干式超聲清洗變截面空腔流場特性仿真分析

劉福來，張 波，趙 恒，隆志力﹡

(1. 河南科技大學機電工程學院，河南 洛陽 471003；2. 哈爾濱工業(yè)大學(深圳)機電工程與自動化學院，廣東 深圳 518055)

1 引言

在液晶顯示器和半導體制造工藝流程中，清洗的效果直接影響成品的各項指標，因此清洗除塵工藝在整個顯示器和半導體生產(chǎn)線中起著重要的作用[1]。目前，干式超聲波清洗已經(jīng)成為半導體顯示器除塵最為有效的新型技術。相比于傳統(tǒng)的濕式超聲波清洗[2]，干式超聲波清洗在我國尚屬開始研究階段，當前研究深度與廣度尚存不足[3，4]。干式超聲波清洗的優(yōu)點在于：不需要另加清洗劑，綠色環(huán)保；非接觸式清洗，避免被清洗件損害；無附加風干設備，成本較低；對于1.6μm 以上的塵粒去除率接近100%[5]。

干式超聲波清洗系統(tǒng)包括空氣循環(huán)系統(tǒng)、被清洗件傳送系統(tǒng)和超聲清洗頭三大部分。變截面空腔是干式超聲清洗頭的核心部件，也是使高速氣流轉變?yōu)楦哳l波動的關鍵結構[6]。因此，國內(nèi)外學者對變截面空腔結構開展廣泛研究。Yun E J等[7]通過在出口增加喇叭形放大器，降低了超聲波傳播能耗。Choi H等[8]通過改變空腔結構以增加流速并對不同粒徑微粒運動軌跡進行了比較。龐浩斐等[9]對超聲干式清洗技術進行了理論分析與仿真。Liu Y H[10]等研究了干冰噴射去除附著在表面上的細顆粒的應用，并考察了去除過程。Yin Z Y[11]等設計了一種利用換能器代替機械動態(tài)結構產(chǎn)生超聲波的空腔結構。侯中喜，易仕和等[12]對影響空腔內(nèi)流場特性的因素進行了研究。Worapol T等[13]基于諧波響應分析的工業(yè)超聲波清洗槽的研制。馬明生等[14]討論了空腔長深比對空腔流場特性的影響。

綜上所述，目前研究均未對影響空腔出口流場特性的因素進行對比分析。本文通過對可壓縮Navier-Stokes方程做Favre濾波化簡整理得到任意曲線坐標下的大渦模擬方程(LES)，利用流體仿真軟件ANSYS Fluent17.0建立變截面空腔流場計算模型。通過對不同空腔長深比、腔口長度(H)、入口氣流速度與空腔組數(shù)等關鍵因素對變截面空腔出口流場特性的影響分析研究。設計出了一種腔口流場特性最優(yōu)的變截面空腔，其研究結果為微粒再懸浮及懸浮后運動軌跡的研究提供技術參考。

2 變截面空腔設計與數(shù)值分析

2.1 結構設計

本文設計了一種變截面空腔結構包括：入口(inlet)，出口(outlet)，其余為壁面(wall)，如圖1所示。通過Fluent流體仿真軟件模擬仿真出影響變截面空腔腔口流場特性的因素，并應用得出的變截面空腔結構參數(shù)設計了一種干式超聲清洗頭，如圖2所示，其包括第一真空腔、第二真空腔、儲壓加速腔和變截面空腔。高速氣流從儲壓加速腔的進口通入，再次加速后的氣流通過變截面空腔形成高速超聲波氣流并從腔口吹向被清洗基板，結構兩側的第一真空腔和第二真空腔將被高速超聲波氣流吹起的懸浮微顆粒吸入并進行分離。

圖1 變截面空腔結構圖

圖2 干式超聲清洗頭結構及原理圖

2.2 跨聲速流體方程

將亞聲速或超聲速的高速氣流通過變截面空腔，因此需要將通入變截面空腔的氣體作為可壓縮流體。直角坐標軸系下的N-S方程組包含連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，采用守恒形式下的方程組可表示為

(1)

式中A為守恒矢變量，B，C，D為無粘矢通量，Bv，Cv，Dv為粘性矢通量，S為源項，ρ為密度，u，v，w分別為流體在x，y，z方向上的速度，e為流體總能，qi為熱流量。

設任意曲線坐標系下的坐標變量為

ζ=ζ(x，y，z)，η=η(x，y，z)，?=?(x，y，z)

(2)

定義坐標變換為

=xζ(yηz?-y?zη)-xη(yζz?-y?zζ)+x?(y?zη-yηzζ)

(3)

Favre濾波通過過濾函數(shù)(4)來實現(xiàn)

(4)

整理得到任意曲線坐標下的可壓縮流動LES主導方程為

(5)

3 空腔流場仿真分析

3.1 仿真平臺及其參數(shù)設置

ANSYS Fluent17.0是一款應用于流體、熱傳遞和化學反應等有關問題的仿真分析計算軟件。本文應用該軟件的流體功能模塊，采用得出的可壓縮流動方程(LES)，雙精度求解器(Double Precision)，非定常瞬態(tài)分析(Transient)，二階隱式(Second Order Implict) 離散格式，PISO壓力-速度耦合算法，PRESTO！壓力插值方案，對變截面空腔內(nèi)的空氣介質(zhì)流體進行網(wǎng)格劃分。入口速度設置為300m/s，壓力為15kPa，出口靜壓為0，亞松弛因子Pressure和Momentum分別為0.3和0.7，時間步長設為5×10-5，步數(shù)設為1000。

3.1.1 空腔內(nèi)流場仿真結果分析

為了研究不同空腔腔口流場特性的影響因素，本文對設計的標準空腔內(nèi)流場做仿真分析，其設置參數(shù)為：入口氣流速度為300m/s，空腔長深比為1.5，空腔組數(shù)為2組以及腔口長度為 6mm。分析此變截面空腔內(nèi)的流場分布，得到t=0.1s時刻變截面空腔內(nèi)的速度和壓力流場仿真云圖，如圖3所示。從流場云圖可直觀反映出空腔內(nèi)壓力和速度的狀態(tài)。

圖3 變截面空腔內(nèi)流場云圖

從圖3(a)速度云圖可知，氣流在從腔口前緣流至腔口后緣的過程中空腔中心速度最高，隨著氣流的穩(wěn)定，空腔內(nèi)因速度不均從前緣形成脫落渦，運動到空腔后緣并與空腔后緣發(fā)生碰撞，從而形成空腔的流激振蕩。從圖3(b)壓力云圖可知，因經(jīng)過空腔流道氣流速度的增加，使空腔流道壓強從入口到出口逐漸降低，空腔出口處甚至可能出現(xiàn)負壓現(xiàn)象。

3.2 腔口流場仿真結果分析

表1為空腔長深比、入口氣流速度、空腔組數(shù)和腔口長度等不同參數(shù)形式，按照其各參數(shù)形式進行變截面空腔出口流場特性仿真分析。所有空腔仿真數(shù)據(jù)設定均與3.1節(jié)一致。

表1 變截面空腔結構及參數(shù)

3.2.1 入口氣流速度對腔體出口流場的影響

由3.1.1節(jié)的分析可知，空腔出口中心氣流速度變化最能突出腔口流場特性，因此本文對不同因素下腔口中心瞬時氣流速度進行了分析對比。選擇表1-1中Ⅰ所示的參數(shù)進行仿真，入口來流速度分別為200m/s、250m/s、300m/s和350m/s。圖4(a)為腔口中心速度隨時間的變化曲線，圖4(b)為腔口中心氣流頻率與振幅變化曲線。

圖4 入口氣流速度對腔口流場特性的影響

從圖4(a)中可看出，當入口氣流速度越大時，空腔出口氣流達到穩(wěn)定的時間就越短，且隨著入口氣流速度的增大，腔口速度也隨之增大。從圖4(b)中可以看出，隨著入口氣流速度的增大，腔體出口的氣流波動就越平穩(wěn)，但氣流速度過大，腔體出口的氣流波動會不平穩(wěn)。不同入口氣流速度下，在40kHz左右時，腔體出口氣流振幅會出現(xiàn)耦合，耦合振幅過大或過小均不能使被清洗基板上的微粒再懸浮，而在1-3mm時最有利于微粒的懸浮清洗。綜上，入口氣流速度過大和過小均對腔口氣流速度增幅及不同頻率下振幅均有較大影響，不利于干式清洗。

3.2.2 空腔長深比對腔體出口流場的影響

空腔長深比是影響變截面空腔出口流場特性的重要因素之一。選擇表1-1中參數(shù)Ⅱ所示的四種不同空腔長深比結構，設置入口氣流速度300m/s，空腔長深比分別為L/D=1、L/D=1.2、L/D=1.5和L/D=2。圖5(a)為腔口中心速度隨時間的變化曲線，圖5(b)為腔口中心氣流頻率與振幅變化曲線。

由圖5(a)可看出，相同入口氣流速度下，隨著空腔長深比的增大，腔口速度均有增幅，長深比為1.5和2時增幅最為明顯。從圖5(b)中可以看出，腔口氣流波動振幅隨著空腔長深比的增加而增大，長深比為1.5時，在40kHz左右，腔體出口氣流振幅會出現(xiàn)耦合，且耦合振幅適中。綜上，空腔長深比過小時腔口速度增幅不明顯，空腔長深比過大時腔口氣流波動不穩(wěn)定，只有在合適的空腔長深比下腔口速度的增幅大且氣流波動振幅平穩(wěn)。

圖5 空腔長深比對腔口流場特性的影響

3.2.3 腔口長度對空腔出口流場的影響

如圖2，選擇表1-1中參數(shù)Ⅲ所示的三種腔口長度(H)的矩形空腔結構進行仿真分析，腔口長度(H，單位：mm)分別為H=3、H=6和H=12。圖6(a)為腔口中心速度隨時間的變化曲線，圖6(b)為腔口中心氣流頻率與振幅變化曲線。

由圖6(a)看出，相同入口氣流速度和空腔長深比下，腔口速度增幅隨著腔口長度(H)的增加而增加，但腔口速度增幅越低以及達到穩(wěn)定所用的時間卻越長。從圖6(b)中可以看出，腔口長度(H)分別為H=3mm和H=6mm時振幅最穩(wěn)定，但H=3mm時沒有明顯耦合現(xiàn)象。綜上，隨著腔口長度(H)的增加，腔口速度增幅會降低，但達到穩(wěn)定所用時間會越短，在不同頻率下，腔口長度(H)過短或過長均會影響空腔的速度增幅和振幅波動的穩(wěn)定性。

圖6 腔口長度對腔口流場特性的影響

3.2.4 空腔組數(shù)對空出口流場的影響

分別選用相同長深比、入口氣流速度和腔口長度(H)，選擇表1-1中參數(shù)Ⅳ所示的包含一組、二組和三組的矩形空腔。圖7(a)為腔口中心速度隨時間的變化曲線，圖7(b)為腔口中心氣流頻率與振幅變化曲線。

圖7(a)表明，在其它因素相同的情況下，隨著空腔組數(shù)的增加，腔口速度增幅會有提高，但是空腔組數(shù)的增加會影響腔口流場波動特性，從整體來看雖是規(guī)律性波動，但局部時間段內(nèi)波動不均勻。當空腔結構為一組、二組空腔時，腔口流場波動較為均勻，二組空腔時，腔口速度增幅更高。從圖7(b)中可以看出，不同頻率下空腔組數(shù)為一組和三組的腔口流場振幅波動不均勻。綜上，當變截面空腔的空腔組數(shù)為2組時，腔口的速度增幅最高，振幅波動最平穩(wěn)。

圖7 空腔組數(shù)對腔口流場特性的影響

4 結論

1)通過計算仿真設計了一種空腔出口流場最優(yōu)的變截面空腔結構，其參數(shù)為：空腔長深比為1.5、入口氣流速度為300m/s、空腔組數(shù)為2組以及腔口長度為 6mm；應用所得變截面空腔設計了一種能夠產(chǎn)生超聲頻流場的干式超聲清洗頭。

2)變截面空腔長深比和入口氣流速度對腔口流場特性影響最大，空腔長深比和入

口氣流速度過大或過小均會影響變截面空腔出口氣流達到穩(wěn)定的時間、速度增幅以及不同頻率下的振幅波動。

3)經(jīng)過濾波得到的大渦模擬方程能夠分析計算變截面空腔的可壓縮氣流場特性，分析得出的空腔結構參數(shù)為干式超聲清洗系統(tǒng)的研究提供了理論依據(jù)，驗證了有限元仿真方式能夠應用于跨聲速流場的仿真研究。