組；粒子釋放位置與數量，詳如表一與圖1所示；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；以及所有粒子密度均為1000kg/m。表一 案例說明 (牆壁回風(型式1),天花板回風(型式2)分析項目型式案例阻礙物位置粒子釋放位置無阻礙物型式1型式2W30C30無無線A線F (追蹤598顆粒子)線A線F (追蹤586顆粒子)有阻礙物型式1W30W31W32W33無123線A線F (追蹤598顆粒子)線A線F (追蹤598顆粒子)線A線F (追蹤598顆粒子)線A線F (追蹤598顆粒子)型式2C30C31C32C33無123線A線F (追蹤586顆粒子)線A線F (追蹤587顆粒子)線A線F (追蹤586顆粒子)線A線F (追蹤586顆粒子)型式1型式2W31C3111線A線F (追蹤598顆粒子)線A線F (追蹤587顆粒子)粒子釋放位置型式1型式2W32C3222線- A(100)/B(98)/C(100)/D(100)/E(100)/F(100)線- A(90)/B(100)/C(99)/D(100)/E(97)/F(100)說明：1. 案例xxx編碼原則；第一個字母代表無塵室型式(C為天花板回風，W為牆壁回風)，第二個字母代表送風速度(3為0.35m/s)，以及第三個字母代表流場阻礙物的位置(0為無阻礙物，1為置於室內正中央，2為置於室內中央與牆壁之間，3為置於鄰近牆壁處)。2. 於直角座標(x, y, z)中，粒子釋放位置為A = ( 0.27.6, 3.9, 0.8 )， B = ( 0.27.6, 3.9, 1.5 )， C = ( 0.27.6, 4.5, 0.8 )，D = ( 0.27.6, 4.5, 1.5 )，E = ( 0.27.6, 2.7, 0.8 )與F = ( 0.27.6, 2.7, 1.5 ) 。3.3 無塵室模型簡介如圖1所示，將利用室內具有9個送風口的亂流型無塵室模型進行數值模擬。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。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。另有一箱型阻礙物，將分別放置在室內正中央、室內中央與牆壁之間、以及鄰近牆壁等三個不同位置。粒子粒徑將分成0.1m、0.5m與1.0m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。 (a) 牆壁回風(型式1) (b) 天花板回風(型式2)圖1 無塵室模型四、結果與討論4.1數值模擬與文獻實驗數據比較Murakami等人5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如圖2(a)，3(a)與4(a)所示。比較Murakami 之實驗結果與本研究之數值模擬結果如圖2(b)，3(b)與4(b)所示，可以發現到：(1) 在圖2(a)與圖2(b)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1/21/3高度處，氣流就停止上升並形成滯留區域。(2) 在圖3(a)與圖3(b)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。(3) 在圖4(a)與圖4(b)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。從圖中的氣流分佈可以發現，雖然實驗無法像數值模擬般，可以精確的顯示出每個格點的速度大小與方向。但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。(a) 實驗案例1 (b) 數值模擬案例1圖2 實驗案例1與數值模擬案例1之速度向量分佈(a) 實驗案例2 (b) 數值模擬案例2圖3 實驗案例2與數值模擬案例2之速度向量分佈(a) 實驗案例3 (b) 數值模擬案例3 圖4 實驗案例3與數值模擬案例3之速度向量分佈4.2 室內無阻礙物的情況案例W30 (型式1，牆壁回風)與案例C30 (型式2，天花板回風)之流場分佈，如圖5與圖6所示。在牆壁回風型式(圖5)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6)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。圖5 案例W30速度向量分佈 圖6案例C30速度向量分佈案例W30中 0.1m微粒子自回風口排除的數量（110顆），比案例C30數量（228顆）少。對0.5m與1.0m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）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的通風效率優於案例W30。 4.3 阻礙物的影響首先討論具牆壁回風型式之案例。在案例W31 (圖7)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。圖8說明案例W32氣流分佈情形，其阻礙物係置於兩相鄰送風噴流之間。在案例W32中，可以觀察到阻礙物上方的氣流，自天花板降下後，就朝向阻礙物流動；在接近阻礙物上方，有些許的渦流產生，而在阻礙物左右兩側則無此現象；以及氣流均能上升抵達到天花板等情形。在圖9案例W33中，除了因為阻礙物鄰近牆壁，造成位於送風口與牆壁之間的氣流，可以上升到天花板外，其餘的氣流分佈均與案例W30類似。圖7 案例W31速度向量分佈 圖8 案例W32速度向量分佈於圖10中，以案例W31，W32和W33跟案例W30 （110顆0.1m粒子， 91顆0.5m粒子與129顆1.0m粒子）比較，可以發現在案例W31中，會有最多數量（149顆0.1m粒子，154顆0.5m粒子與149顆1.0m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。這是因為送風噴流與環繞其四周之上升氣流，限制了微粒子的擴散，而且氣流下降引導微粒子朝向牆壁之回風口移動。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。圖9 案例W33速度向量分佈圖10 案例W30,W31,W32與W33微粒子排出數量圖11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。在案例C32（圖12）中，阻礙物係置於兩相鄰送風噴流之間。結果在鄰近牆壁區域與兩相鄰送風噴流間，形成了朝向天花板移動的強烈斜向氣流。室內產生的微粒子，將藉由這些強烈的氣流朝向天花板移動而被有效地排出。在案例C33（圖13）中，阻礙物係置於鄰近牆壁處，其流場分佈情形與案例C32類似，因此不再作說明。在圖14中，以案例C31，C32和C33跟案例C30（228顆0.1m粒子，227顆0.5m粒子與241顆1.0m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0.5m粒子與206顆1.0m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（0.5m粒子分別為274與273顆和1.0m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。圖11 案例C31速度向量分佈 圖12 案例C32速度向量分佈圖13 案例C33速度向量分佈圖14 案例C30,C31,C32與C33微粒子排出數量由前述的結果，可以歸納出一些結論：當阻礙物置於室內中央送風口正下方時，型式1（牆壁回風）內之微粒子排出數量增加，但是型式2（天花板回風）排出之微粒子數量則降低；當阻礙物置於兩相鄰送風噴流之間時，型式2內之微粒子排除數量增多，但是型式1排除之微粒子則減少；當阻礙物置於牆壁附近時，型式2排出之微粒子數量增加，而型式1排出之微粒子則減少。此外將型式1中最佳通風效率案例W31，與型式2中最差通風效率案例C31進行比較；在0.1m微粒子中，案例W31微粒子排出數量（149顆），比案例C31（228顆）少很多，此意味著牆壁回風型式的微粒子排除效率最差。同樣地，對0.5m與1.0m的微粒子而言，案例C31的通風效率，均優於案例W31。4.4 微粒子釋放位置的影響微粒子將於室內6個不同位置（線A線F）釋放，每個位置釋放100顆微粒子，微粒子之粒徑則分成0.1m，0.5m與1.0m等三組，並以阻礙物置於兩相鄰送風噴流間的案例W32與C32來加以討論說明。圖15說明案例W32微粒子排出情形，當微粒子自線E位置（參見圖1（a）釋放時，其微粒子排出數量（29顆0.1m粒子與36顆0.5m粒子）最多；但若從線B位置釋放時，則微粒子排出數量（10顆0.1m粒子與10顆0.5m粒子）最少。圖16說明案例C32微粒子排出情形，若從線F位置（參見圖1（b）釋放粒子，則會有最多數量（58顆0.1m粒子，65顆0.5m粒子與59顆1.0m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0.1m粒子，23顆0.5m粒子與35顆1.0m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。從圖15與圖16中可以發現到當微粒子釋放位置愈接近回風口時，則微粒子被排出的數量愈多。圖15 案例W32微粒子排出數量圖16 案例C32微粒子排出數量五、結論本文係利用數值模擬方法，評估牆壁回風亂流型無塵室與天花板回風亂流型無塵室的速度流場分佈與微粒子移動軌跡情況。在本研究中有關影響無塵室性能的因素，包括空的無塵室之回風口設置配置，無塵室內阻礙物與微粒子釋放位置等都有進行分析討論。其結果歸納整理如下所述：1. 回風口設置配置，對微粒子軌跡有很大的影響。採用天花板回風型式者，較採用牆壁回風型式者，其微粒子排除數量最多。2. 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，對天花板回風型式而言，其微粒子排出數量，仍然超出牆壁回風型式者甚多。由此可知天花板回風型式，會比牆壁回風型式更具有有效的通風能力。3. 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。因此，會產生污染源的設備應該儘量設置在接近回風口處，以便能將污染物迅速排出。參考文獻1. Murakami, S., S. Kato, and Y. Suyama, “Three-dimensional numerical simulation of turbulent airflow in ventilational room by means of a two-equation model,” ASHRAE Transactions 93 (2), pp. 621-642. (1987)2. Murakami, S., S. Kato, and Y. Suyama, “Numerical and experiment study of turbulent diffusion fields