一种基于CFD洁净室风口及孔板排布气流组织优化设计方法与流程

一种基于cfd洁净室风口及孔板排布气流组织优化设计方法
技术领域
1.本发明涉及洁净室气流组织优化设计技术领域，具体为一种基于cfd洁净室风口及孔板排布气流组织优化设计方法。


背景技术：

2.半导体器件的生产对生产环境要求很严，其涉及数百个制造工序，由于其生产技术的特殊性，洁净室环境将直接影响芯片制程工艺的良品率。
3.良好的洁净室气流组织，既能保证房间的洁净度等级，又能有效地避免生产过程中的污染与交叉污染。但在设计过程中，房间的气流组织是无法直观显示的，设计者无法直观地检查房间的气流组织是否合理，因此难免会有一些不当的甚至是错误的设计；面对此类问题，在设计过程中大多采用cfd软件进行气流组织的模拟及演示；
4.然而，洁净室具有众多ffu设备，不同排布方式其气流组织效果相差巨大，现有工程ffu排布大多依靠经验且难以保证其具有较好气流组织形式；
5.洁净室复杂的多孔结构如dcc(干盘管)、百叶风口及高架地板的孔板降低了工程人员建模及计算效率；
6.当洁净室设备两侧出现较高流速的横风将导致附近设置之间交叉污染，涡流将导致洁净室污染物清除能力减弱；
7.当洁净室流线整体倾斜时，使得洁净室内空气龄增大，在部分位置形成死区，上述气流形式极不利于洁净室污染物控制；
8.同时，当出现不满足要求的气流形式时，工程设计人员难以准确、快速的对洁净室结构进行调整，这些问题对工程人员提出了极高要求，限制了cfd数值模拟技术在工程中的便捷、高效及准确的应用；
9.故此提出一种基于cfd洁净室风口及孔板排布气流组织优化设计方法来解决上述所提出的问题。


技术实现要素：

10.(一)解决的技术问题
11.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于cfd洁净室风口及孔板排布气流组织优化设计方法，解决了现有技术存在诸多不足的问题。
12.(二)技术方案
13.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于cfd洁净室风口及孔板排布气流组织优化设计方法，包括：
14.步骤一、根据实际初设图纸确定洁净室内设备位置及ffu(指风机过滤机组)实际数量；
15.步骤二、根据ffu布置率确定ffu可影响区域范围，当ffu不能影响整个洁净区域时，以ffu可影响范围面积最大时位置为ffu布置位置；
16.当ffu可影响整个洁净区域时，以ffu高强度影响面积最大时为ffu布置位置；
17.步骤三、根据实际求解需求，若考虑dcc对洁净室风温的影响，将dcc复杂的管道网状结构简化为与实际尺寸相同的平板，多孔高架地板及风口简化为与实际尺寸相同的平面；
18.若不考虑dcc对洁净室风温的影响，将dcc复杂的管道网状结构及多孔高架地板及风口等简化为与实际尺寸相同的平面；
19.步骤四、以上述模型简化为基础，依据ffu平面图、洁净室结构图、高架地板平面布置图等建立洁净室三维物理模型；
20.步骤五、将建立的三维模型导入网格划分软件进行网格划分，之后利用fluent的软件，使得其根据所需，求解内容、选择相应的控制方程；
21.根据实际工况确定模型边界类型并输入相应参数，并选择合适的求解算法进行计算；
22.步骤六、当求解的控制方程残差减小至要求的范围或所监测的物理量不变或变化幅度极小时，可认为求解收敛，计算结束；
23.步骤七、将计算结果导入后处理软件中，得到洁净室流场分布，当洁净室气流偏转角大时，调整洁净室孔板布置，改善洁净室流场，重新进行步骤五至步骤七，直至气流满足洁净等级要求；
24.当设备表面横风风速高，且设备侧面涡流较大时，调整ffu位置，削弱横风风速及涡流面积；
25.重新进行步骤四至步骤七，直至气流满足洁净等级要求。
26.本发明的有益效果是：
27.(1)本发明给出了ffu初步优化方案，该方案是在洁净室空态，相同ffu布置率时洁净室气流组织最好的形式，极大的方便工程人员快速、高效、准确的进行ffu设备布置。
28.(2)本发明给出了洁净室多孔结构简化建模方法，简化了dcc、风口、孔板等建模操作；
29.基于简化后模型给出了多孔介质或多孔阶跃模型求解简化计算方法，降低了洁净室气流组织模拟的操作难度，提升了工程设计人员洁净室建模及计算求解效率。
30.(3)本发明给出了洁净室设备表面横风和局部涡流的气流组织优化方法，优化后横风风速及涡流面积得到明显减弱；
31.针对洁净室气流倾斜，根据洁净室高架地板下部0.4m、距回风夹道0.5m处平均空气流速与高架地板上表面0.1m处截面平均速度之比k1值大小，给出了以多孔板开孔率大小及布置方式作为调节气流倾斜的方法；
32.上述措施，实现了cfd气流组织模拟技术在工程人员中快捷、高效、准确的应用。
33.(4)本发明给出了洁净室气流组织模拟优化流程，包括从建模、求解、优化等相应步骤，提高了工程设计、施工人员cfd数值模拟效率，使洁净室气流组织模拟更系统化；
34.该技术实施可以缩短工期，且能够保证洁净室具有更好流场，具有良好的社会经济效益。
35.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
36.进一步，所述步骤二中，对ffu初步位置优化，具体包括：
37.a1、根据ffu数量及洁净区域面积计算得到ffu布置率；
38.a2、ffu影响区域为其自身区域面积及相邻四个同面积区域；ffu对无ffu设备区域影响强度分为两个等级，等级1是该区域前后(或左右)位置仅一台ffu，等级2是该区域前后(或左右)位置具有两台ffu设备。
39.a3、当ffu布置率较低(不大于40％)，ffu无法对洁净区域进行全面影响时，选择等级1影响强度区域面积最大的ffu布置位置；
40.a4、当ffu布置率较高(大于40％)，ffu可以对洁净区域进行全面影响时，在保证全面影响时，选择等级2影响强度区域面积最大的ffu布置位置。
41.进一步，所述步骤三中，将dcc、孔板、风口进行简化，当进行热量耦合，dcc可选择多孔介质模型；
42.当不进行热量耦合时，dcc可选择多孔阶跃模型；
43.对于风口及高架地板无直接加载热源部件，将其简化为多孔阶跃模型的平面。
44.进一步，经多孔介质或多孔阶跃简化后，后期在调整其空气流经孔状结构阻力时，对于无简化部件调整孔状结构布置，需重新建模、网格划分、命名等复杂流程，本简化方案无需重复建模、网格划分、命名等过程，仅在边界条件对相关系数进行修改即可完成其阻力变更。
45.进一步，提供多种多孔板简化计算方法；
46.当dcc需要加载热源项时，按照dancy'slawmodel将其简化为实体平板，依据实际测试得到的阻力与流速关系，依据实际测试得到的阻力与流速关系，根据下式拟合得到渗透率α和惯性阻力系数c2。
[0047][0048]
进一步，当dcc不加载热源项时，将其与孔板、风口等多孔部件简化为平面，按照多孔阶跃条件，依据实际测试得到的阻力与流速关系，根据下式拟合得到渗透率α和惯性阻力系数c2。
[0049][0050]
进一步，对于流体流经多孔板时，当re＞30时，且开孔率不超过50％，孔板阻力特性仅与开孔率有关，与孔板厚度、孔板孔径大小及re数均无关，在开孔均匀布置情况下，开孔率n与阻力系数ε关系式为：
[0051]
ε＝25426
×
n-2.051
r2＝0.9931
[0052]
根据阻力系数ε，计算得到局部阻力大小
△
pj：
[0053][0054]
忽略孔板沿程阻力，即：
[0055]
δp＝δpj[0056]
根据总阻力与动量方程源项si之间关系：
[0057]
δp＝si*l
[0058]
式中，l为垂直空气流动方向的孔板厚度。
[0059]
得到:
[0060][0061]
由于洁净室流体的粘性阻力很小，当α＝1时可忽略速度一次项影响，通过局部阻力即可计算惯性阻力系数c2。
[0062][0063]
进一步，所述的孔板阻力系数与开孔率之间关系经大量实验拟合回归得到，根据回归公式，考虑洁净室孔板特点对速度一次项系数进行进一步优化；
[0064]
该方法模拟与实验得到相互验证，具有较好反映气体流经多孔板压降及流速变化特点。
[0065]
进一步，所述步骤五中，fluent包含多个湍流模型，其中realizable k-ε模型对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的表现；
[0066]
因此，本研究选取的湍流模型为realizable k-ε模型；
[0067]
在realizable k-ε湍流模型中包括多种壁面函数，menter-lechner壁面函数对不同re范围及不同边界层厚度均表现出较好的适应能力；
[0068]
在流场求解中使用有限体积法，压力和速度耦合采用simple算法，动量和能量方程采用二阶迎风弥散格式，湍流动能k和湍流耗散率ε采用一阶迎风弥散格式；
[0069]
所述气流控制方程为雷诺时均navier-stokes方程，包括连续性方程、动量方程、能量方程的张量形式：
[0070][0071][0072][0073]
其中，表示reynold应力,表示湍流热流量。
[0074]
进一步，所述步骤七中，当洁净室布置生产工艺设备后，设备上表面横风强度较高，且设备侧面涡流面积大时，应调整ffu出风口位置，调整原则为出风口错开设备上表面放置，重新进行步骤四至步骤七操作直至满足要求。
[0075]
进一步，所述步骤七中，单向流洁净室对洁净室流线要求较高，当ffu布置率超过40％，洁净室流线发生偏转不满足要求时，根据洁净室高架地板下部0.4m、距回风夹道0.5m处平均空气流速与高架地板上表面0.1m处截面平均速度之比k1值，进行洁净室孔板开孔率布置；
[0076]
[0077]
其中，v
x
表示洁净室高架地板下部0.4m、距回风夹道0.5m处平均空气流速，vb为高架地板上表面0.1m处截面平均流速大小；
[0078]
经本人大量实验及模拟发现流线倾斜主要受下夹层空气流动与洁净室孔板附近流速之比的影响，几乎不受ffu出口风速的影响；
[0079]
同时无论是单侧回风夹道还是双侧回风夹道形式，或下夹层高度为何值此结论仍然成立；
[0080]
当洁净室距回风夹道较短时(距最近回风夹道距离不超过6m)可分两段非均匀铺设；当洁净室距回风夹道较长时，不均匀开孔可分多段布置；其孔板布置方式于k1值关系如下：
[0081][0082][0083]
进一步，当洁净室流线倾斜时，通过对洁净室不同结构形式、不同下夹层高度、不同房间纵深、不同ffu布置率及不同ffu流速进行多方位模拟，得到k1值与地板开孔率布置关系仍适用，并将模拟结果与实验对比得到基于k1值范围选取孔板布置方式的快捷优化策略，极大的提高了工程设计人员气流组织优化效率。
附图说明
[0084]
图1为洁净室气流组织优化流程图；
[0085]
图2为ffu影响区域及强度示意图；
[0086]
图3为ffu平面布置图；
[0087]
图4为孔板模型简化图；
[0088]
图5为参数数据拟合图；
[0089]
图6为案例1流场优化前模型图；
[0090]
图7为案例1流场优化后模型图；
[0091]
图8为网格划分示意图；
[0092]
图9为优化前流场截面图；
[0093]
图10为优化后流场截面图；
[0094]
图11为案例2模型结构图；
[0095]
图12为优化前流场流线图；
[0096]
图13为优化后流场流线图。
[0097]
图中：1、回风夹道；2、dcc；3、设备；4、ffu；5、孔板；6、平板；7、平面。
具体实施方式
[0098]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0099]
实施例中，图1为洁净室气流组织优化设计方法流程图，包括以下步骤：
[0100]
步骤一、根据实际初设图纸确定洁净室内设备位置(如干盘管、工艺生产设备等)及ffu实际数量。
[0101]
步骤二、根据ffu布置率确定ffu可影响区域范围，当ffu不能影响整个洁净区域时，以ffu可影响范围面积最大时位置为ffu布置位置；当ffu可影响整个洁净区域时，以ffu高强度影响面积最大时为ffu布置位置；包括以下内容：
[0102]
a1、根据ffu数量及洁净区域面积计算得到ffu布置率；
[0103]
a2、ffu(图2中“x”所示位置)影响区域为其自身区域面积及相邻四个同面积区域(图2中“x”、“1”和“2”所示位置)；ffu对无ffu设备区域影响强度分为两个等级，等级1(图2中“1”所示位置)是该区域前后(或左右)位置仅一台ffu，等级2(图2中“2”所示位置)是该区域前后(或左右)位置具有两台ffu设备。
[0104]
a3、当ffu布置率较低(一般不大于40％)，ffu无法对洁净区域进行全面影响时，选择等级1影响强度区域面积最大的ffu布置位置；
[0105]
a4、当ffu布置率较高(大于40％)，ffu可以对洁净区域进行全面影响时，在保证全面影响时，选择等级2影响强度区域面积最大的ffu布置位置。
[0106]
图2为布置率均为30％时两种布置方式示意图，由于ffu无法对洁净区域进行全面影响时，因此等级1影响强度区域面积最大的ffu布置位置其气流更好(左侧)。
[0107]
步骤三、根据实际求解需求，若考虑dcc对洁净室风温的影响，将dcc复杂的管道网状结构简化为与实际尺寸相同的平板，多孔高架地板及风口简化为与实际尺寸相同的平面；若不考虑dcc对洁净室风温的影响，将dcc复杂的管道网状结构及多孔高架地板及风口等简化为与实际尺寸相同的平面。
[0108]
步骤四、以上述模型简化为基础，依据ffu平面图、洁净室结构图、高架地板平面布置图等建立洁净室三维物理模型。
[0109]
步骤五、将建立的三维模型导入网格划分软件，对模型进行离散化处理，设置模型的网格尺寸及网格类型，进行网格划分。将划分好的模型导入fluent软件中，根据所需求解内容，选择相应的控制方程；根据实际工况确定模型边界类型并输入相应参数，并选择合适的求解算法进行计算。
[0110]
步骤六、当求解的控制方程残差减小至要求的范围(如连续性方程小于10e-4、能量方程小于10e-6)或所监测的物理量不变或变化幅度极小时，可认为求解收敛，计算结束。
[0111]
若残差或监测值无法达到收敛要求时，需对步骤四网格设置、边界条件及求解算法进行调整，直至满足收敛条件。
[0112]
步骤七、将计算结果导入后处理软件中，得到洁净室流场分布，当洁净室气流偏转角大时，调整洁净室孔板布置，改善洁净室流场，重新进行步骤五至步骤七，直至气流满足洁净等级要求。
[0113]
当设备表面横风风速高，且设备侧面涡流较大时，调整ffu位置，削弱横风风速及涡流面积。重新进行步骤四至步骤七，直至气流满足洁净等级要求。
[0114]
对于洁净室横风风速及涡流面积较大的气流优化，以某电子芯片厂房为例，其洁净区面积约为1150
㎡
，上夹层高2m、洁净室高度为4.5m，下夹层高6.4m，洁净等级为百级，孔板开孔率为17％。其空气净化系统为组合式新风机组(mau)+风机过滤器单元(ffu)+干盘管(dcc)，新风经mau处理后送入上夹层，经ffu以一定风速送入洁净室内，将洁净室空气通过地板孔板置换至下夹层，空气再由下夹层经dcc表冷至一定温度后送入回风夹道，直至回到上夹层与新风混合，再进行相同循环。
[0115]
(1)图纸信息确认
[0116]
首先根据原有图纸确定洁净室结构形式及dcc工艺生产设备等布置位置，其ffu数量为278台。
[0117]
(2)计算ffu布置率约为35％，ffu无法对洁净区域进行全面影响时，选择等级1影响强度区域面积最大的ffu布置位置，如图3所示。
[0118]
(3)多孔模型简化
[0119]
如dcc需要在该位置加载冷/热源项时，将其简化为多孔介质dancy's law model，若无需加载热源，为更加简化模型及提升求解效率将模型简化为多孔阶跃即可，此时对多孔部件做面命名即可，无需做体划分。
[0120]
本案例针对洁净室气流形式进行模拟，暂不考虑风温的变化，因此对dcc及高架孔板简化为平面(多孔阶跃模型)，如图4所示为多孔板简化示意图。将其与孔板、风口等多孔部件简化为平面。以dcc为例，其厚度为0.2m，按照多孔阶跃条件，依据实际测试的阻力与流速数值，得到如图4所示的阻力与流速拟合关系：
[0121]
δp＝5.242
×
v+3.866
×
v2[0122]
根据下式拟合得到渗透率α和惯性阻力系数c2。
[0123][0124]
计算得到：
[0125]
α＝0.00000068295；c2＝31.72。
[0126]
对于流体流经多孔板时，孔板阻力特性仅与开孔率有关，与孔板厚度、孔板孔径大小及re数均无关，在开孔均匀布置情况下，开孔率与阻力系数关系式为：
[0127]
ε＝25426
×
n^(-2.051)r^2＝0.9931
[0128]
式中ε为局部阻力系数，n为孔板开孔率。
[0129]
根据阻力系数ε，计算得到局部阻力大小
△
pj：
[0130][0131]
忽略孔板沿程阻力，即：
[0132]
δp＝δpj[0133]
根据总阻力与动量方程源项si之间关系：
[0134]
δp＝si*l
[0135]
式中，l为垂直空气流动方向的孔板厚度。
[0136]
得到:
[0137][0138]
由于洁净室流体的粘性阻力很小，当α＝1时可忽略速度一次项影响，通过局部阻力即可计算惯性阻力系数c2：
[0139][0140]
计算得到
[0141][0142]
(4)模型建立
[0143]
依据图纸信息及模型简化内容，建立如图6所示的数值仿真模型。
[0144]
(5)网格划分及参数设置
[0145]
将模型导入网格划分软件进行网格划分，如图8所示，并导入fluent中进行参数设置，所述气流控制方程为雷诺时均navier-stokes方程，包括连续性方程、动量方程、能量方程的张量形式：
[0146][0147][0148][0149]
其中，表示reynold应力,表示湍流热流量。
[0150]
fluent包含多个湍流模型，其中realizable k-ε模型对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的表现。因此，本案例选取的湍流模型为realizable k-ε模型。在realizable k-ε湍流模型中包括多种壁面函数，经研究发现，menter-lechner壁面函数对不同re范围及不同边界层厚度均表现出较好的适应能力。在流场求解中使用有限体积法，压力和速度耦合采用simple算法，动量和能量方程采用二阶迎风弥散格式，湍流动能k和湍流耗散率ε采用一阶迎风弥散格式。下表为边界条件具体参数设置：
[0151][0152][0153]
(6)求解后处理及优化设置
[0154]
基于上述设置进行模拟求解，达到收敛条件后，导入cfd-post等后处理软件得到速度云图或倾角云图等信息。
[0155]
①
当设备上方出现明显横风或设备侧面涡流面积较大时，对ffu位置进行调整，其调整目的为减弱设备两侧横风、涡流强度及范围。ffu调整原则为避免ffu风口直吹设备正上方，使ffu风口绝大部分区域与设备上表面错开。重新进行(4)(5)(6)过程直至流线达到要求。
[0156]
依据上述原则对洁净室ffu位置进行优化，优化后模型如图7所示，如图9、图10所示为优化前后截面速度云图，可发现经上述优化原则后，设备两侧横风及涡流几乎得到消除，极大的提高了气流流线质量，达到洁净室气流要求。
[0157]
②
本发明根据洁净室高架地板下部0.4m、距回风夹道0.5m处平均空气流速与高架地板上表面0.1m处截面平均速度之比k1值不同，给出了高架地板开孔板的布置方式。
[0158]
经研究表明流线倾斜主要受下夹层空气流动与洁净室孔板附近流速之比的影响，几乎不受ffu出口风速的影响。同时无论是单侧回风夹道还是双侧回风夹道形式，或下夹层高度为何值此结论仍然成立。当洁净室距回风夹道较短时(距最近回风夹道距离不超过6m)，可分两段非均匀铺设；当洁净室距回风夹道较长时，不均匀开孔可分多段布置。
[0159][0160][0161]
为更好说明经研究得到的流线偏转优化方法，选取了另一模型进行分析，如图11所示为模型示意图，下夹道高度为0.9m，洁净室净高为4.5m，上夹层高度为2m，洁净室内距回风夹道最远距离为9m，孔板布置率为50％，开孔率均为17％，由于其流场具有对称性，仅取单侧流场进行分析。
[0162]
经步骤(3)(4)(5)(6)得到如图12所示的流线图，洁净室内流场流速倾斜角度明显
较大，经计算得到距高架地板1m高度截面平均倾斜角度为34.2
°
，k1＝14≥9。根据表格中k1值范围，对洁净室孔板分三段布置，设置开孔率分别为10％-17％-25％，其所有孔板平均开孔率和优化前相同，均为17％，很好的保证了优化前后洁净室与上夹层压差相同，得到如图13所示的优化后流场流线示意图。经上述方法
②
优化后流场流线由1m高度截面倾斜角度34.2
°
减小至7.9
°
，倾斜角度减小了77％，极大地提高了洁净室流线质量。。
[0163]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0164]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。