参数输入
洁净室:气流排出粒子
t = 0.0 min
蓝点=悬浮粒子,蓝箭头=送风/回风气流。ACH 越高,粒子排出越快,浓度呈指数衰减。绿色边框=已恢复到目标洁净度。
物理模型与主要公式
假设完全混合,污染事件后的粒子浓度遵循一阶指数衰减。
$$C(t)=C_0\,e^{-\frac{\eta\,\mathrm{ACH}}{60}\,t},\qquad \mathrm{ACH}=\frac{Q}{V}$$
达到目标比例 $C_\text{target}/C_0$ 的恢复时间为
$$t=-\frac{60}{\eta\,\mathrm{ACH}}\,\ln\!\left(\frac{C_\text{target}}{C_0}\right)$$
其中 $C_0$ 为初始浓度,$\eta$ 为有效去除效率,$\mathrm{ACH}$ 为换气次数 [1/h],$Q$ 为送风量 [m³/h],$V$ 为房间体积 [m³]。时间常数 $\tau=60/(\eta\,\mathrm{ACH})$ [min]。对于 100:1 恢复($C_\text{target}/C_0=0.01$),$t=-\tau\ln(0.01)\approx 4.6\,\tau$。
这个简化模型假设完全混合和稳定气流。单向(层流)流动、局部死区、持续粒子源和规范修正需要按实际情况另行确认。
本模拟器能展示什么
在洁净室中,人员和工艺产生的粒子会被经过过滤的清洁空气不断置换(换气)排出。污染事件发生后,你可以借助动画和实时数值,同时看到粒子浓度如何随时间下降,以及需要几分钟才能恢复到目标洁净度。
左侧的房间动画绘制送风/回风气流箭头,以及正在被排出的悬浮粒子本身。衰减曲线展示指数衰减 $C(t)=C_0 e^{-\eta\,\mathrm{ACH}\,t/60}$;右侧的敏感性曲线展示 ACH 变化时恢复时间的变化。可以一眼看出提高 ACH 会近似反比地缩短恢复时间。
如何解读
先看“恢复时间 100:1”——即浓度下降到初始值的 1%(百分之一)所需的时间。这是 ISO 14644 恢复试验的基本指标。
在敏感性曲线(恢复时间 vs ACH)上,寻找继续增大 ACH 不再明显缩短恢复时间的区域。在低 ACH 端,每增加一个单位的 ACH 效果最大;在高 ACH 端则收益递减。
初步设计时,先判断是 ACH 还是去除效率 η 主导恢复,而非只看绝对数值。两者通过乘积 η·ACH 等价地起作用。
通过对话理解洁净室换气次数与粒子浓度恢复
🙋污染事件之后,粒子浓度是怎么下降的?调整 ACH 后,图和数值都会变化,有点不好判断。
🎓假设完全混合,浓度按指数函数 $C(t)=C_0 e^{-\eta\,\mathrm{ACH}\,t/60}$ 衰减。ACH 越大,指数的斜率越陡,达到同一目标浓度越快。把左侧动画的排出速度、中间曲线的衰减形状和上方“恢复时间 100:1”的具体分钟结合起来看,就能建立直观。
🙋提高 ACH 能加快恢复,那有效去除效率的影响有多大?
🎓恢复速率由乘积 η·ACH 决定。也就是说把 ACH 乘以 1.2,与把效率 η 乘以 1.2 在数学上等价。实际房间中 η 很容易因混合不良和死区而下降,所以即使 ACH 很高,恢复也可能不及预期。逐步调整 η 并观察恢复时间,就能看出哪个在主导。
🙋恢复时间 vs ACH 曲线是用来做什么的?普通的衰减曲线似乎就够了。
🎓恢复时间与 ACH 成反比($t\propto 1/\mathrm{ACH}$),所以低 ACH 时增加一个单位会大幅缩短,高 ACH 时则趋于平缓。这张图一眼展示这一“收益递减边界”。过度换气只会增加风机功率(能耗),因此该曲线帮助你选择足够但不过度的 ACH。
🎓请把它当作初步判断。在完全混合假设不成立的单向(层流)流动中,或在人员持续产生粒子的稳态运行中,实际恢复会更慢。最终判断仍需结合标准(ISO 14644-3 恢复试验)、实测值、CFD 等详细分析和过滤器厂家条件。
实际使用
对某个 ISO 14644-1 等级(ISO 5–8)所需 ACH 以及恢复试验时间的初步估算。
在详细分析(CFD、实测)之前,缩小是 ACH 还是去除效率主导恢复的范围。
在相同输入下,用于教学或讲解指数衰减公式、数值与粒子排出动画。
常见问题
先看时间常数和达到目标时间。然后用粒子浓度恢复曲线确认前提状态,再用换气、效率与目标分解读取分布和偏差。先看主图中的控制性趋势,避免只看结果卡而漏掉拐点或饱和。
先单独调整换气次数 ACH,再以相近幅度调整有效去除效率,比较时间常数的变化。恢复速率由乘积 η·ACH 决定,因此两者在公式中等价地起作用。
适合用于用于评审前的设计方案初步比较。不要只看单点数值,而应扩大输入范围,确认时间常数是否仍有余量,再决定是否进入详细分析。
这个简化模型只处理主要关系。它假设完全混合和稳定气流,因此单向流动、局部死区和持续粒子源需要另行确认。最终判断仍需结合标准、实测值、详细分析和厂家条件。
污染事件后,粒子浓度相对初始值下降到目标比例(例如 1%=100:1 恢复)所需的时间。假设完全混合,t=-(60/(η·ACH))·ln(C_target/C_0),ACH 越高,恢复时间越短,呈指数变化。
ACH 是每小时房间空气的置换次数,定义为 ACH = Q/V(送风量 Q [m³/h] 除以房间体积 V [m³])。本工具直接输入 ACH,并显示房间体积和送风量供参考。ISO 14644-1 等级越严格,所需 ACH 越高。
具体计算示例
某电子芯片厂洁净室,初始粒子浓度350000个/m³,目标浓度3500个/m³(目标比例1%=100:1恢复)。设ACH=60次/小时,有效去除效率η=85%,则时间常数τ=60/(60×0.85)≈1.18分。达到目标时间t=-1.18×ln(0.01)≈5.42分。10分钟后浓度C=350000×e^(-(60×0.85/100)×10/60)≈71个/m³。送风量Q=ACH×V;若房间体积50m³,则Q=60×50=3000 m³/h。