1. 三維亂流型無塵室氣流模擬分析
施陽正 陳誌生
國立台北科技大學冷凍空調工程系
摘要
無塵室的主要目的為維持室室內的溫溼度、壓力、流場、振動、噪音、照明等。因
此，無塵室的空調系統對產品設計、製程、良率及可靠性有很大的影響。本文針對
FFU(Fan Filter Unit)亂流型無塵室進行氣流模擬分析，模擬之無塵室只有製程設備，無
人員存在與進出，考慮排氣量及外氣補充量。根據模擬結果得知，在薄膜上方之流場是
很平順流暢地往 B 區排風口流動，而在薄膜下方之流場，有較大之流場變化的位置則
有：(1)在薄膜與機台中間空隙距離，因為此距離會造成氣簾效應，而使得氣流上下旋
轉。(2)在地板回風口中間處，因為地板回風口中間，較少左右風量來源，而變成氣流
旋轉，此現象離地板越近越明顯，但是靠近薄膜則此現象則變小，較不明顯。
1. 研究目的
無塵室的主要目的為維持室室內的溫溼度、壓力、流場、振動、噪音、照明等。因此，無塵室的空
調系統對產品設計、製程、良率及可靠性有很大的影響。新竹科學園區、南部科學園區的興建及國內產
業結構的大幅改變，導致國內對無塵室的需求大增，如許多的 GMP 藥廠、高精密的電子廠及醫院的手術
室的增加而日益增加。
FFU(Fan Filter Unit)為風機加上過濾器(HEPA)所構成的送風組件，如圖 1 所示之結構圖[1]。空氣藉
由離心式風扇吸入後，在風道將其動壓轉換為靜壓，使空氣經過 HEPA Filter 後能夠均勻吹出，並使得噪
音降低。其優點如下：1. 模組化施工，機動性高，容易作 FFU 日後的增減; 2. FFU 空氣循環系統壓損
小; 3. FFU 耗電量少，相對的噪音也低，不像軸流式風機進出口需加裝消音器; 4. 潔淨室內壓力高於天花
板內供氣壓力，更換慮網時不會有塵埃洩漏至潔淨室之虞。
本文針對 FFU(Fan Filter Unit)亂流型無塵室進行分析，模擬之無塵室只有製程設備，無人員存在與
進出，考慮排氣量及外氣補充量，而對無塵室進行內部氣流模擬分析比較。

2. 圖 1 FFU 設備結構圖
2. 研究方法
本文係利用計算流體力學 AIRPAK [2]建構與原始尺寸相同的模型後進行數值模擬；待數值收斂後觀
察所需數據進行無塵室 FFU 送風系統性能評估，針對薄膜附近區域觀察氣流速度向量，來作為參考依據。
本文的原始設計如圖 2~4 所示，選取的部份範圍如表 1 所示，其中無塵室回風格柵共有 29 只；FFU 共有
182 台；AHU 外氣送風口共有 2 只；地板回風口共有 2 只。無塵室內中間有擺設機械設備，其擺設如表
2 所示，其中薄膜高度在 1.3m 位置，薄膜與機台設備之間空隙可以讓氣流往下流動的距離共有兩邊，如
圖 4 所示。
表 1 無塵室尺寸表示
各方向尺寸(m)
X 方向 Y 方向 Z 方向
各單位名稱
0~26.4(26.4) 0~6.8(6.8) 0~21.1(21.1)
無塵室大小
0~26.4(26.4) 6.8~8.8(2) 0~21.1(21.1)
無塵室上方回風區
0~0.85
0~26.4(26.4) 0~8.8(8.8) 20.25~21.1
無塵室回風道
(0.85)
單一個 FFU 尺寸 1.2 0.338 0.6
單一個 AHU 外氣送風口 1 1
0.7 0.9
單一個回風格柵
0.2 6
單一個地板回風口
與 B 區連接口 0.3 6
表 2 無塵室內之機械設備尺寸表示

3. 各方向尺寸(m)
X 方向 Y 方向 Z 方向
各機械設備名稱
2.5~26.4(23.9) 1.3 8.05~14.05(6)
薄膜
7.85~8.05
9.6~21.6(12) (1.3~2.6)1.3 14.05~14.25
薄膜與機台設備之間距離
(0.2)
AHU 外氣送風口 送風管
薄膜
與 B 區連接口
兩邊回風格柵 地板回風口
圖 2 無塵室之全區範圍
FFU
兩邊回風格柵
圖 3 無塵室 Z 方向剖面圖

4. AHU 外氣送風口
與 B 區連接口
機台與薄膜之間距離 回風道
圖 4 無塵室 X 方向剖面圖
3. 數值模式
本研究採用美國 FLUENT Inc.[3]所開發以有限體積法（Finite Volume Method，FVM）為架構的計算
流體力學模擬軟體求解連續方程式（continuity equation）及動量方程式（momentum equation）以模擬流
體運動及熱傳的現象。基本的傳遞方程式可表示成通式（1）所示：
( )
r
∂
(ρφ ) + ∇ • ρVφ − Γφ ,eff ∇φ = Sφ (1)
∂t
r
其中 ρ 為流體密度， φ 為不同傳遞方程式之變數， V 為速度向量， Γφ ,eff 表示擴散係數， Sφ 表示源項
（source term）。本研究在數值演算方面，有關對流與擴散項的求解方式選用 Second Order Upwind
Difference，而速度和壓力求解的疊代方法則本計畫選用 SIMPLE 演算法則。紊流場模式是選用標準紊
流模式 k − ε model。
4. 數值模擬設定條件
本文中所建構之 FFU 送風系統外型如圖 5 所示，尺寸為 1.2 m × 0.368 m × 0.6 m，為確保所得結果的
正確性，除了依照實際尺寸建構幾何外型及邊界條件設定外，風機性能以實際壓力-流量曲線模擬，如圖
6 示。

5. 風扇
HEPA
圖 5 數值模擬 FFU 送風系統幾何示意圖
300
250
200
Pressure (N/m2)
150
100
50
0
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
Volume flow (m3/s)
圖 6 壓力-流量曲線
5. 模擬結果與討論
本文主要目的為得知針對薄膜附近區域之氣流速度及氣流方向，是否達到製程的需求。根據模擬結
果先取無塵室全區區域之氣流剖面，再取薄膜周圍區域按照 X、Y、Z 三個方向切剖面圖，觀察其氣流速
度及氣流流動方向。
5.1.1 依照 X 方向切其剖面觀察氣流對薄膜影響
按 X 方向分別在位置 X=2、X=9.5、X=14.5、X=19.5、X=24.5 取其剖面，如圖 7~18。當 X=2 時，
如圖 7~8，因為還沒切到薄膜(薄膜位置 X=2.5~26.4)，所以氣流皆是往下流動，速度約為 0.03m/s；當 X=9.5
時，如圖 9~10，剛好有切到薄膜，但是還沒切到機台與薄膜之間空隙距離，在薄膜上方的氣流約為
0.02m/s，下方的氣流約為 0.1m/s，都是很平順的往 B 區流動；當 X=14.5 時，如圖 11~13，皆有切到薄膜
及薄膜與機台空隙距離，在薄膜上方之氣流也是很流暢的往 B 區流動，速度約為 0.08m/s，但是在薄膜下

6. 方之氣流，因為受到往薄膜與機台空隙的氣流影響，所造成氣簾效應，讓在薄膜下方之氣流造成旋轉，
而不能平順的往地板回風口處回風，此處之速度約為 0.25m/s；當 X=19.5 時，如圖 14~16，在薄膜上方之
氣流也是很流暢的往 B 區流動，速度約為 0.08m/s，在薄膜下方氣流雖然也受到薄膜與機台間空隙之氣流
影響，但是剛好在地板回風口附近，全部的氣流皆往地板回風口流動，而無造成薄膜下方氣流旋轉，速
度約為 0.42m/s；當 X=24.5 時，如圖 17~18，只有切到薄膜，沒有機台設備，發現在薄膜上之氣流因為受
到與 B 區之間連接口，而有較快的速度往 B 區流動，速度約為 0.29m/s，在薄膜下方之氣流卻反方向往地
板回風口流動，速度約為 0.08m/s。
圖 7 X=2 之全區域剖面

7. 圖 8 X=2 薄膜附近區域剖面
圖 9 X=9.5 之全區域剖面

8. 圖 10 X=9.5 薄膜附近區域剖面
圖 11 X=14.5 之全區域剖面

9. 圖 12 X=14.5 薄膜附近區域剖面
圖 13 X=14.5 以正 X 方向觀測

10. 圖 14 X=19.5 之全區域剖面
圖 15 X=19.5 薄膜附近區域剖面

11. 圖 16 X=19.5 以正 X 方向觀測
圖 17 X=24.5 之全區域剖面

12. 圖 18 X=24.5 薄膜附近區域剖面
5.1.2 依照 Y 方向切其剖面觀察氣流對薄膜影響
按 Y 方向分別在位置 Y=0.4、Y=0.8、Y=1.2、Y=1.4、Y=2 取其剖面，如圖 19~31。當 Y=0.4 時，
如圖 19~20，因為離地板位置很近，在地板回風口處附近的氣流，因為受到地板回風，而使得氣流往中間
流動，而在兩地板回風中間之位置，沒有氣流來補氣而造成中間氣流旋轉，在地板回風處附近速度約為
0.4m/s，其他位置之平均速度約為 0.1m/s；當 Y=0.8 時，如圖 21~23，離地板有一段距離，所呈現之氣流
現象與 Y=0.4 位置之氣流差不多，但是在地板回風處速度約為 0.33m/s，其他位置之平均速度約為 0.1m/s；
當 Y=1.2 時，如圖 24~26，剛好在薄膜下方 10cm 位置，其所呈現之氣流現象也與 Y=0.4 及 Y=0.8 位置之
氣流差不多，但是速度卻大大的小於 Y=0.4 及 Y=0.8 之速度，其在回風口附近之速度約為 0.15m/s，其他
位置之平均速度約為 0.05m/s；當 Y=1.4 時，如圖 27~29，剛好在薄膜上方 10cm 位置，其在薄膜上方之
流場為很平順流暢的往 B 區流動，其平均速度約為 0.05m/s；當 Y=2 時，如圖 30~31，其流場流動方式如
Y=1.4 相似，也是很平順流暢的往 B 區流動，平均速度約為 0.05m/s。

13. 圖 19 Y=0.4 之全區域剖面
圖 20 Y=0.4 薄膜附近區域剖面

14. 圖 21 Y=0.8 之全區域剖面
圖 22 Y=0.8 薄膜附近區域剖面

15. 圖 23 Y=0.8 在地板回風口處更細部觀測
圖 24 Y=1.2 之全區域剖面

16. 圖 25 Y=1.2 薄膜附近區域剖面
圖 26 Y=1.2 在地板回風口處更細部觀測

17. 圖 27 Y=1.4 之全區域剖面
圖 28 Y=1.4 薄膜附近區域剖面

18. 圖 29 Y=1.4 在地板回風口處更細部觀測
圖 30 Y=2 之全區域剖面

19. 圖 31 Y=2 薄膜附近區域剖面
5.1.3 依照 Z 方向切其剖面觀察氣流對薄膜影響
按 Z 方向分別在位置 Z=7、Z=8.5、Z=10、Z=11.5、Z=13、Z=15 其剖面，如圖 32~43。當 Z=7 時，
如圖 32~33，因為還沒切到薄膜位置(薄膜位置 Z=8.05~14.05)，所以呈現出氣流是往下流動，其平均速度
約為 0.1m/s；當 Z=8.5 時，如圖 34~35，此位置在薄膜與機台中間空隙旁，因為受到空隙之往下氣流的影
響，所形成之氣簾效應造成氣流的旋轉，此區域之氣流會將較低成之氣流往上捲起，而會對薄膜會有
particle 附著現象，其平均速度約為 0.3m/s。當 Z=10 時，如圖 36~37，此位置之現象雖然沒有像位置在
Z=8.5 之氣廉效應那麼嚴重，但是因為兩個地板回風口中間並沒有左右風量來源，故在兩地板回風口中間
會有氣流打轉現象，其平均速度約為 0.3m/s；當 Z=11.5 時，如圖 38~39，此位置之現象如位置在 Z=10
之現象相同，其速度約為 0.3m/s；當 Z=13 時，如圖 40~41，此位置也在薄膜與機台中間空隙旁，也因為
受到空隙之往下氣流的影響，所形成之氣簾效應造成氣流的旋轉，所以此位置之現象如位置在 Z=8.5 之
現象相同，其平均速度約為 0.3m/s；當 Z=15 時，如圖 42~43，也因為沒有切到薄膜位置，所以呈現出氣
流是往下流動，其平均速度約為 0.1m/s。

20. 圖 32 Z=7 之全區域剖面
圖 33 Z=7 薄膜附近區域剖面

21. 圖 34 Z=8.5 之全區域剖面
圖 35 Z=8.5 薄膜附近區域剖面

22. 圖 36 Z=10 之全區域剖面
圖 37 Z=10 薄膜附近區域剖面

23. 圖 38 Z=11.5 之全區域剖面
圖 39 Z=11.5 薄膜附近區域剖面

24. 圖 40 Z=13 之全區域剖面
圖 41 Z=13 薄膜附近區域剖面

25. 圖 42 Z=15 之全區域剖面
圖 43 Z=15 薄膜附近區域剖面

26. 6. 結論
本文針對無塵室內，依照給定之設定值，所模擬出來之氣流場，針對薄膜區域附近之氣流來加以探
討，可得下列之結論：
1. 依照 X 方向切出剖面圖，可看出在薄膜上方之氣流流動方向為很平順流暢的往 B 區流動，但
是在薄膜下方，因為有受到薄膜與機台中間空隙之氣流影響，所形成之氣簾效應，會讓氣流形
成旋轉，使地板附近較髒之空氣往上流動而影響薄膜，而沒有薄膜與機台中間空隙之氣流影
響，所呈現之流場為很平順的往地板回風口流動。
2. 依照 Y 方向切出剖面圖，可看出在薄膜下方，離地板越近之切面，在兩地板回風口中間會有較
大之氣流旋轉，因為在兩地板回風口中間並沒有風量的來源而造成中間氣流旋轉，但是在薄膜
上、下方 10cm 處之氣流，是很平順的往各排風口及回風口流動，而越高之 Y 方向切面則氣流
是平順的往下流動。
3. 依照 Z 方向切出剖面圖，可看出所切之剖面在薄膜下方之區域，越靠近薄膜與機台中間空隙，
會有氣流旋轉現象，而在較中間部分則氣流是平順的往地板回風口流動，而在薄膜上方之氣流
是平順流暢的往 B 區流動，而在機台兩旁之氣流則是平順的往下流動。
4. 綜合以上各點可看出，在薄膜上方之流場是很平順流暢的往 B 區排風口流動，而在薄膜下方之
流場，有較大之流場變化的位置則有：
5. 在薄膜與機台中間空隙距離，因為此距離會造成氣簾效應，而使得氣流上下旋轉。
6. 在地板回風口中間處，因為地板回風口中間，較少左右風量來源，而變成氣流旋轉，此現象離
地板越近越明顯，但是靠近薄膜則此現象則變小，較不明顯。
7. 參考文獻
[1]胡石政等，潔淨室送風系統性能比較，中誌文化事業有限公司，冷凍與空調第 11 刊，民國 90 年。
[2]AIRPAK 2.1 User’s Guide, Vol. 1-4, FLUENT Inc. 2004.
[3]FLUENT 6.1 User’s Guide, FLUENT Inc. 2003.