中 華 大 學

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碩 士 論 文

直接數值模擬大型高溫恆溫室流場分析 Direct Numerical Simulation of a Turbulent Flow over a Large-Scale High-Temperature

Chamber

系 所 別：機械工程學系碩士班 學號姓名：M09508049 林祐任 指導教授：蔡永培 博士

中 華 民 國 九十九 年 八 月

I

摘要

產業界上應用著大型高溫恆溫試驗機已邁向二十多年，而一直致力於改善試驗 機內箱最大有效使用空間之溫度分佈均度會影響內箱產品之良率問題。

本研究是數值模擬軟體 Flovent 分析五個暫態之內流場，探討大型高溫恆溫室不 同設計之內流場溫度分佈均度、設備升溫能力與效益差異。結果發現，A 型式風路 風箱設計其升溫能力為最高，E 型式風路風箱為最低，以 A 型式內流場溫度分佈達 到符合中國國家標準 GB 規範的高精度控制。考慮到設備風箱風路的設計方式最能直 接影響設備流場裡升溫能力，其次為風箱結構尺寸與風口位置的擺置設計。風箱上 的出風口與回風口，添加風道隔板明顯表示出風箱的壓力差異性和氣流的均勻性。

關鍵字:溫度分佈均度、大型高溫恆溫室、風道隔板

II

Abstract

The application of a large-scale industry high temperature testing machine has moved into 20 years, and has been working to improve the testing machine the maximum effective use of space within the box the temperature distributions inside the box will affect the degree of product yield issues.

This study, analysis of numerical simulation software Flovent within five transient flow field，explore the different design of large high-temperature thermostat room temperature distribution within the flow field are degrees、equipment capacity and efficiency of different heating。Result discovery，A type of wind Lu Feng box design capacity of its highest temperature，E box type the lowest wind Lu Feng，A pattern to the temperature distribution within the flow field to meet the Chinese National Standard GB standard high-precision control。Taking into account the wind bellows device design approach road most directly affect flow in heating equipment capacity，followed by the bellows outlet structure size and location of the placement design。Bellows on the outlet and return air，add a clear expressed duct bellows diaphragm pressure difference and airflow uniformity。

Keywords: Temperature Uniformity, Large High- Temperature Chamber, Duct separators

III

誌謝

四年的碩士生涯中，承蒙恩師 蔡永培博士的悉心指導與教誨，培養學生在學業 上能有更深入的見解及廣闊的視野，更重要的收穫是在生活上如何待人處事的智 慧，讓學生獲益良多，使得本論文研究能夠更加的完備，同時在日常生活上蔡永培 博士也時常的指導我做人處事、生涯規劃以及對於我們各種的關心與輔導，在此向 恩師致上最誠摯的敬意與謝意。

在論文口試審查時，還要特別感謝黃和順博士與鄭藏勝博士對於論文的指正與 意見，使得本論文的架構與內容更為充實。

另外，感謝在這四年來研究和生活上的良師益友：感謝中棋學長、阿和、小魯 克在研究和生活上的鼓勵與協助，在研究的過程中一點一滴的歡笑及淚水都已經深 深的烙印在我們的心理了，此外還要感謝學長黃均聖在程式及論文的指導協助，完 成及學弟柏志、咸佑、位盛、俊良、宇志、文建在生活上的互相幫助與鼓勵，並帶 給實驗室更多的歡樂與活力，真的謝謝你們大家，在此致上誠摯之感謝。

最後，感謝默默在背後付出的家人，這四年因為有你們的支持與鼓勵，才得以 順利完成碩士學業，僅以此論文獻給親愛的父母、家人、以及所有的師長與朋友們。

IV

目 錄

摘 要 . . . Ⅰ

ABSTRACT . . . Ⅱ 誌 謝 . . . Ⅲ 目 錄 . . . Ⅳ 表 目 錄 . . . VI I 圖 目 錄 . . . V III

第 一 章 緒 論 . . . 1

1 . 1 前 言 . . . 1

1 . 2 研 究 動 機 與 目 的 . . . 1

1 . 3 中 大 型 恆 溫 室 的 溫 度 分 佈 能 力 需 求 . . . 3

1 . 3 . 1 大 型 恆 溫 室 的 能 力 需 求 . . . 3

1 . 3 . 2 大 型 恆 溫 室 之 設 計 能 力 . . . 3

1 . 4 文 獻 回 顧 . . . 4

第 二 章 研 究 設 備 與 研 究 方 法 . . . 7

2 . 1 設 備 研 究 . . . 7

2 . 1 . 1 大 型 恆 溫 模 型 之 組 件 . . . 7

2 . 1 . 2 箱 型 本 體 . . . 8

V

2 . 1 . 3 風 箱 . . . 8

2 . 1 . 4 風 機 變 頻 控 制 系 統 . . . 9

2 . 1 . 5 數 位 式 溫 控 系 統 . . . 1 0

2 . 2 實 驗 方 法 . . . 1 8

2 . 2 . 1 大 型 高 溫 恆 溫 試 驗 設 備 . . . 1 8

2 . 2 . 2 數 位 式 溫 度 量 測 資 料 存 取 記 錄 系 統 ( 1 2 測 點 ) . 1 8

2 . 2 . 3 多 測 點 溫 度 量 測 記 錄 系 統 ( 2 4 測 點 ) . . . 1 9

2 . 3 實 驗 測 試 . . . 2 0

第 三 章 數 值 分 析 與 數 值 方 法 . . . 2 5

3 . 1 數 值 分 析 . . . 2 7

3 . 1 . 1 條 件 設 定 . . . 2 7

3 . 1 . 2 統 御 方 程 式 . . . 2 7

3 . 1 . 3 有 限 體 積 法 . . . 2 8

3 . 1 . 4 S I M P L E 演 算 法 . . . 3 1

3 . 1 . 5 收 斂 條 件 . . . 3 3

3 . 2 數 值 方 法 . . . 3 4

3 . 2 . 1 F l o v e nt 軟 體 . . . 3 4

3 . 2 . 2 數 值 分 析 方 法 . . . 3 4

VI

3 . 2 . 3 建 立 物 理 模 型 . . . 3 5 3 . 2 . 3 . 1 箱 型 本 體 . . . 3 5 3 . 2 . 3 . 2 風 機 . . . 3 7 3 . 2 . 3 . 3 電 熱 管 . . . 3 7 3 . 2 . 3 . 4 風 箱 . . . 3 8 3 . 2 . 4 初 始 條 件 與 邊 界 條 件 . . . 3 9 第 四 章 數 值 結 果 與 討 論 . . . 4 0 4 . 1 數 值 結 果 . . . 4 0 4 . 2 溫 度 模 擬 比 較 . . . 4 2 4 . 3 壓 力 模 擬 結 果 . . . 4 9 4 . 4 速 度 流 場 . . . 5 3 4 . 5 實 驗 值 與 數 值 分 析 比 較 . . . 6 0 第 五 章 結 論 與 未 來 建 議 . . . 6 4

5 . 1 結 論 . . . 6 4

5 . 2 未 來 建 議 . . . 6 5

參考文獻 . . . 6 6

VII

表 目 錄

表 2 -1 數位式溫度量測資料存取記錄系統功能 . . . 1 8

表 2 -2 溫度感測器比較 . . . 2 1

表 4 -1 溫 度 分 佈 之 數 據 比 . . . 6 1

表 4 -2 起 始 升 溫 3 0 0 秒 內 之 數 據 . . . 6 2

表 4 -3 快 速 定 點 升 溫 之 溫 度 數 據 . . . 6 3

VIII

圖 目 錄

圖 2 -1 大 型 恆 溫 試 驗 設 備 示 意 圖 . . . 7

圖 2 -2 大 型 恆 溫 試 驗 設 備 之 組 件 示 意 圖 . . . 8

圖 2 -3 出 風 口 多 孔 板 示 意 圖 . . . 1 2

圖 2 -4 回風 口 多 孔 板 示 意 圖 . . . 1 2

圖 2 -5 U 型 不 銹 鋼 鰭 片 式 電 散 熱 管 示 意 圖 . . . 1 3

圖 2 -6 風 機 外 觀 示 意 圖 . . . 1 3

圖 2 -7 可 程 式 P ID 控 制 功 能 之 數 位 式 溫 度 控 制 器 . . . . 1 4

圖 2 -8 RT D P T- 1 0 0 白金電阻式感溫棒 . . . 1 4

圖 2 -9 相位式電力調整器 . . . 1 5

圖 2 -1 0 系 統 電 路 架 構 示 意 圖 . . . 1 6

圖 2 -11 溫度控制系統架構示意圖 . . . 1 7

圖 2 -1 2 大型高溫恆溫試驗機 . . . 1 8

圖 2 -1 3 熱電偶補償電路流程圖 . . . 1 9

圖 2 -1 4 中 國 環 境 試 驗 設 備 G B 國 家 標 準 的 溫 度 測 點 位 置 2 3

圖 2 -1 5 恆 溫 設 備 生 產 製 程 最 有 利 的 有 效 容 積 驗 機 量 測 點 2 4

圖 3 -1 Flo v e n t 暫 態 數 值 分 析 高 溫 恆 溫 設 備 流 場 流 程 2 6

IX

圖 3-2 二 維 狀 態 的 單 一 網 格 控 制 體 積 示 意 圖 . . . 29

圖 3-3 大型高溫恆溫室示意圖 . . . 36

圖 3-4 風機 元 件 的 物 理 幾 何 模 型 示 意 . . . 37

圖 3-5 A、B、C、D、E 風 路 模 式 風 箱 . . . 38

圖 4-1 實驗值之 GB 規範 12 測量位置的流場溫度分佈結果 . . . 40

圖 4-2 實驗設備於 24 測點量測結果之流場分佈圖 . . . 41

圖 4-3 實驗設備於兩個方式測量點之溫度分佈圖 . . . 41

圖 4-4 A 型風路溫度曲線圖 . . . 43

圖 4-5 B 型風路溫度曲線圖 . . . 43

圖 4-6 C 型風路溫度曲線圖 . . . 44

圖 4-7 D 型風路溫度曲線圖 . . . 44

圖 4-8 E 型風路溫度曲線圖 . . . 45

圖 4-9 A 型風路溫度流線圖 . . . 46

圖 4-10 B 型風路溫度流線圖 . . . 46

圖 4-11 C 型風路溫度流線圖 . . . 47

圖 4-12 D 型風路溫度流線圖 . . . 47

圖 4-13 E 型風路溫度流線圖 . . . 48

圖 4-14 A 型式壓力分佈圖 . . . 50

X

圖 4-15 B 型式壓力分佈圖 . . . 50

圖 4-16 C 型式壓力分佈圖 . . . 51

圖 4-17 D 型式壓力分佈圖 ... 51

圖 4-18 E 型式壓力分佈圖 ... 52

圖 4-19 A 型式 速度對位置的變化量 . . . 54

圖 4-20 B 型式 速度對位置的變化量 . . . 54

圖 4-21 C 型式 速度對位置的變化量 ... 55

圖 4-22 D 型式 速度對位置的變化量 . . . 55

圖 4-23 E 型式 速度對位置的變化量 . . . 56

圖 4-24 A 型式 速度流線圖 . . . 57

圖 4-25 B 型式 速度流線圖 ... 57

圖 4-26 C 型式 速度流線圖 ... 58

圖 4-27 D 型式 速度流線圖 ... 58

圖 4-28 E 型式 速度流線圖 ... 59

圖 4-29 溫度分佈之曲線圖 ... 61

圖 4-30 起始升溫 300 秒內之溫度變化 ... 62

圖 4-31 快速定點升溫之溫度分佈 ... 63

XI

符號索引

t ： 時間

ρ ^{： 流體密度}

ϕ ： 因變數，物理量( u 、 v 、 w 、 t ^、 p ⁾

V 

： 速度向量

S

_ϕ

： 來源係數(熱源、壓力源、速度源、濃度場)

µ ^{： 動黏滯係數}

V ^{： 體積} A ^{： 面積}

Α w ^{： 壓力下作用的面積}

S φ ^{： 項源}

α P ^{鬆弛係數因子}

C ^{： 質量流率}

p ^{： 壓力}

u ^{： x 方向之速度}

v ^{： y 方向之速度}

w ： z 方向之速度

1

第一章 緒論

1.1 前 言

隨 著 科 學 技 術 和 電 子 信 息 產 業 的 迅 速 發 展 ， 電 子 設 備 在 國 防 、 工 業 、 農 業 、 商 業 、 科 研 和 民 用 等 方 面 的 應 用 越 來 越 廣 泛 。 電 子 設 備 應 用 於 不 同 場 所，就 會 遇 到 各 種 複 雜 的 環 境 因 素，如 高 溫、高 濕 、 低 溫 等 環 境 ， 這 些 環 境 因 素 的 存 在 都 將 大 大 的 影 響 電 子 信 息 產 品 的 可 靠 性 。 因 此 國 內 外 很 多 專 業 製 造 環 境 試 驗 設 備 的 廠 家 應 運 而 生 ， 其 主 要 用 於 測 試 製 造 品 在 各 種 模 擬 環 境 下 的 機 械 或 電 子 性 能 。

溫 度 變 化 試 驗 機 是 一 種 可 產 生 不 同 高 低 溫 度 的 氣 候 環 境 裝 置 ， 可 用 於 檢 定 各 類 溫 度 儀 器 儀 表 ， 溫 度 感 應 器 ， 也 可 進 行 原 件 、 材 料 、 各 類 電 子 儀 器 儀 表 等 產 品 的 檢 測 及 換 境 試 驗 、 老 化 試 驗 、 生 化 試 驗 。

作 為 試 驗 設 備 ， 它 是 保 證 產 品 性 能 及 質 量 的 基 準 ， 其 本 身 的 準 確 度 直 接 影 響 試 驗 的 結 果 。 因 為 在 溫 度 測 試 中 ， 除 了 民 用 、 軍 用 、 烘 培 製 茶 、 倉 庫 、 集 裝 箱 內 的 保 護 性 測 試 外 ， 還 要 要 求 對 現 在 的 溫 度 試 驗 設 備 的 溫 度 流 場 進 行 測 試 ， 以 確 保 溫 度 試 驗 結 果 的 可 靠 性 及 有 效 性 。

1.2 研究動機及目的

本 文 探 討 的 主 要 動 機 ， 由 於 現 在 高 階 電 腦 處 理 速 度 與 應 用 軟 體 的 成 熟 ， 認 為 可 以 使 用 電 腦 數 值 模 擬 軟 體 在 試 驗 機 此 領 域 做 設 備 應 用 的 探 討 分 析 ， 或 許 能 提 供 環 境 試 驗 機 產 業 設 備 業 者 作 為 應 用 參

2

考 。 藉 由 流 場 模 擬 軟 體 F lo v e nt 作 中 大 型 恒 溫 設 備 內 箱 最 大 有 效 使 用 空 間 的 風 路 氣 流 數 值 分 析 ， 求 解 後 ， 將 與 實 機 空 載 模 式 試 機 的 溫 度 量 測 資 料 來 作 對 照 比 對 ， 確 認 空 間 流 場 分 佈 的 精 度 是 否 與 數 值 模 擬 相 符 合 。

封 閉 環 境 當 中 ， 中 大 型 恆 溫 設 備 需 要 同 時 達 到 產 品 測 試 條 件 需 求 、 快 速 定 點 升 溫 與 降 溫 以 及 升 降 溫 過 程 中 ， 內 箱 必 須 維 持 著 最 有 效 使 用 空 間 之 溫 度 分 佈 均 度 ， 並 維 持 較 高 精 度 的 設 備 溫 度 控 制 能 力 ， 在 目 前 市 場 多 數 開 發 設 備 廠 商 仍 然 有 相 當 程 度 的 技 術 瓶 頸 。 依 據 各 國 規 定 的 環 境 試 驗 機 國 家 標 準 就 具 有 詳 細 的 內 箱 有 效 容 積 使 用 空 間 差 異 ， 中 國 的 G B 國 家 標 準 [ 1 ] 中 仔 細 規 定 " 測 量 點 位 置 與 設 備 內 壁 的 距 離 為 工 作 室 各 自 邊 長 的 十 分 之 一 " ， 也 就 是 說 ， 設 備 技 術 規 格 能 力 滿 足 此 項 國 家 標 準 檢 測 ， 其 設 備 有 效 的 容 積 使 用 空 間 只 有 內 容 積 的 5 1 %， 設 備 內 箱 最 大 有 效 容 積 使 用 空 間 必 須 合 乎 國 家 訂 製 的 標 準 規 格 ， 不 僅 是 對 設 備 廠 商 的 規 範 ， 也 是 使 用 中 大 型 恒 溫 設 備 生 產 產 品 的 品 質 保 證 ， 設 備 機 具 裝 載 產 品 數 量 滿 載 運 轉 的 數 量 保 證 ， 更 是 深 深 影 響 設 備 量 產 產 能 與 產 品 生 產 良 率 的 要 項 。

本 文 以 內 箱 流 場 內 最 大 有 效 容 積 使 用 空 間 為 探 討 主 題 ， 從 提 升 溫 度 分 佈 改 善 方 向 著 手 ， 期 望 增 加 濕 度 場 控 制 試 驗 結 果 的 有 效 性 。 溫 濕 度 變 化 試 驗 箱 濕 度 場 有 效 性 的 驗 證 ， 藉 由 中 國 國 家 標 準 的 對 角 線 測 量 檢 定 方 法 ， 提 出 證 明 溫 濕 度 變 化 試 驗 箱 空 間 邊 緣 處 的 濕 度 場 波 動 遠 大 於 溫 度 場 的 波 動 ， 且 試 驗 過 程 必 須 將 產 品 放 置 在 試 驗 箱 中 央 有 效 空 間 才 能 滿 足 試 驗 條 件 ， 保 證 產 品 試 驗 結 果 準 確 性 、 可 靠 性 、 有 效 性 。

3

1.3 中 大 型 恆 溫 室 的 溫度分 佈 能 力 需求

1.3.1 大 型 恆 溫 室 的 能 力 需 求

高溫恆溫室設備(針對電熱管加熱設備)的基本主要功能，不會因為設備上的尺 寸大小差異而有所不同。設備尺寸小者的需求對象，包含有一般家庭、小型食品加 工業者、小型烘培業者。設備尺寸大者的需求對象，包含有早期傳統產業（養殖漁 業、大型餐飲產業、大型烘培產業、食品加工產業）、早期電工電子產業（含電視、

電腦、電子、通訊、網路業）、新興科技產業（含半導體業、光電業前製程與後製程、

太陽能業）、航太業、國防工業與相關研發業界、生物化學工業、醫學製藥產業、精 緻農業（含溫室相關產業、製茶烘培產業）･･･等。

然而大型高溫恆溫室設備的電子、光電與半導體產等新興科技產業，都有對其 產品生產量化、封裝測試、儲存的迫切需求。由於大型高溫恆溫設備的高昂製作費 用，產業界用戶在選購此大型設備時，都會提出三大基本的主要功能:

( 一 ) 設 備 的 最 大 有 效 使 用 空 間 。

( 二 ) 有 效 使 用 空 間 內 ， 流 場 溫 度 分 布 均 度 要 達 到 基 本 規 範 上 的 設 備 能 力 規 格 。

( 三 ) 定 點 快 速 升 溫 ( 其 省 電 模 式 下 ， 仍 有 高 升 溫 效 率 )

1.3.2 大 型 恆 溫 室 之 設 計 能 力

多年來困擾著產業業者與設備業者的難題是如何在大型室內空間，以最短的加 熱過程時間，將電熱管加熱能量可以均勻的分布在大型空間流場，使其熱能在最大 有效使用空間內能夠達到最好的效果。

大型高溫恆溫設備高昂的製作費用與開發成本，使大多數設備開發業者對

4

同步完成大型設備封閉空間內快速定點升溫與過程中內箱最大有效使用空間之流場 溫度分布均度的高精度控制技術，對此投入了高昂的成本且開發困難而怯步。因此，

此項控制技術對多數設備業者仍有相 當程度的技術開發瓶頸，一邊小型設備業者更 加無法藉由資深技工經驗就能開發完成。在工業科技技術領先國家的日本，仍然需 要藉由專長的電腦數值模擬人力與設備工程設計的分工，才有辦法完成這項技術的 設備開發

1.4 文 獻 回 顧

2 0 0 1 年 李 延 青 等 [ 2 ] 人 以 單 向 送 風 型 風 路（ 上 側 出 風 口 、 下 側 回 風 口 ） 之 排 滿 物 件 下 的 大 型 低 溫 倉 庫 為 主 體 ， 針 對 貼 壁 噴 流 在 物 件 充 份 排 滿 下 用 電 腦 模 擬 分 析 不 同 回 風 方 式 ， 探 討 氣 流 之 溫 度 與 速 度 的 分 佈 影 響 ， 結 果 顯 示 再 噴 流 出 口 風 速 夠 大 時 ( 大 於 4 . 6 3 m / s ) ， 噴 流 出 口 低 溫 氣 流 才 可 以 充 份 到 達 下 游 ， 但 相 對 所 造 成 誘 導 風 也 會 較 大 且 發 生 在 最 大 誘 導 風 之 區 域 往 下 游 移 動 ， 使 噴 流 出 口 下 方 物 件 區 域 是 全 倉 庫 溫 度 最 高 處 。 速 度 分 析 顯 示 對 噴 流 系 統 符 合 低 溫 倉 庫 系 統 要 求 條 件 是 因 為 有 誘 導 風 的 緣 故 ， 其 最 強 誘 導 風 與 噴 流 出 口 動 量 成 正 比 ， 相 對 在 噴 流 下 方 各 層 物 件 間 會 因 氣 流 集 中 而 有 較 高 流 速 。

施 陽 正 、 江 旭 政 [ 3 ] 以 室 內 空 間 為 主 體 ， 應 用 電 腦 模 擬 送 風 型 空 調 機 針 對 四 個 空 調 機 送 風 口 位 子 ( 上 、 下 、 左 、 右 ) ， 模 擬 室 內 氣 流 運 動 與 溫 度 分 佈 並 比 較 其 效 率 。 擺 放 位 置 對 室 內 氣 流 運 動 與 溫 度 分 佈 的 比 較 ， 結 果 發 現 空 調 機 送 風 口 位 置 擺 在 左 側 及 下 方 時 ， 使 氣 流 擴 散 及 溫 度 分 佈 較 均 勻 。 而 空 調 機 右 側 及 上 方 送 風 口 位 置 時 ， 氣 流 由 出 風 口 噴 出 後 無 法 下 降 很 快 偏 移 到 回 風 口 ， 致 使 氣 流 擴 散 及 溫 度 分 佈 極 不 均 勻 。

5

2 0 0 4 年 江 秉 芳 等 人 [ 4 ] 以 無 塵 室 為 主 體 ， 應 用 有 限 體 積 法 套 軟 P H O E N I C S 模 擬 回 風 室 安 裝 薄 板 時 流 場 均 勻 度 之 氣 流 特 性 ， 研 究 發 現 裝 有 不 同 長 度 薄 板 在 回 風 室 時 均 比 無 薄 板 之 氣 流 均 勻 性 較 佳 ， 可 達 到 9 6 % 以 上 的 氣 流 均 勻 性 ， 但 回 風 室 裝 有 薄 板 之 長 度 越 長 所 造 成 的 壓 力 差 也 越 明 顯 。

2 0 0 2 年 蘇 智 群 、 江 旭 政 、 吳 旭 聖 [ 5 ] 以 窗 型 空 調 機 與 分 離 式 空 調 機 室 為 主 體 ， 安 裝 在 室 內 空 間 探 討 氣 流 的 溫 度 分 佈 ， 空 調 機 以 冷 房 條 件 ／ 暖 房 條 件 作 不 同 風 扇 轉 速 及 不 同 送 風 角 度 時 的 空 間 氣 流 溫 度 分 佈 量 測 ， 量 測 結 果 顯 示 當 送 風 角 度 不 同 時 ， 房 間 內 的 溫 度 分 佈 特 性 明 顯 的 受 送 風 角 度 位 置 影 響 而 不 一 樣 ， 其 中 窗 型 空 調 機 冷 房 條 件 下 送 風 口 送 風 角 度 在 中 間 位 置 時 ， 由 於 C o nd a 效 應 使 得 冷 氣 流 由 側 壁 吹 向 後 壁 , 並 沿 著 另 一 邊 壁 回 流 到 房 間 前 半 部 區 域 形 成 全 室 循 環 路 徑 , 因 此 空 間 內 的 溫 度 較 均 勻 ， 此 一 實 驗 結 果 與 施 陽 正 和 江 旭 政 的 電 腦 數 值 模 擬 結 果 吻 合 。

2 0 0 3 年 陳 念 祖 等 人 [ 6 ] 以 臥 室 空 間，用 電 腦 數 值 模 擬 探 討 自 然 通 風 下 不 同 百 葉 深 度 對 室 內 環 境 之 影 響 ， 水 平 導 風 格 柵 深 度 與 開 口 寬 度 對 垂 直 風 速 分 佈 與 垂 直 溫 度 分 佈 的 空 間 換 氣 量 特 性 影 響 ， 結 果 顯 示 空 間 換 氣 量 隨 著 百 葉 深 度 增 加 而 提 升 ， 亦 隨 著 入 風 風 速 增 大 有 逐 漸 升 高 的 趨 勢 。 開 口 寬 度 與 溫 度 垂 直 分 佈 均 度 精 度 間 為 正 比 增 加 關 係（ 開 口 部 愈 大 溫 度 垂 直 分 佈 均 度 精 度 愈 好 ）， 水 平 格 柵 開 口 部 過 小 進 風 氣 流 隨 著 變 小 ， 會 造 成 進 風 氣 流 短 循 環 與 空 間 上 半 部 溫 熱 累 積 現 像 。

2 0 0 5 年 陳 念 祖 等 人 [ 7 ] 以 室 內 空 間 為 主 體，用 電 腦 數 值 模 擬 探 討 單 垂 直 導 風 板 對 室 內 自 然 通 風 效 果 ， 垂 直 導 風 格 柵 導 風 角 度 與 入 風 角 度 對 空 間 換 氣 量 特 性 的 影 響 ， 結 果 顯 示 裝 設 垂 直 導 風 格 柵 有 利 於

6

將 室 外 氣 流 引 入 室 內 ， 其 換 氣 量 為 無 裝 設 導 風 板 者 的 3 . 6 倍 ， 垂 直 導 風 板 導 風 角 度 0 ~ 4 5 度 有 助 於 氣 流 場 之 均 勻 分 佈 為 最 明 顯 。

7

第 二 章 研 究 設 備 與 研 究 方 法

2.1 研究設備

2.1.1 大型恆溫模型之組件

本實驗應用的設備組件之說明(如圖 2-1、圖 2-2)，設備內容包含:封箱本體、風 扇(單機裝設 2 對稱風箱)、風機變頻控制系統、數位式溫控系統等組件完成。

圖 2-1 大型恆溫試驗設備示意圖

8

2.1.2 箱型本體

箱型本體，由 工 業 局 規 範 [8]耐 燃 級 防 火 岩 棉 材 料 的 嵌 合 式 隔 間 板 組 成 （ 保 溫 材 料 ， 庫 板 50 mm 板 厚 ）， 內 層 為 SUS304 砂 紋 鋼 板 ， 外 部 尺 寸 為 長 度 5.16 m * 高 度 1.98 m * 深 度 2.3 m ( 容 積 23.2 m³) 。

2.1.3 風箱

風箱的組件，包含不銹鋼箱體、出風口格柵（圖 2-3）、回風口多孔板(圖 2-4)、

風室隔板、電散熱管、風機、導風板･････等組件組成。

風箱組件中，電散熱管規格為 U 型不銹鋼鰭片式電散熱管（單風箱安裝 6 組，雙風 箱共 12 組），（圖 2-5），風機採用 CY-125 型號前傾式多翼風機（圖 2-6 所示，單風

圖 2-2 大型恆溫試驗設備之組件示意圖

9

箱裝設 3 組，雙風箱共裝設 6 組），風機風量 4680 m³/Hr (風機性能曲線為線性)，

風機組入風箱前，因機件尺寸搭配因素移除風口風罩的組件。回風口多孔板的開孔 區採用寬度 625 mm * 高度 457 mm* 3 組水平排列，總範圍為寬度 2065 mm* 高度 457 mm 之開口率 59% 的多孔板設計，其單組多孔板詳細開孔排列規格為 16 * 16 * Pitch 21 mm * 30 行寬* 22 列高。出風口格柵採用雙向導風型格柵設計，排列方式為 風箱內側端採用水平格柵，出風口外側端採用垂直型格柵，格柵開口規格寬度 2150 mm * 高度 200 mm 之開口率 100% 的出風口，水平格柵與垂直格柵均為全尺寸分佈 架構設計，格柵均採用不銹鋼 SUS 材質。因為組裝強度與導風變化設計考量，格柵 架構再細分 3 組製作，並水平排列組裝。導風板採用長度 2200 mm 之 45 度斜角的不 銹鋼板架構設計。

主要組件的控制部份有電散熱管的數位式溫控系統、風機的變頻器控制系統（單 風箱裝設 1 組，2 風箱共裝設 2 組）。

2.1.4 風 機 變 頻 控 制 系 統

從大型風機變頻調速運行的觀點，指出了變頻調速節能的巨大潛力和優越性。

而風機變頻器控制系統的組件，包含具 PID 控制功能的變頻器、專用濾波器等組件 搭配風機而成。變頻器具有 PID 控制能力的泛用型向量變頻器（具有反用變流器作 用，採用變頻器輸出週波數、載波週波數之非同步式技術，具有 PWM 脈衝寬度調變 的寬響應頻率），需搭配具有電樞繞組電感的 EMC 濾波器（可以獲得很小脈動連續 性電流），才能使風機在低速時仍能平滑穩定與低噪音值。特別在搭配溫控系統要風 機負載週期性變化場合時，有動態校正瞬態負載擾動能力，使系統具有風機快速響 應與風機頻繁開關的起、制動特性。

PWM 技術就是利用半導體組件的開啟與關閉把直流電壓變成一定形狀的電壓 脈衝序列，以達到變壓變頻有效的控制和消除週波的一門技術。目前絕大多數的變 頻調速裝置都採用此技術。由於 PWM 技術用於變頻器的控制可以有效的改善變頻器

10

的輸出波行，降低了電器的週波損害，減小脈衝轉矩，並同時簡化了逆變器的結構，

加快了調節速度，提高了系統的動態影響性能。

2.1.5 數位式溫控系統

近年來 DSP（Digital Singal Processor）專為數位訊號處理所開發的處理器，而其 最大優點就是運算速度快，所以可以應用於大量運算和需運算速度快的用途，也因 為運算上節省掉不少時間，日後溫控器其核心控制 PID 理論可以進而更新成更先進 的理論。溫控器之中央處理器程式，亦即 DSP 控制程式，其中包括控制理論、感測 器線性轉換程式、I/O 介面及通訊協定相關程式。

數位式溫控系統的組件，包含具高階可程式 PID 控制功能的數位式溫度控制器

（圖 2-7）、熱電偶（RTD PT-100 白金電阻式感溫棒，圖 2-8）、相位式電力調整器（圖 2-9）･･･等組件，搭配 U 型不銹鋼鰭片式電散熱管組成。

此數位式溫控系統，是高階可程式 PID 數位溫度控制器、相位式電力調整器、

加熱器、熱電偶的串級控制應用，一般用於具有較大時間落後仍要精確的程序，特 別是被控體(環境或物體)有特別控制精度需求的溫度控制（溫度差異容易造成品質異 常，串級控制可應付干擾），圖 2-10、圖 2-11 分別為系統電路架構的說明與數位式溫 控系統硬體架構[9]。

數位式溫控系統的控制方式，包含前饋控制與反饋控制，前饋控制是將測溫器 裝在程序控制之前，由數位式溫度控制器送出 PWM 訊號控制電力調整器操作變數的 輸出。反饋控制是將電力調整器操作變數經由測溫器傳入數位式溫度控制器的比較 器與設定值相比產生誤差，再由數位式溫度控制器的 PID 控制改變電力調整器操作 變數的輸出。

PID 控制包含三個控制器部份(Proportioinal Bamp、Integral、Derivative)，P 為比 例增益(1%~500%)，I 為積分增益(Min/Repeat)，D 為微分增益(Min)。

-- P 比例增益的功能為降低系統時間數與受控體的靜態增益，作動方式以系統控制

11

器的受控變數設定值為中心，建立正、負範圍的溫度操作變數帶，以增減電熱器輸 入電力的控制方式來改變受控體(設備環境)溫度，讓電熱器的供應熱源維持在設定點 所需範圍。

-- I 積分增益的功能為取時間的積分，隨時間增加積分項會增大

，使控制器的輸出增大，進而讓溫度誤差降至最小。

-- D 微分增益的功能為改善外擾回應與元件之反應滯後特性，以控制系統的預測誤差 變化率，避免控制過沖現象發生。

RTD 電阻式溫度感測器為一種會隨溫度改變產生電阻變化的溫度偵測裝置，因 為其價格便宜、具有高精度的優點，因此工業上常以此做為檢測裝置，其溫度檢測 範圍為-200℃~700℃。RTD PT-100 白金電阻式感溫棒，依據國際標準規格規定製作，

使用以 0℃時電阻為 100 Omega 的白金線金屬作成感測元件(當溫度升高時，電阻的 變化會隨溫度增加而增加)，因為白金(Pt)純度可以製作的相當高，而獲得較精密與穩 定的溫度量測輸出結果。

12

圖 2-3 出風口多孔板示意圖

圖 2-4 回風口多孔板示意圖

13

圖 2-5 U 型不銹鋼鰭片式電散熱館示意圖

圖 2-6 風機外觀示意圖

14

圖 2-7 可程式 PID 控制功能之數位式溫度控制器

圖 2-8 RTD PT-100 白金電阻式感溫棒

15

圖 2-9 相位式電力調整器

16

鋸 齒 波 產 生 器

電 力 調 整 器

加 熱 棒

受 控 體 (環 境 或

物 體 )

熱 傳 元 件

熱 電 偶 (非 線 性 ) 比 較 器

A/D 儀表放

大電路 Offset

放大 電路

電橋 低通 電路

濾波器 DSP

數 位 訊 號 處 理 器 介 面

D/A

線 性 化 電 路

驅 動 電 路

PWM 訊 號 PID

控 制 器

系統電路架構

圖 2-10 系統電路架構示意圖

17

受 控 體 ( 環 境 或 物 體 ) 溫度 感測器 測點

熱 傳 元 件

加熱器 數位訊號

處理器 DSP

按鈕

變數 設定點 R O M

顯

示

RS232

P C

放大器

功率 放大器

輸出

電

路 溫 度 控 制 器

Power/Reset

數位式溫控系統

圖 2-11 溫度控制系統架構示意圖

18

2.2 實驗方法

2.2.1 大型高溫恆溫試驗設備

大型高溫恆溫設 備 ( 圖 2-12) 包 含 ： 箱 型 本 體 、 風 箱 （ 單 機 裝 設 2 風 箱 ）、 數 位 式 溫 控 系 統 、 風 機 變 頻 器 控 制 系 統 ･ ･ ･ 等 組 件 組 成 。

大型恆溫試驗機設備

2.2.2 數位式溫度量測資料存取記錄系統(12 測點)

數位式溫度量測資料存取設備包含：包含 RTD PT-100 白金電阻式感溫棒（共 12 組、資料頡取模組、 DK-2000 數位式溫度記錄器･･･等組件組成，組件功能如表 2-1 所示。

表 2-1 數位式溫度量測資料存取記錄系統功能

組件 功能

PT-100 白 金 電 阻 式 感 溫 棒 回饋測點溫度

DK-2000 數位式記錄器 記錄彙集儲存與輸出

測點資料頡取模組 資料儲存

圖 2-12 大型高溫恆溫試驗機

19

2.2.3 多 測 點 溫 度 量 測 記 錄 系 統 (24 測 點 )

多測點溫度量測系統設備包含：包含 T-t2-ype 熱電偶與線組(共 24 組)、DK-2000 數位式溫度記錄器。

溫度感測器可分為熱電偶、電阻式與熱敏電阻[10](如表2-2)，一般電子工業在量 測溫度時，採用熱電偶作為工業溫度計使用，熱電偶是工業最常使用的溫度感測器 之一，其優點量測精度高、不受中間介質影響，量測範圍廣、常用的範圍從-50~1600

℃均可，其量測原理是將熱電偶是由兩種不同材質的金屬或合金利用居間物質定律 產生低電壓（mV）再依據電壓大小來判斷被測物之溫度，形成一個封閉迴路，當兩 端有不同的溫度時，兩端金屬線會產生溫度差，在迴路裡產生微量電流通過，使金 屬線產生電動勢(Electromotive Force)。溫度較高的接點稱為熱接點，溫度低接點稱為 冷接點，熱電偶的製作一般會將熱接點接至『測溫處』，再根據量測到的電流訊號與 冷接點作冷接點補償。一般的溫控器與記錄器透過一個自我補償電路的線性轉換，

將補償後的熱電動勢轉換成對應的溫度，再經由控制電路進行輸出控制與記錄。在 傳送的途徑上，為了避免製造另一個熱電偶特性，所以導線必須是熱電偶相同材質 的補償導線。如下圖[10]所示

熱電偶補償電路

產 業 與 設 備 業 者 在 環 境 溫 度 量 測 上 ， 採 用 觸 碰 無 紙 記 錄 輸 出 型 記 圖 2-13 熱電偶補償電路流程圖

20

錄 器 ， 捨 棄 了 以 往 需 要 大 量 記 錄 紙 機 器 ， 作 為 環 境 條 件 與 設 備 能 力 的 量 測 工 具 。 其 多 測 點 同 步 記 錄 的 功 能 ， 具 有 單 獨 採 集 資 料 的 功 能 是 受 到 廣 泛 應 用 的 主 要 原 因 ， 而 且 連 接 網 路 輕 鬆 方 便 ， 可 以 將 測 試 資 料 直 接 送 達 到 PC。

2.3 實 驗 測 試

F.Huteau、T.Lee、D.Mateescu[11] 文中，指出『藉由流場擺動薄板向上移動方式，

可以將管流場迴流重遇點與分離點移接分水階適合坡度，減少流場重遇點與分離 點。流場擺動薄板向下移動，將使迴流重遇點與分離點移離，並累加下游逆向壓力 坡度、累加下游重遇點與分離點的擴展率。』

本文研究設備，為一個有高升溫效率（定點快速升溫）與升溫過程中最大有效 使用空間之流場溫度分佈的高精度控制之大型設備，適用在一般中小尺寸 LCD 產品 量化生產老化製程。

量測時，依照中國環境試驗設備 GB 國家標準的溫度測點位置規定(如圖 2-14 所 示，備註說明)、生產製程需求的驗機量測點（如圖 2-15 所示）作兩個有效使用空間 區域測點的流場溫度量測，分別使用數位式溫度量測資料存取記錄系統(12 測點)與多 測點溫度量測記錄系統(24 測點)作為量測資料記錄。

備註：中國的 GB 國家標準中，明確規定"測量點位置與設備內壁的距離為工作室各 自邊長的十分之一"，也就是說，設備技術規格能力滿足此項國家標準檢測，

其設備有效的容積使用空間只有內容積的 51%。

實驗中的定點快速升溫條件部份，以設備內流場環境溫度 35℃為量測起點溫 度，快速升溫時間是啟始升溫 20 分鐘後達到 70℃，溫度穩定時間為 10 分鐘，溫度 穩定的標準為到達有效使用空間± 2℃的高精度之溫度分佈均度（啟始升溫之任一測 點達到 70℃後，開始計算穩定時間）。開始量測前，刻意將內流場升溫至 35℃後，

21

進行停機動作，讓設備的升溫主要組件電熱管降溫 30 分鐘，以空間自然冷卻方式，

使電熱管表面溫度恢復至未升溫前狀態。

其中，選擇 70℃為其試驗溫度，是依據設備製程應用需求所定義（設備組件搭 配的設計亦同）。選用實驗條件中較嚴苛之中國 GB 國家標準高溫試驗方法的溫度容 許偏差範圍±2℃規定，作為溫度穩定的判斷標準，原因是設備內流場溫度分佈均度 的高溫差變化，容易增加製程的投產不良率（依據製程投產良率數據）。

表 2-2 溫度感測器比較

22

備 註 ： 測 量 點 位 置 與 設 備 內 壁 的 距 離 為 工 作 室 各 自 邊 長 的 十 分 之 一 。

23

圖 2-14 中 國 環 境 試 驗 設 備 GB 國 家 標 準 的 溫 度 測 點 位

置

上視圖 ( 上層測點位置 ) 上視圖 ( 中層測點位置 )

上視圖 ( 下層測點位置 )

24

圖 2-15 此 恆 溫 設 備 生 產 製 程 最 有 利 的 有 效 容 積 驗 機 量 測 點

25

第三章 數值分析與數值方法

流體運動本身具有三維性、非線性與時變性等特質，因此其物理現象非常複雜。

近來隨著電腦運算速度與記憶容量不斷的進步，以電腦模擬暫態三維空間的內流場 氣流運動的物理現象較為普遍。因此，要了解流場空間內的氣流運動，更是需要一 套已發展成熟的計算流體力學理論的支持，應用此理論所發展的模擬軟體進行電腦 數值模擬運算，才有助於了解現實流場上無法量測或無法記錄的流氣體運動之物理 現象，再進而使用電腦數值模擬方是找到流場設計的改善方法。

本文所討論的大型高溫恆溫試驗機屬於對流風路對稱型式的三維封閉空間流 場，以商用套裝軟體 Flovent 作為求解三維流場氣流運動的溫度分佈、壓力分佈、速 度 分 佈 ， 其 數 值 模 擬 分 析 是 根 據 Patankar 和 Spalding[12] 所 提 出 SIMPLES

（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations）演算法則。首先，建立出三維 物理幾何模型，並建構成結構性網格（St--ructure Grid），再以有限體積演算法（Finite

－Volume Method）離散微分方程式建構的軟體程式，再設定初始條件與邊界條件，

來計算三維氣體流動的數值模擬分析。本研究之大型恆溫設備流場的各項流場數值 分析，其數值分析流程圖如下。

26

是

圖

3 - 1 F lo v e n t 暫 態 數 值 分 析 高 溫 恆 溫 設 備 流 場 的 流 程 設 定 解 題 法 與 暫 態 時 間 步 階

利用模組 Project Manager、Drawing Board 建構三 維 物 理 幾 何 模 型

設 定 邊 界 條 件

有 錯 誤

設 定 疊 代 步 階 與 殘 值 收 斂 條 件

檢查模型是否有錯誤訊息 網 格 條 件 設 定

溫度穩定曲線偏離 修正組件

修正係數

與暫態條件

否

S o l v e r 求 解 器 計 算

整 理 圖 、 表 資 料 與 截 取 F l o v e n t 後 處 理

啟始升溫曲線偏離

判 斷 曲 線 是 否 偏 離 暫 態 穩 定 條 件 (對照實驗結果數據)

27

3.1

數值分析

近年發展的 Flo ve nt、Flo t he m、C FX、U NIC、C FD200 0、FID AP、FLUENT 等流體模擬分析軟體，均採用 SIMP LE 計算法則來分析求解三維流場氣體運動，其 數學方法以有限體積法（ Finit e Vo lu me Met hod） 求 解 流 體 在 流 場 之 各 物 理 項 和 數 據 ， 本 節 將 說 明 其 統 御 方 程 式 。

3.1.1 條 件 設 定

本研究使用 F l o v e n t 模擬軟體求解大型高溫恆溫設備在快速定點升溫過程與溫 度穩定之三維流場空間變化，透過數值模擬軟體，其設定給足其相關條件，需考慮 以下條件:

1 . 暫 態 流 場 : 探 討 溫 度 變 化 至 溫 度 穩 定 過 程 中 之 流 場 狀 態 ( T r a ns i e nt S t a t e ） 。

2 . 穩 態 流 場 : 溫 度 達 到 其 穩 定 過 程 （ S t e a d y S t a t e ） 。 3 . 預 設 流 體 為 空 氣 （ 不 可 壓 縮 流 ） 。

4 . 熱 傳 導 係 數 為 常 數 ( k = c o n s t a nt ) 。

5 . 動 量 方 程 式 中 浮 力 項 忽 略（ 因 考 慮 到 恆 溫 室 密 閉 與 絕 熱 ， 內 部 氣 流 密 度 變 化 很 小 ） 。

6 . 忽 略 能 量 方 程 式 之 黏 滯 係 數 。 7 . 空 間 的 周 邊 環 境 溫 度 為 均 溫 。

8 . 考 慮 流 體 運 動 方 向 的 影 響 ， 空 間 內 流 體 的 重 力 方 向 為 Y 方 向 。

3.1.2 統 御 方 程 式

F lo v e n t 使用的數學模式遵守"守恆定律"（c o n s e r v a t io n p r i n c i p l e ）的統御

28

方程式所組成，其通式為

( )

^{div V S}

t ρϕ ρ ϕ ϕ ϕ ϕ

∂ + • − Γ ∇  =

∂  

 （ 3 - 1 )

其 中

t

^{為 時 間} ρ 為 流 體 密 度

ϕ

為 不 同 傳 遞 方 程 式 之 變 數 （ d e p e nd e nt v a r i a b l e ）v為速度向量。

µ σ /

Γ = ϕ

_，

μ

^{為動黏滯係數，}

σ

可為 Pr、Sc，依照統御方程式的所設定。

( ) t

ρϕ

∂

∂ 為

ϕ

的非穩態項，

ϕ

會隨時間而變。

•

div ^_

ρ ϕ

V^{}_ ^為

ϕ

的對流項，流體流動所造成

ϕ

的變化。

•

div ^{ } _ ^{Γ ∇} ϕ ϕ ^{ } _

^為

^ϕ

^{的擴散項，由物理量}

^ϕ

的梯度變化所演化的擴散效應。

S ϕ

為源項（ s o u r c e t e r m ） 。

3.1.3 有 限 體 積 法

有限體積法（ F i n i t e V o l u m e M e t ho d ）又稱為控制體積法。其基本思路是：

將計算區域劃分為一系列不重複的控制體積，並使每個網格點周圍有一個控制體 積；將待解的微分方程對每一個控制體積積分，便得出一組離散方程。其中的未知 數是網格點上的因變量的數值。為了求出控制體積的積分，必須假定值在網格點之 間的變化規律，即假設值的分段的分佈的分佈剖面。從積分區域的選取方法看來，

有限體積法屬於加權剩餘法中的子區域法；從未知解的近似方法看來，有限體積法 屬於採用局部近似的離散方法。簡言之，子區域法屬於有限體積發的基本方法。

有限體積法的基本思路易於理解，並能得出直接的物理解釋。離散方程的物理 意義，就 是因變量在有限大小的控制體積中的守恆原理，如同微分方程表示因變量 在無限小的控 制體積中的守恆原理一樣。有限體積法得出的離散方程，要求因變量

29

的積分守恆對任意一組控制體積都得到滿足，對整個計算區域，自然也得到滿足。

這是有限體積法吸引人的優點。有一些離散方法，例如有限差分法，僅當網格極其 細密時，離散方程才滿足積分守恆；而有限體積法即使在粗網格情況下，也顯示出 準確的積分守恆。就離散方法而言，有限體積法可視作有限單元法和有限差分法的 中間物。有限單元法必須假定值在網格點之間的變化規律（既插值函數），並將其作 為近似解。有限差分法只考慮網格點上的數值而不考慮值在網格點之間如何變化。

有限體積法只尋求的結點值，這與有限差分法相類似；但有限體積法在尋求控 制體積的積分時，必須假定值在網格點之間的分佈，這又與有限單元法相類似。在 有限體積法中，插值函數只用於計算控制 體積的積分，得出離散方程之後，便可忘 掉插值函數；如果需要的話，可以對微分方程 中不同的項採取不同的插值函數。

將整個幾何空間計算區域（ Do m a i n ） 分割成數個網格（ C e l l ） 這些網格稱為控 制體積，如圖二維狀態單一網格控制體積圖所示。其中，物理量 P 點為網格內控制 體積的幾何中心，儲存待解變數及流體物質性質（例：

ϕ

=u、v、w、 t 、 p ），待 解變數及流體物理性質在網格面上，利用不斷疊代求解。

以 （ 3 - 1 ） 對 一 個 控 制 體 積 做 積 分 可 寫 成

( ) ( ) ( )

V dV V V dV V dV V

S

dV

t

^{ϕ ϕ}

ρϕ ρ

ϕ

ϕ

∂ + ∇ • − ∇ • Γ ∇ =

∫

∂

∫

^

∫ ∫

（ 3 - 2 )

（ 3 - 2 ) 式 中 的 對 流 項 離 散 化 後 可 寫 成

E N

N W

P

s e n

圖 3 - 2 二 維 狀 態 的 單 一 網 格 控 制 體 積 示 意 圖

w

控 制 體

30

( ) ⁽

^{e e en}

⁾

^{e e e}

V

∇ • ρ V dV

_ϕ

=

A

ρϕ V • ndA = ∑ ρ ϕ V A = ∑ C ϕ

∫ ^ ∫ ^{ }

（ 3 - 3 )

其 中 ， 下 標 e 代 表 控 制 體 積 上 某 一 面 ，

A

_e為 面 e 的 面 積 ，V_eⁿ代 表 通 過 e 的 正 向 速 度 ，

C 則 為 通 過 e 的 質 量 流 率 。

_e

（ 3 - 2 ) 式 中 的 源 項 是

ϕ

的 函 數 ， 則 源 項 可 以 將

ϕ

線 性 化

U P

S

_ϕ

= S + S ϕ

（ 3 - 4 ) 其 中 S^U、 S^p是

ϕ

的 函 數 ， 將 疊 代 所 得 之

ϕ

值 代 入 函 數 ， 使 S_ϕ成 為

ϕ

的 線 性 方 程 式 。 再 將 ( 3 - 4 ) 代 入 ( 3 - 2 ) 的 源 項 積 分 ， 可 得 下 式 ：

V dV

U P

S

_ϕ ⁼

S + S ϕ

∫

（ 3 - 5 ) 其中，

U

S

U

= S • V

_；

S

_P

= S

^P

• V

（ 3 - 6 )

（ 3 - 2 ) 式 中 的 對 流 項 、 擴 散 項 、 源 項 離 散 後 ， 代 回 ( 3 - 2 ) 統 御 方 程 式 可 得 差 方 程 式 ；

nb nb

p p U

nb

a ϕ ⁼ ∑ a ϕ ⁺ S

（ 3 - 7 ) 下 標 nb 代 表 P 點 鄰 近 網 格 ，

a

_nb、

ϕ

_nb 代 表 流 場 變 數

ϕ

的 連 接 係 數 ( L i n k e d c o e f f i c i e n t s ) 及 變 數 值 。

此 差 分 方 程 式 為 非 線 性 ， 原 因 是

a

_nb為

ϕ

_P、

ϕ

_nb的 函 數 。 當 應 用 於 整 個 計 算 區 域 的 控 制 體 積 時 ， 可 以 得 到 一 組 耦 合 的 非 線 性 代 數 方 程 組。此 方 程 組 因 為 無 矩 陣 逆 運 算 可 直 接 求 解，需 要 以 疊 代 法 求 解 ， 此 非 線 性 方 程 組 線 性 化 的 步 驟 為 連 接 係 數

a

_nb以 一 次 疊 代 結 束 來 計 算 得

ϕ

值 ， 再 代 入

a

_nb函 數 求 出 ^{( 1)}

nb

a

k⁻ ， 如 下 式 ： (k 1) k (k ¹) k k

nb p

p p U

nb

a

⁻

ϕ = ∑ a

⁻

ϕ + S

（ 3 - 8 )

31

3.1.4 SIM PLE 演 算 法

初始的統御方程式中，動量方程式缺少了壓力，因此應用 SIMPLE 演算法，給予 一個初始壓力值

P

^δ ，不斷的疊代演算，求得壓力解P。

P a t a n k a r 所 發 明 的 演 算 法 S I M P L E ( S e m i - I m p l i c it M e t ho d fo r P r e s s u r e - L i n k e d E q u a t io n ) ，其後經由 V a n a n d R a it h b y 等修正改良為 S I M P L E 法，其主要是利用連續方程式所求得的壓力修正方程式，求得壓力項。

在控制體積西面的動量方程式以前述差分方程式的形式表示，並將壓力梯度從 初始項中獨立得出下式：

( )

w w nb nb U P w w

nb

a u

=

∑ a u

+

S

+

P

−

P A

( 3 - 9 ) 在 三 維 卡 式 座 標 系 統 下 ， 方 程 式 由 下 表 示 :

X 軸 方 向 ：

( )

e e nb nb U P E e

nb

a u =

∑

a u +S + P −P A

( 3 - 1 0 ) Y 軸 方 向： n n nb nb U

(

P N

)

n

nb

a v =

∑

a v +S + P −P A

( 3 - 1 1 ) Z 軸 方 向 ：

( )

t t nb nb U P T t

nb

a w =

∑

a w +S + P −P A

( 3 - 1 2 )

參數 nb 為所有鄰近的格點，P 為目前計算求值的格點，E 為右側相鄰格點，e 代 表位於 P 格點與 E 格點間控制體積表面的格點。Σ

a u

_{nb nb}為對流與擴散效應的總和，

S 為主要壓力修正項的源項，

U

A 為壓力作用下的面積。

_w

此 時 為 了 計 算 出 控 制 體 積 格 點 的 壓 力 修 正 值 ， 加 入 假 設 條 件

'

P=P^δ +a PP ， 其 中 p^δ為 預 估 壓 力 值 ，

P 為 修 正 壓 力 值 ，

^'

a 為 鬆 弛 係 數

_P 因 子 ( U n d e r - R e l a x a t io n F a c t o r o f P r e s s u r e ) 。

將 此 預 估 值 代 入 ( 3 - 1 0 ) 、 ( 3 - 1 1 ) 、 ( 3 - 1 2 ) 可 得 下 式

d d d

-

d

a u a u S P P A

e e nb nb U p E e

nb

 

= ∑ + + 

( 3 - 1 3 )

32

a v a v S P P A

n n nb nb U p N n

nb

δ

= ∑

δ

+ +

δ

−

δ



 

( 3 - 1 4 )

a w a w S P P A

t t nb nb U p T t

nb

δ

= ∑

δ

+ +

δ

−

δ



 

( 3 - 1 5 ) 上 式 中 分 別 可 計 算 得 到 速 度 uδ、 vδ、 wδ。

由 於 Pδ為 預 估 壓 力 值 並 非 真 正 壓 力 ， uδ、 vδ、 wδ無 法 滿 足 連 續 方 程 式 。 因 此 S I M P L E 法 求 解 程 序 中 再 加 入 壓 力 與 速 度 做 修 正 性 的 假 設 ， 假 設 如 下 式 ：

'

u ₌uδ ₊u ， v ₌ v

δ

₊v' _{， w= w}

δ

_{+ w'} ( 3 - 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) ( 3 - 1 5 ) - ( 3 - 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) ， 求 得 下 式 ：

' ' ' '

a u a u S P P A

e e nb nb U p E e

 

=∑ + + − 

 

( 3 - 1 6 )

' ' ' '

a v a v S P P A

n n nb nb U p N n

 

= ∑ + + −  ( 3 - 1 7 )

' ' ' '

a w a w S P P A

t t nb nb U p T t

 

= ∑ + + −  ( 3 - 1 8 )

消 去

a u

'

nb nb

∑ 、

a v

'

nb nb

∑ 、

a w

'

nb nb

∑ 項 ， 得 到 下 式 ：

' '

Ae

u u P P

e e a p E

e

δ

 

= +  − 

( 3 - 1 9 )

' '

An

v v P P

n n a p N

n

δ

 

= +  − 

( 3 - 2 0 )

' '

At

w w P P

t t a p T

t

δ

 

= +  − 

( 3 - 2 1 ) 將 ( 3 - 1 9 ) ( 3 - 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) 之 速 度 解 代 入 連 續 方 程 式，求 得 新 的 動 量 方 程 式 ：

33

a P a P a P a P a P a P a P S P P

=

E E

+

W W

+

S S

+

N N

+

T T

+

B B

+

U

( 3 - 2 2 ) 式 中 ，

a a a a a a a

P

=

E

+

W

+

S

+

N

+

T

+

B

( 3 - 2 3 )

a d y z

E =

ρ

e e∆ ∆

( 3 - 2 4 )

a d y z

W =

ρ

w w∆ ∆

( 3 - 2 5 )

a d z x

N =

ρ

n n∆ ∆

( 3 - 2 6 )

a d z x

S =

ρ

s s∆ ∆

( 3 - 2 7 )

a d x y

T =

ρ

t t∆ ∆

( 3 - 2 8 )

a d x y

B =

ρ

b b∆ ∆

( 3 - 2 9 )

( ) ( )

0 p p

S x y z u u y z

U t w e

ρ ρ

δ δ

ρ ρ

 − 

   

 

= ∆ ∆ ∆ ∆ + − ∆ ∆

( ) ( )

^ρ

^u

^δ

_s

^ρ

^u

^δ

_n ^{z x} ( ) ( )

^ρ

^u

^δ

_b

^ρ

^u

^δ

_t ^{x y}

   

+ − ∆ ∆ + − ∆ ∆ ( 3 - 3 0 )

( 3 - 2 2 ) 中 ，

S

U

可 視 為 質 量 數 ( M a s s S o u r c e )， 若

S

0

U

= 則 uδ、 vδ、 wδ 滿 足 _{∇ •}V^

δ

₌ 0_{， 此 時 p}

δ

= 即 為 其 解 。 若 S

p

U

不 為 0 則 作 為 判 斷 收 斂 與 否 的 標 準

3.1.5 收 斂 標 準

對於求解任一變數而言，再疊代過程中，當程式收斂時二次解平均誤差值小於 設定之收斂值時，可滿足方程式求解變數。但計算時會有些許誤差及在疊代過程中 的係數變化，此為誤差殘值，此殘值會隨著疊代次數增加而遞減。

Re s⁼apϕp ^−∑anbϕnb ⁻Sϕ ( 3 - 3 1 )

34

Re 10 3

Max s ≤ −

( 3 - 3 2 )

3.2

數值方法

本文採用 F lo m e t r i c s 軟體系列的 F lo v e nt 氣流模擬軟體探討空間氣流運動為 主，數位式溫控器控制系統探討分析與風機變頻控制探討分析部份將不涉及。大型 恆溫環境試驗設備所探討，包含空間熱對流、強迫對流、自然對流、電散熱管溫控 系統的數位 P I D 與電力調整器搭配控制、風機風速變頻 P I D 控制･･･等模擬暫態的 領域。

3.2.1

Flovent 軟 體

F lo v e n t 是一套立基於計算流體力學( C F D ) 理論的強大軟體，可以預測所有尺 寸建築物的三維流場、熱傳導以及汙染分布。F lo v e nt 針對建築環境 H V AC 上的 設計與優化，提供了快速容易的使用系統。典型 F lo v e nt 應用包括大樓中庭、購物 商場、辦公樓、電信交換和數據中心、劇院、機場航站、倉儲設施和倉庫、車輛的 乘客舒適度、空氣品質和污染控制實驗室、研究設施、醫院、地下停車場。運用 F lo v e n t 可使工程師能夠在設計初期或建築物的興建或翻修施工前，最大限度地減 少能源的消耗以及消除有害的氣流問題。

3.2.2 數 值 分 析 方 法

本研究是採用 F lo v e n t 為求解大型高溫恆溫室設備內溫度之流場分佈，實驗方 法之定點升溫時間與穩態時間，設定流場內的環境溫度為 3 5 ℃ (初始溫度)，溫度上 升 2 0 分鐘後達到 7 0 ℃ 此為快速升溫時間，當溫度上升到穩定的狀態後再經過 1 0

35

分鐘，確定流場內溫度達到穩定狀態，此時流場內有效的使用空間為± 2℃ ， 即 為 溫 度 分 佈 均 度 穩 定 狀 態 。

以大型高溫恆溫室的 5 種不同風路變化之流場模擬，探討不同風路對內流場溫 度分佈均度與空氣在流場內的影響。

3.2.3 建 立 物 理 模 型

本實驗的大型高溫恆溫室，由 F lo v e n t 軟 體 內 建 的 P r o je c t M a n a g e r 、

D r a w i n g B o a r d 軟 體 ， 進 行 元 件 物 理 模 型 的 繪 製 。 其 中 ， 設 計 方 式 調 整 變 化 了 對 影 響 流 場 氣 流 運 動 與 溫 度 分 佈 均 度 之 可 能 元 件 的 規 格 參 數 ， 以 下 為 物 理 模 型 的 四 大 建 構 。

3.2.3.1 箱 型 本 體

大型高溫恆溫室以座標原點為箱型本體前視左側的基準點，Y 軸方向為重力 向。分析步驟( 1 ) ~ ( 5 ) 中，相同元件為箱型本體、風機。其中，箱型本體的外型尺寸 為 5 . 1 6 m 高度 1 . 9 8 m 深度 2 . 3 m (容積 23.2M³，如圖 3 . 3 所示) 。

36

圖 3 . 3 大型高溫恆溫室示意圖

37

3.2.3.2 風機

風機元件的模型建構，考慮複雜外型繪製之計算網格數對電腦運算速度的負 荷，風機外殼與葉輪均改以簡化外型方式繪製（依據主要元件葉輪的外型、內徑與 厚度尺寸），外型尺寸為長度 3 1 0 m m 寬度 31 0 m m 深度 1 5 6 m m ，葉輪內尺寸 為 2 6 0 m m ，外型如平板，如圖 3 . 4 所示。

3.2.3.3 電 熱 管

電熱管的物理模型建構，因 U 型鰭片式 3 維外型較複雜，考量實體繪製轉換之 計算網格數對電腦運算速度的負荷，U 型鰭片式電熱管改以簡化為直管型電熱管外 型方式繪製，管長維持 1 . 7 m，內徑維持ψ2 4 m m，發熱功率由原來 U 型 3 . 4 K W 單支簡化為直管 1 . 7 K W 雙支，外型為圓長管。

3.2.3.4 風 箱

馬達、出風口 罩、回風口罩..

等組件略

風 機 簡 化 後 的 模 型

圖 3.4 風機 元 件 的 物 理 幾 何 模 型 示 意 圖

風 機 組 件 原 始 外 型

風 機 外 殼

葉 輪

38

風箱的物理模型建構，維持內流場的最大有效使用空間不變原則，風箱尺寸為 寬度 2 2 0 0 m m 高度 1 6 5 0 m m 深度 3 7 5 m m，出風口尺寸為 2 1 5 0 m m。風箱、

出風口、回風口尺寸，依數值分析模型而有所改變。

以恆溫室的五種風路變化之流場數值模擬，分析不同風路對內流場溫度分佈均 度與氣流運動的影響。以下風箱風路分為五種模型:

圖 3.5 依序分別為 A.B.C.D.E 五 種風路模式風箱

39

3.2.4 初 始 條 件 與 邊 界 條 件

初始與邊界條件之設定為數值模擬中重要的一環，愈是詳細且明確的設定，將 能清楚呈現出流場之物理性能表現。

初始條件設定（ I n it i a l C o n d it io n ） : 1.設定三倍物件尺寸大小

2.外流場設定條件:壓力為 1 大氣壓，溫度條件為 35^oC。

3.內流場溫度條件為 3 5 ℃ 。

4.流場內流體為 A i r ，溫度為 3 5 ℃ 。 5.邊界平板模式:A l l D o ma i n O p e n。

6 . 重 力 方 向 : Y 方 向 。

邊 界 條 件 （ B o u nd a r y C o n d it io n ）

:

1.內流場流體傳導屬性=自然對流與熱傳。

2.流場:三維流場

3.輻射考量（ R a d i a t o i n ） : Radiation On-High Accuracy。

4.求解器( S o l u t io n Typ e ) :暫態。

5.內流場流場模式:κ-εM o d e l (紊流模式)。

40

第 四 章 數 值 結 果 與 討 論

4.1 數 值 結 果

依 照 五 種 不 同 風 路 變 化 ， 以 F l o v e nt 軟 體 模 擬 依 據 中 國 G B 標 準 ， 其 量 測 位 置 點 與 設 備 內 牆 壁 的 距 離 為 工 作 室 各 個 邊 長 的 十 分 之 一 ， 採 用 G B 國 家 標 準 規 範 裡 設 備 能 力 測 點 與 實 驗 設 備 製 程 需 求 的 1 2 個 量 測 點 ， 數 位 式 溫 度 量 測 資 料 存 取 記 錄 系 統 進 行 五 種 不 同 風 路 模 擬 [ 1 9 ] 。

圖 4 - 1 實驗值之 G B 規範 1 2 測量位置的流場溫度分佈結果

41

圖 4 - 2 實驗設備於 2 4 測點量測結果之流場分佈圖

圖 4 - 3 實驗設備於兩個方式測量點之溫度分佈圖

42

4.2 溫 度 模 擬 比 較

五 種 不 同 風 路 型 式 的 流 場 溫 度 變 化 ， 首 先 A、 B 型 式 溫 度 分 佈 比 較 ， 由 圖 4 - 4 圖 4 - 5 溫 度 曲 線 圖 可 以 看 出 ， 當 A、 B 型 式 出 風 口 與 回 風 口 方 向 互 換 的 溫 度 變 化 ， A 型 式 上 側 小 出 風 口 往 下 回 風 ， 在 回 風 口 內 緣 的 電 熱 管 高 度 回 風 ， B 型 式 下 側 全 高 度 出 風 口 往 上 側 小 回 風 口 ， 在 2 0 0 秒 時 前 者 小 型 出 風 口 比 後 者 大 型 出 風 口 溫 度 上 升 較 慢 ， 而 快 速 升 溫 時 間 ， A 型 式 約 7 0 0 秒 後 達 到 升 溫 條 件 7 0 ^oC ， B 型 式 約 1 0 0 0 秒 ， 在 溫 度 穩 定 時 間 1 2 0 0 - 1 8 0 0 秒 ， A 型 式 溫 度 升 至 1 0 0

℃ ， B 型 式 趨 於 穩 定 狀 態 ， 可 證 明 上 側 小 出 風 口 升 溫 大 於 下 側 全 高 度 出 風 口 ( 圖 4 - 9 圖 4 - 1 0 為 溫 度 流 線 圖 )。C 型 式 為 縮 小 B 型 式 的 風 箱 深 度 ， 下 側 全 高 度 出 風 口 、 上 側 回 風 口 ， 在 快 速 升 溫 至 7 0 ℃ 時 ， C 型 風 路 優 於 B 型 ， 更 能 較 早 達 到 測 試 溫 度 ， 由 於 回 風 口 至 風 箱 寬 度 縮 小 ， 在 最 後 1 6 0 0 - 1 8 0 0 秒 溫 度 些 微 的 降 低 ( 圖 4 - 6 為 C 型 溫 度 曲 線 圖 圖 4 - 11 為 溫 度 流 線 圖 )。 D 型 風 路 為 改 變 回 風 位 置 ， 上 側 天 花 開 孔 回 風 口 ， 下 側 全 高 度 出 風 口 ， E 型 風 路 則 在 進 風 口 與 出 風 口 各 多 裝 風 道 ， 其 風 路 變 化 位 置 則 與 D 型 風 路 相 同 ， 由 圖 4 - 7 圖 4 - 8 溫 度 曲 線 圖 可 看 ， 前 者 D 型 式 風 路 升 溫 至 7 0 ^oC 為 1 0 0 0 秒 ， 而 E 型 式 風 路 因 多 了 風 道 ， 導 致 溫 度 升 高 過 程 中 有 些 許 的 緩 慢 ， 需 要 1 2 0 0 秒 才 可 升 溫 至 7 0^oC ， 在 1 2 0 0 - 1 8 0 0 秒 穩 定 時 間 中 ， D 型 式 風 路 溫 度 就 漸 趨 於 平 穩，E 型 式 風 路 在 這 6 0 0 秒 裡 還 有 些 微 的 升 溫 ( 圖 4 - 1 2、4 - 1 3 為 D 、 E 型 式 溫 度 流 線 圖 ) 。

43

圖 4 - 4 A 型 風 路 溫 度 曲 線 圖

圖 4 - 5 B 型 風 路 溫 度 曲 線 圖

44

圖 4 - 6 C 型 風 路 溫 度 曲 線 圖

圖 4 - 7 D 型 風 路 溫 度 曲 線 圖

45

圖 4 - 8 E 型 風 路 溫 度 曲 線 圖

46

圖 4 - 9 A 型 風 路 溫 度 流 線 圖

圖 4 - 1 0 B 型 風 路 溫 度 流 線 圖

47

圖 4 - 11 C 型 風 路 溫 度 流 線 圖

圖 4 - 1 2 D 型 風 路 溫 度 流 線 圖

48

圖 4 - 1 3 E 型 風 路 溫 度 流 線 圖