Application of CFD in C/R Design 胡石政 以統計分析粒子的移動軌跡來評 估亂流型無塵室之通風性能

大 綱 前 言前 言文 獻 回 顧文 獻 回 顧數 學 模 式數 學 模 式數 值 模 擬 分 析數 值 模 擬 分 析結 果 與 討 論結 果 與 討 論總 結總 結前 言前 言文 獻 回 顧文 獻 回 顧數 學 模 式數 學 模 式數 值 模 擬 分 析數 值 模 擬 分 析結 果 與 討 論結 果 與 討 論總 結總 結

前 言前 言前 言前 言  亂流型無塵室與商業大樓辦公室之差異  換氣次數  商業大樓辦公室： 2 ~ 10 次 / 時  亂流型無塵室： 20 ~ 60 次 / 時  送風目的  商業大樓辦公室：滿足舒適條件  亂流型無塵室：室內混合、稀釋與置換污染空氣

文 獻 回 顧文 獻 回 顧文 獻 回 顧文 獻 回 顧  Murakami 等人曾經對亂流型無塵室之流場與 擴散場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 (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 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。 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 (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。 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 (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 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。 元內擴散，然後再由回風口排出。

數學模式 - 平均流場模擬  由 Eulerian 方程式，所得之穩態氣流運動方程式 速度分量 變數 ψ 的有 效變換係數 源項

數學模式 - 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 為 0 ~ 1 的隨機分佈數 紊流動能

數學模式 - 粒子運動方程式  對以 Lagrangian 為架構之粒子作用力平衡方程式， 來預測分離相之粒子運動軌跡，以下列式子表示 ( 在直角座標 X 方向 ) ： 粒子單位質量的 阻力 作用在粒子 上之重力 其他作用力

數 值 模 擬 分 析數 值 模 擬 分 析數 值 模 擬 分 析數 值 模 擬 分 析  基本假設  (1) 流體為不可壓縮、絕熱與三維穩態紊流  (2) 高架地板開孔率為 11%  (3) 粒子為球狀固體  (4) 連續相與分離相，不發生交互作用

無塵室模型簡介  室內具有 9 個送風口的亂流型無塵室模型  牆壁回風、天花板回風、高架地板回風  箱型阻礙物：  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：分成 0.1μm 、 0.5μm 與 1.0μm  每組粒子由線 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。

模型1牆壁回風模型1牆壁回風模型1牆壁回風模型1牆壁回風 出風口 回風口 阻礙物 粒子源

模型2天花板回風模型2天花板回風模型2天花板回風模型2天花板回風 出風口 回風口 阻礙物 粒子源

模型3高架地板回風模型3高架地板回風模型3高架地板回風模型3高架地板回風 出風口 回風口 阻礙物 粒子源

網 格 架 構網 格 架 構網 格 架 構網 格 架 構 (a) 牆壁與天花板回風 格點分布 52(x) x 52(y) x 18(z) (b) 高架地板回風 格點分佈 52(x) x 52(y) x 34(z)

數值模擬與實驗比較 - 牆壁回風  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 / 2 ～ 1 / 3 高度處，氣流就 停止上升，並形成滯留區域。

數值模擬與實驗比較 - 天花板回風  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。

數值模擬與實驗比較 - 天花板回風  加設一阻礙物與室內正中央後，中央送風口氣流 撞擊到阻礙物後，向阻礙物兩側擴散，並且產生 迴旋氣流區域。

送 風 速 度 0.35 m/s 無 阻 礙 物  牆壁回風  天花板回風  高架地板回風 回 風 方 式 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 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 氣流部分經由高架地板排出，部 分則沿著牆壁或在兩相鄰送風噴 流間，形成較弱的氣流往上移動

牆 壁 回 風 送 風 速 度 0.35 m/s  室內正中央  室內中央與 牆壁間  鄰近牆壁處 阻礙物設置 1. 牆壁附近的氣流，會沿著牆壁 朝向天花板移動 2. 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 3. 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 1. 阻礙物上方的氣流，自天花板 降下後，就朝向阻礙物流動 2. 接近阻礙物上方，有些許的渦 流產生 3. 氣流均能上升抵達到天花板 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 流分佈均與置於室內正中央類似

阻礙物設置與微粒排出數量之關係 牆壁回風 - 送風速度 0.35 m/s  案例 W31 中，會有最多數量的微粒子，自回風口排出 。  因送風噴流與環繞其四周之上升氣流，限制微粒子的擴散， 且氣流下降引導微粒子朝向牆壁之回風口移動 。  當阻礙物置於室內中央送風口正下方時，通風效率就會增大 編號阻礙物設置 W3 0 無 W3 1 室內正中央 W3 2 室內與牆壁之間 W3 3 鄰近牆壁

天 花 板 回 風 送 風 速 度 0.35 m/s 阻礙物設置  室內正中央  室內中央與 牆壁間  鄰近牆壁處 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。 阻礙物係置於鄰近牆壁處，流場 分佈情形與置於室內正中央類似

阻礙物設置與微粒排出數量之關係 天花板回風 - 送風速度 0.35 m/s  案例 C31 ，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減小。  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。 編號阻礙物設置 C30無 C31室內正中央 C32室內與牆壁之間 C33鄰近牆壁

高 架 地 板 回 風 送 風 速 度 0.35 m/s 阻礙物設置  室內正中央  室內中央與 牆壁間  鄰近牆壁處 1. 鄰近牆壁的氣流，均沿著兩 側牆壁朝向天花板上升移動 2. 兩相鄰送風口間之氣流，從 天花板降下後，氣流斜向移 動 3. 中央送風口的送風噴流，在 撞擊到阻礙物後，向兩旁擴 散形成斜向氣流，並且在斜 向氣流上方與阻礙物兩側產 生渦流 1. 阻礙物上方的氣流，自天花板降下 後，會在阻礙物上方形成小渦流 2. 在兩相鄰送風噴流間之上升氣流與 自天花板之下降氣流交會處，形成 了停滯不動的氣流 鄰近牆壁處與室內正中央之氣 流分佈情形類似

阻礙物設置與微粒排出數量之關係 高架地板回風 - 送風速度 0.35 m/s  案例 F31 中，微粒子排出數量最少。  案例 F33 中，微粒子排出數量最多。 編號阻礙物設置 F30無 F31室內正中央 F32室內與牆壁之間 F33鄰近牆壁

回風方式與阻礙物位置結果 室內中央送 風口正下方 兩相鄰送風 噴流之間 鄰近牆壁 牆壁回風佳差差 天花板回風差佳佳 高架地板回風差差佳 微 粒 子 排 除 量 障礙物位置 回風方式

微粒子排除效率之比較編號阻礙物設置微粒子排除效率W31牆壁回風最佳通風效率室內正中央差 C31天花板回風最差通風效率室內正中央佳 F32高架地板回風最差通風效率室內與牆壁之間佳

粒子釋放位置 - 牆壁回風 釋放微粒子排出效率： 自線 E 位置釋放時，其微粒子排出數量最多 從線 B 位置釋放時，則微粒子排出數量最少

粒子釋放位置 - 天花板回風 釋放微粒子排出效率： 從線 F 位置釋放微粒子，效率最佳； 從線 A 位置釋放微粒子，效率最差； 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。 釋放微粒子排出效率： 從線 F 位置釋放微粒子，效率最佳； 從線 A 位置釋放微粒子，效率最差； 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。

粒子釋放位置 - 高架地板回風 釋放微粒子排出效率順序： 線 A 與 B > 線 C 與 D > 線 E 與 F

換 氣 率 - 牆壁回風  送風速度 0.35 m/s  送風速度 0.7 m/s

換 氣 率 – 天花板回風  送風速度 0.35 m/s  送風速度 0.7 m/s

換 氣 率 – 高架地板回風  送風速度 0.35 m/s  送風速度 0.7 m/s

總 結總 結總 結總 結  回風口設置配置，其微粒子排除數量： 高架地板回風 > 天花板回風 > 牆壁回風 高架地板回風 > 天花板回風 > 牆壁回風  當室內有阻礙物時，其通風效率： 高架地板回風 > 天花板回風 > 牆壁回風。 高架地板回風 > 天花板回風 > 牆壁回風。  微粒子釋放位置越接近回風口，則微粒子愈容 易被排出。  若送風口大小、位置與數量維持不變，將送風 速度由 0.35m/s 提高至 0.7m/s 時，對速度流場 分佈與微粒子軌跡的影響不大。

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