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研究生: 徐志佾
Chih-Yi Hsu
論文名稱: 風機濾網機組之性能與噪音分析
Performance and Noise analysis of a Fan Filter Unit
指導教授: 林顯群
Sheam-Chyun Lin
口試委員: 郭振華
陳呈芳
楊旭光
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2019
畢業學年度: 107
語文別: 中文
論文頁數: 223
中文關鍵詞: 風機濾網機組翼形葉片共振器均勻度
外文關鍵詞: Fan Filter Unit, FFU, Fluent, NACA
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本文針對潔淨室送風系統之FFU(Fan Filter Unit)進行改良,使其具備高性能、效率及出風高均勻度等要求,為加速改良進度和減少原型製作成本,先藉由發展成熟的數值CFD軟體Fluent,就FFU之原始設計進行流場模擬;並將計算結果製作各式圖表,以供進行細部流場可視化,經由仔細觀察分析判定流場缺失的位置與產生原因,接著根據流場缺失提出改善方案。歸納分析後判斷,有效之改善參數包括葉片護罩、入口圓錐體、葉輪中心體、NACA翼形葉片、內部流道及出口等部分;同時模擬結果顯示經採用部分參數改善後,在相同轉速1,240 RPM、操作點(270 mmAq)情況下,優化FFU方案之性能與原型 FFU 流量(1,039CFM)相比,其流量有 302 CFM (29%)的巨幅增加,而靜壓效率更從 65.6 %增加至 73.8%。另外出口正向流出區域的面積比例提升至57.66 %,比起原型 FFU 的 45.03 %要高出許多,而原本在出口兩側產生局部高風速現象也獲得改善,這對於過濾器使用壽命的延長以及 FFU 出風均勻度的提高都有很大幫助,整體來看改良之後其各方面的表現都比原型 FFU 風機要來得優異許多。
在噪音方面,研究過程分別使用針對第一及第二特徵頻所設計之共振器,其中探討不同數量對於FFU風機之減噪效果,以及簡諧共振對於其它特徵頻之影響,發現共振器對於特徵頻有明顯的減噪效果;使用第一特徵頻共振器時,令FFU的第一特徵頻降了3~6dBA,在第二特徵頻有2~5 dBA的減噪效果,更在第三、四特徵頻的減噪效果高達10~12 dBA。而使用第二特徵頻共振器時,使FFU風機的第二特徵頻降了5~9 dBA,而其倍頻之第四特徵頻也有5~10 dBA的效果;但其對非倍頻之特徵頻(第一及第三特徵頻)的效果較差,不過仍舊有1~3 dBA 的效果。在共振器之裝設數量上,發現使用5個共振器比3個共振器之表現較佳,以使用第一特徵頻共振器為例,在前四個特徵頻的降噪效果都比3個共振器的案例要多出3~6 dBA。綜觀上述結果得知,本研究之完成可在FFU的設計與開發上,建立具有一套系統化與科學性之分析流程,能提供可信賴的完整分析結果,作為將來生產時的建議及參考依據,且對於提昇FFU整體性能將有所助益。


Nowadays, fan filter unit (FFU) with high-efficiency and low-noise characteristics is in great demand for minimizing the operation costs of the clean room. This demand motivates this numerical investigation to improve flow pattern inside FFU for enhancing its static-pressure efficiency, aerodynamic performance, and the uniform distribution at the discharge. Additionally, Helmholtz resonator is implemented to FFU for reducing the SPL (sound pressure level) of the annoying narrow-band noise. At first, a commercial FFU is chosen to calculate numerically its aerodynamic performances for serving as the comparing base in the framework of CFD code Fluent. The CFD outcomes are in agreement with the experimental results over the entire performance curve. Also, this FFU generates 1,039 CFM with a 65.6% static-pressure efficiency under operation point (270 mmAq) at 1,240 rpm. Later, the computed flow field is analyzed for creating alternatives of further improvement. It follows that the above analysis identifies some important design parameters, such as area and contour of FFT inlet, blade number and airfoil shape of rotor design, FFU casing geometry, and guiding arrangement inside FFU configuration. Consequently, the combination of these optimized parameters are employed to construct the optimum FFU, which is estimated to produce flowrate, static-pressure efficiency, and flow uniformity at FFU outlet as 1,341 CFM, 73.8%, and 57.7% under the operating condition. These performance outcomes represent 29.1% flowrate enhancement and 8.2% efficiency increase. Moreover, an apparent improvement on uniform distribution is well demonstrated by increasing the effective area ratio at FFU outlet from 45.0% to 57.7%, which results in a longer life for the filter.
With respect to the noise analysis, transient CFD simulation of the optimum FFU is executed to generate the acoustic spectrum, which illustrates the harmonic frequencies and the proper locations for resonator application. Thereafter, two Helmholtz resonators aiming at the first two harmonic frequencies are designed and installed onto the improved FFU for reducing the annoying harmonic noise. According to the corresponding CFD simulations, the installation of 5 resonators aiming at the 1st harmonics yields the impressive noise reductions as 6.4 dBA and 5.5 dBA for the first two harmonic frequencies. Also, installation of 5 resonators targeting the 2nd harmonic results in the highest noise reduction (9.9 dBA) on the 2nd harmonic frequency while a minor decrease (2.8 dBA) is observed at the fundamental harmonic frequency. Evidently, the noise-reduction effect is well demonstrated by introducing Helmholtz resonators incorporated with FFU system. In conclusion, this study establishes a systematic and reliable scheme for the performance enhancement and the noise reduction of FFU system via a comprehensive CFD investigation.

目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 圖 索 引 XII 表 索 引 XV 符號索引 XVI 第一章 緒 論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 4 1.2.1 FFU結構研究 4 1.2.2 離心式風機性能研究 11 1.2.3 離心式風機噪音控制 18 1.2.4 數值模擬 22 1.3 研究動機與方法 25 第二章 FFU簡介 31 2.1 FFU之簡介 31 2.1.1 FFU之起源 31 2.1.2 FFU之構造 35 2.1.3 FFU之優勢 40 2.2 風扇設計 41 2.2.1 葉輪設計 42 2.2.2 FFU內部導流設計 48 2.2.3 FFU之出口氣流均衡設計 50 2.3風機噪音及亥姆霍茲共振器 55 2.3.1風扇噪音 55 2.3.2亥姆霍茲共振器設計 61 第三章 數值方法 70 3.1 統御方程式 71 3.2 紊流模式 73 3.2.1 k-ε紊流方程式 73 3.2.2 紊流模式其壁面處理方式 75 3.3 邊界條件設定 80 3.4 數值計算方法 81 3.4.1求解流程 82 3.4.2離散方法 83 3.4.3 速度與壓力耦合 91 3.5 網格品質 95 第四章 原型FFU之數值分析結果 100 4.1 模型網格的建立 100 4.2 性能曲線之模擬驗證 105 4.3 原型FFU之模擬流場觀察 109 4.4 原型風機之流場缺失彙整 115 第五章 葉輪優化之參數整合研究與分析 121 5.1 葉片角度 121 5.2 葉輪之入口直徑、高度與中心體 130 5.2.1葉輪入口直徑 130 5.2.2 葉輪高度 136 5.2.3 葉輪中心體 138 5.3 NACA葉片型式 141 5.5 葉片護罩形狀 143 5.6依操作點所作之參數整合修正 147 5.6.1 葉輪高度與葉片大小 151 5.6.2 葉片護罩之外徑 153 第六章 FFU之流道設計與出口均勻度的優化 158 6.1 變更檔件及底盤 158 6.2 變更箱體以及導流板 162 6.3 整體FFU之改善結果彙整 174 第七章 共振器應用於優化FFU的減噪分析 176 7.1優化FFU之聲場模擬結果 176 7.2共振器之設計尺寸、裝配位置與數量 182 7.3加裝共振器FFU之噪音模擬結果分析 186 第八章 結論與建議 191 8.1 結論 191 8.2 建議 198 參考文獻 200

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