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研究生:林彥廷
研究生(外文):LIN,YAN-TING
論文名稱:內部流場優化對潔淨風機性能的改善研究
論文名稱(外文):Study of the Performance Improvement of a Clean-Room Ventilator by Internal Flow field Optimization
指導教授:劉旭光劉旭光引用關係
指導教授(外文):Liou,Shiuh-Guang
口試委員:許立傑陳慶耀
口試委員(外文):Hsu,Li-ChiehChen, Ching-Yao
口試日期:2019-07-09
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2019
畢業學年度:107
語文別:中文
論文頁數:93
中文關鍵詞:離心式風扇風機過濾組導流圓罩
外文關鍵詞:centrifugal fanfan filter unitguiding cover
相關次數:
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本論文的研究對象為常用於無塵室內的風機過濾組(Fan Filter Unit,簡稱FFU),由一離心式葉輪安置於一長方形箱體內所構成。研究的重點為在不更動離心式葉輪的前提下,嘗試變更箱體內部構造及箱體本身的設計,來達到優化風機內部流場,進而提升FFU性能表現及效率的目的。
研究中係利用Solidworks來繪製模型,再將其匯入ANSYS-CFX軟體內進行模擬。設計變更主要分為兩大方向,首先是針對現有的箱體模型進行局部修改,包括依序移除機殼內部主要零件以評估其必要性、變更支撐底板與渦殼寬度、在支撐底板兩側加裝導流片、在機殼的四個角落處加裝導流板、入風口的改良以及機殼高度修改。其次則是將箱體內部現有的全部零件移除後,改為考慮在葉輪上下方先後安裝一外圓罩及底部圓罩,評估改變底部圓罩與外圓罩各項設計參數所帶來的影響,並針對底部圓罩的設計及外圓罩的圓弧形狀進行改良,最終整合出一效率表現最佳的雙圓罩模型。
由研究結果顯示,當箱體內部的零件依序被移除後,內部流場會變得越來越複雜,尤其是在移除渦殼後,葉輪的需求扭力大幅提高,導致性能表現下滑。由此可知,渦殼及支撐底板的存在對於箱體內部流場分布及性能表現是具有相當的影響力的。而在支撐底板兩側加裝導流片來取代角鐵,或是將機殼方形入口修改都能提升FFU的風壓及效率,且可減少材料成本。至於在機殼角落加裝導流板或變更支撐底板與渦殼寬度,則對效率的影響非常有限。
而在圓罩設計部分,底部圓罩與外圓罩的各項設計參數均存有一最佳值,整合所有設計參數的結論,並進一步將外圓罩的圓弧形狀改良為雙圓弧後,能同時達到匯集及引導氣流,形成類似擴散器的作用,使風機各方面的表現都有顯著的提升,其中葉輪的需求扭力降低了14.66%,而效率則提升了8.1%。

The object of this study is the Fan Filter Unit (FFU for short) commonly used in the clean room, which is composed of a centrifugal impeller placed in a rectangular casing. The focus of this research is to try to change the internal structure inside the casing or the design of the casing itself without altering the centrifugal impeller to optimize the internal flow field of the FFU, and thereby improving its performance and efficiency.
In this study, Solidworks was used to draw the model, which was then imported into the ANSYS-CFX software for simulation. The design change is mainly divided into two major directions. The first is to modify the existing box model locally, including removing the main parts inside the casing to evaluate its necessity, changing the width of the supporting plate and the volute, adding guide vanes on both sides of the supporting and baffles at four corners of the casing, modifying the air inlet and the height of the casing. Secondly, after removing all the existing parts inside the casing, a top and bottom cover are considered to install on the upper and lower sides of the impeller, and related design parameters are evaluated and modified to reach a optimized double cover design with the best performance.
According to the results, when the parts inside the casing are removed in sequence, the internal flow field do become more and more complicated, especially after the volute is removed. The torque required to drive the impeller is greatly increased, resulting in declined performance. It indicates that the existence of the volute and the supporting plate does have a considerable influence on the internal flow field distribution and performance of the unit. The addition of the guide vanes on both sides of the support plate to replace the angle iron, or the modification of the square air entrance of the casing do improve the static pressure and efficiency of the FFU, and can cut down the material cost. As for the addition of baffles at the corners inside the casing or changing the width of the support plate and volute, the effect on efficiency is very limited.
As for the cover, optimal design parameters exist for both the top and bottom cover. The conclusions obtained for all the design parameters are integrated to reach the final double cover design, which can collect and guide the internal airflow and act like a diffuser. This can in turn significantly improve the performance in all aspects of the fan. The demanding torque of the impeller is reduced by 14.66%, and the efficiency is increased by 8.1%.

摘要 i
Abstract i
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vii
圖目錄 viii
符號說明 xii
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 2
1-2.1 潔淨室風機性能改善的數值模擬 2
1-2.2 康德效應(Coanda effect) 4
1-2.3 流場內迴流現象 6
1-3 研究動機與目的 8
第二章 研究基礎 9
2-1 FFU風機過濾組簡介 9
2-2 離心式風扇構造與葉片種類 10
2-3 邊界層分離 11
2-4 風機過濾組FFU之構造 12
2-5 風機效率的計算方式 12
第三章 研究方法與規劃 13
3-1 模擬軟體 13
3-1.1 ANSYS CFX模擬軟體 13
3-1.2 ANSYS CFX前處理器 14
3-1.3 ANSYS CFX求解器 15
3-1.4 ANSYS CFX後處理器 15
3-2 模擬流程 15
3-2.1 建立模擬計算空間 16
3-2.2 建立網格 18
3-2.3 邊界條件參數設定 21
3-2.4 性能數據擷取位置 24
3-2.5 計算結果重複性 25
3-3 設計變更規劃 26
3-3.1 原始模型箱體構件修改 27
3-3.1.1 原始構件的再評估 27
3-3.1.2 支撐底板與渦殼寬度 27
3-3.1.3 支撐底板加裝導流片 28
3-3.1.4 機殼四角加裝導流板 28
3-3.1.5 入風口改良 29
3-3.1.6 機殼高度 29
3-3.2 圓罩模型設計 30
3-3.2.1 單一底部圓罩 30
3-3.2.2 雙圓罩設計 31
3-3.2.3 底部圓罩改良 32
3-3.2.4 外圓罩形狀改良 32
第四章 結果與討論 33
4-1 流場模擬結果觀察說明 33
4-2 現有風機結構簡化的可行性 35
4-3 支撐底板與渦殼寬度變更之影響 39
4-4 支撐底板加裝導流片的影響 40
4-4.1 導流片圓弧之半徑 40
4-4.2 支撐底板加裝導流片圓弧角度變化之影響 42
4-5 機殼四角加裝導流板圓弧半徑變化之影響 44
4-6 入風口改良之影響 45
4-7 機殼高度變化之影響 47
4-7.1 機殼上方與葉輪上板間距之縮減 47
4-7.2 機殼下方與馬達底部距離縮減之影響 50
4-7.3 機殼高度縮減的整合考量 52
4-8 單一底部圓罩設計之影響 54
4-8.1 底部圓罩中心平面直徑 54
4-8.2 底部圓罩外側圓弧半徑變化之影響 56
4-9 雙圓罩設計之影響 58
4-9.1 外圓罩高度 59
4-9.2 外圓罩出口直徑 61
4-10 底部圓罩改良之影響 63
4-11 外圓罩形狀改良之影響 65
4-11.1 倒圓弧外圓罩之影響 66
4-11.2 雙圓弧外圓罩 68
4-11.3 不同圓弧形狀外圓罩 71
4-12 雙圓罩模型套用不同葉輪設計後之評估 72
4-13 原始模型與雙圓罩模型之性能曲線 74
第五章 結論與未來建議 76
5-1 結論 76
5-2 未來建議 78
參考文獻 79


[1]陳弘毅,2000,“高效率高善過濾組之開發”,國立勤益科技大學冷凍空調與能源系碩士論文.
[2]蔡永隆,2008,“風機濾網機組性能之數值與研究”,國立台灣科技大學機械工程系碩士論文.
[3]Tritton, D.J., Physical Fluid Dynamics, Van Nostrand Reinhold, 1977 , Section 22.7, “The Coanda Effect”.
[4]Barlow, C, Lewis, D., Prior, S.D., Odedra, S., Erbil, M., Karamanoglu, M.,and Collins R.,2009, “Investigating the Use of the Coanda Effect to Create Novel Unmanned Aerial Vehicles”, Proceedings of the International Conference on Manufacturing and Engineering Systems, pp.386-391.
[5]林漢唐,“窗型對流裝置設計與製作之研究”,2016,國立聯合大學機械工程系碩士論文.
[6]吳凱文,2002,“利用可視化流場實驗修正機合式軸流風扇之翼形”,國立清華大學碩士論文.
[7]雷顯宇,2018,“具障礙物平行板層流場及迴流區數值分析”,國立台灣海洋大學機械與機電工程學系碩士論文.
[8]http://www.wuchenchejian.com.cn/xingyezixun/25-313.html.
[9]https://en.wikipedia.org/wiki/Flow_separation
[10]張世鄉, 陳維方, 龔傑且鐘明吉, 流體力學(第五版), 全華科技圖書股份有限公司, pp. 2-21.
[11]謝宇佑,2018,“離心式風扇設計變更對潔淨風機性能的改善研究”,國立雲林科技大學機械工程系碩士論文.

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