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基于CFD的洁净室气固两相流数值模拟与特性分析

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代工业与科研领域，洁净室发挥着举足轻重的作用，堪称保障产品质量与实验准确性的关键设施。从半导体制造、精密光学仪器生产，到生物制药、医疗手术等，诸多对环境要求严苛的行业，都离不开洁净室提供的高度洁净环境。

以半导体芯片制造为例，随着芯片制程技术不断向更小尺寸迈进，如今已进入埃米时代，对生产环境洁净度的要求达到了前所未有的高度。哪怕是极其微小的尘埃颗粒，一旦落在芯片上，都可能导致电路短路、性能下降甚至报废等严重后果。在这种情况下，洁净室通过高效的空气过滤系统、合理的气流组织以及严格的环境控制，确保每立方米空气中≥0.1μm的颗粒数量控制在极低水平，为芯片制造提供稳定可靠的生产环境，从而保障芯片的良品率和性能。

再如生物制药行业，药品的生产过程必须严格遵循GMP（药品生产质量管理规范），以确保药品质量和安全性。生物洁净室能够有效控制生产环境中的微生物数量和微粒污染，防止药品受到污染，保证药品的疗效和稳定性。在疫苗生产中，洁净室的环境控制直接关系到疫苗的质量和安全性，对全球公共卫生事业具有重要意义。

在洁净室中，气固两相流现象普遍存在，各种固体颗粒物在气体的携带下运动，其运动特性和分布规律对洁净室的净化效果起着决定性作用。如果不能有效控制气固两相流，颗粒物就可能在洁净室内积聚、扩散，从而降低洁净室的洁净度，影响生产工艺和产品质量。因此，深入研究洁净室内的气固两相流，对于优化洁净室设计、提高净化效率、降低运行成本具有重要的现实意义。

传统的洁净室设计方法主要依赖经验公式和实验研究。然而，经验公式往往具有一定的局限性，难以准确描述复杂的气固两相流现象；而实验研究则存在成本高、周期长、难以进行精细参数调整等缺点。随着计算机技术和计算流体力学（CFD）的飞速发展，数值模拟方法为洁净室气固两相流的研究提供了新的有效手段。通过数值模拟，可以在计算机上构建洁净室模型，模拟不同工况下气固两相流的运动过程，获得详细的流场信息和颗粒物分布数据。这不仅能够节省大量的实验成本和时间，还可以对各种设计方案进行快速评估和优化，为洁净室的设计和运行提供科学依据。此外，数值模拟还可以深入研究气固两相流的内在机理，揭示颗粒物的运动规律和影响因素，为进一步提高洁净室的性能提供理论支持。在节能减排方面，通过数值模拟优化洁净室的气流组织和通风系统，能够在保证洁净度的前提下降低能耗，实现可持续发展。

1.2国内外研究现状

在洁净室气固两相流数值模拟领域，国内外学者开展了大量研究，取得了丰硕成果，推动着该领域不断向前发展。

国外方面，早期研究聚焦于建立基础的数值模型来描述气固两相流。如[具体学者1]率先运用欧拉-拉格朗日方法，将气体视为连续相，用欧拉方程描述；把颗粒物当作离散相，通过拉格朗日方程追踪其运动轨迹，为后续研究奠定了理论基础。随着研究深入，[具体学者2]考虑了颗粒物与壁面的碰撞反弹，完善了离散相模型，使模拟结果更接近实际情况。在实验验证方面，[具体学者3]搭建了高精度的实验平台，利用激光粒子动态分析仪（PDA）等先进设备，对不同粒径颗粒物在洁净室中的运动进行测量，为数值模拟提供了可靠的实验数据对比。在实际应用中，国外半导体企业如英特尔，在芯片制造洁净室设计阶段，广泛运用数值模拟技术优化气流组织，显著提高了芯片生产的良品率。

国内的研究起步相对较晚，但发展迅速。众多高校和科研机构积极投入到该领域的研究中。[具体高校或科研机构1]针对国内制药洁净室的特点，建立了考虑热质传递和气固两相流耦合作用的数值模型，深入研究了不同工况下洁净室内的气流分布和颗粒物扩散规律，为制药企业的洁净室优化提供了理论支持。[具体高校或科研机构2]在研究中采用大涡模拟（LES）方法，对洁净室复杂的湍流流场进行精细模拟，更准确地捕捉了气流的瞬态特性和颗粒物的随机运动，提高了模拟精度。此外，国内的一些企业也开始重视数值模拟技术在洁净室设计中的应用，如华为在其电子设备生产洁净室的改造项目中，通过数值模拟优化通风系统，在保证洁净度的同时降低了能耗。

尽管国内外在洁净室气固两相流数值模拟方面已取得显著进展，但仍存在一些不足和空白。在模型方面，现有的模型在处理复杂边界条件和多物理场耦合问题时，准确性和适用性有待提高，例如对于存在强电磁干扰或化学反应的洁净室环境，目前的模型难以准确描述气固两相流的特性。在实验验证方面，实验数据的获取难度较大，尤其是针对纳米级颗粒物的实验研究相对较少，限制了数值模拟结果的验证和改进。此外，不同行业的洁净室具有独特的工艺要求和环境特点，目前的研究缺乏对各行业针对性的深入分析，难以满足实际工程中多样化的需求。在多尺度模拟方面，如何将微观尺度的颗粒物特性与