劉福來(lái)，張 波，趙 恒，隆志力﹡

(1. 河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣東 深圳 518055)

1 引言

在液晶顯示器和半導(dǎo)體制造工藝流程中，清洗的效果直接影響成品的各項(xiàng)指標(biāo)，因此清洗除塵工藝在整個(gè)顯示器和半導(dǎo)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(dǎo)體顯示器除塵最為有效的新型技術(shù)。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(guó)尚屬開(kāi)始研究階段，當(dāng)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(diǎn)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(wú)附加風(fēng)干設(shè)備，成本較低；對(duì)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(zhuǎn)變?yōu)楦哳l波動(dòng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)[6]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)變截面空腔結(jié)構(gòu)開(kāi)展廣泛研究。Yun E J等[7]通過(guò)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(guò)改變空腔結(jié)構(gòu)以增加流速并對(duì)不同粒徑微粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了比較。龐浩斐等[9]對(duì)超聲干式清洗技術(shù)進(jìn)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(xì)顆粒的應(yīng)用，并考察了去除過(guò)程。Yin Z Y[11]等設(shè)計(jì)了一種利用換能器代替機(jī)械動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生超聲波的空腔結(jié)構(gòu)。侯中喜，易仕和等[12]對(duì)影響空腔內(nèi)流場(chǎng)特性的因素進(jìn)行了研究。Worapol T等[13]基于諧波響應(yīng)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(zhǎng)深比對(duì)空腔流場(chǎng)特性的影響。

綜上所述，目前研究均未對(duì)影響空腔出口流場(chǎng)特性的因素進(jìn)行對(duì)比分析。本文通過(guò)對(duì)可壓縮Navier-Stokes方程做Favre濾波化簡(jiǎn)整理得到任意曲線坐標(biāo)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(chǎng)計(jì)算模型。通過(guò)對(duì)不同空腔長(zhǎng)深比、腔口長(zhǎng)度(H)、入口氣流速度與空腔組數(shù)等關(guān)鍵因素對(duì)變截面空腔出口流場(chǎng)特性的影響分析研究。設(shè)計(jì)出了一種腔口流場(chǎng)特性最優(yōu)的變截面空腔，其研究結(jié)果為微粒再懸浮及懸浮后運(yùn)動(dòng)軌跡的研究提供技術(shù)參考。

2 變截面空腔設(shè)計(jì)與數(shù)值分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種變截面空腔結(jié)構(gòu)包括：入口(inlet)，出口(outlet)，其余為壁面(wall)，如圖1所示。通過(guò)Fluent流體仿真軟件模擬仿真出影響變截面空腔腔口流場(chǎng)特性的因素，并應(yīng)用得出的變截面空腔結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)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(chǔ)壓加速腔和變截面空腔。高速氣流從儲(chǔ)壓加速腔的進(jìn)口通入，再次加速后的氣流通過(guò)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(jié)構(gòu)兩側(cè)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(jìn)行分離。

圖1 變截面空腔結(jié)構(gòu)圖

圖2 干式超聲清洗頭結(jié)構(gòu)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(guò)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(biāo)軸系下的N-S方程組包含連續(xù)性方程、動(dòng)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(wú)粘矢通量，Bv，Cv，Dv為粘性矢通量，S為源項(xiàng)，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(shè)任意曲線坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變量為

ζ=ζ(x，y，z)，η=η(x，y，z)，?=?(x，y，z)

(2)

定義坐標(biāo)變換為

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

(3)

Favre濾波通過(guò)過(guò)濾函數(shù)(4)來(lái)實(shí)現(xiàn)

(4)

整理得到任意曲線坐標(biāo)下的可壓縮流動(dòng)LES主導(dǎo)方程為

(5)

3 空腔流場(chǎng)仿真分析

3.1 仿真平臺(tái)及其參數(shù)設(shè)置

ANSYS Fluent17.0是一款應(yīng)用于流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)問(wèn)題的仿真分析計(jì)算軟件。本文應(yīng)用該軟件的流體功能模塊，采用得出的可壓縮流動(dòng)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(duì)變截面空腔內(nèi)的空氣介質(zhì)流體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。入口速度設(shè)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(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為5×10-5，步數(shù)設(shè)為1000。

3.1.1 空腔內(nèi)流場(chǎng)仿真結(jié)果分析

為了研究不同空腔腔口流場(chǎng)特性的影響因素，本文對(duì)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)空腔內(nèi)流場(chǎng)做仿真分析，其設(shè)置參數(shù)為：入口氣流速度為300m/s，空腔長(zhǎng)深比為1.5，空腔組數(shù)為2組以及腔口長(zhǎng)度為 6mm。分析此變截面空腔內(nèi)的流場(chǎng)分布，得到t=0.1s時(shí)刻變截面空腔內(nèi)的速度和壓力流場(chǎng)仿真云圖，如圖3所示。從流場(chǎng)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(chǎng)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(guò)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(yùn)動(dòng)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(guò)空腔流道氣流速度的增加，使空腔流道壓強(qiáng)從入口到出口逐漸降低，空腔出口處甚至可能出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象。

3.2 腔口流場(chǎng)仿真結(jié)果分析

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

表1 變截面空腔結(jié)構(gòu)及參數(shù)

3.2.1 入口氣流速度對(duì)腔體出口流場(chǎng)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(chǎng)特性，因此本文對(duì)不同因素下腔口中心瞬時(shí)氣流速度進(jìn)行了分析對(duì)比。選擇表1-1中Ⅰ所示的參數(shù)進(jìn)行仿真，入口來(lái)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(shí)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(duì)腔口流場(chǎng)特性的影響

從圖4(a)中可看出，當(dāng)入口氣流速度越大時(shí)，空腔出口氣流達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)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(dòng)就越平穩(wěn)，但氣流速度過(guò)大，腔體出口的氣流波動(dòng)會(huì)不平穩(wěn)。不同入口氣流速度下，在40kHz左右時(shí)，腔體出口氣流振幅會(huì)出現(xiàn)耦合，耦合振幅過(guò)大或過(guò)小均不能使被清洗基板上的微粒再懸浮，而在1-3mm時(shí)最有利于微粒的懸浮清洗。綜上，入口氣流速度過(guò)大和過(guò)小均對(duì)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(zhǎng)深比對(duì)腔體出口流場(chǎng)的影響

空腔長(zhǎng)深比是影響變截面空腔出口流場(chǎng)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(zhǎng)深比結(jié)構(gòu)，設(shè)置入口氣流速度300m/s，空腔長(zhǎng)深比分別為L(zhǎng)/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(shí)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(zhǎng)深比的增大，腔口速度均有增幅，長(zhǎng)深比為1.5和2時(shí)增幅最為明顯。從圖5(b)中可以看出，腔口氣流波動(dòng)振幅隨著空腔長(zhǎng)深比的增加而增大，長(zhǎng)深比為1.5時(shí)，在40kHz左右，腔體出口氣流振幅會(huì)出現(xiàn)耦合，且耦合振幅適中。綜上，空腔長(zhǎng)深比過(guò)小時(shí)腔口速度增幅不明顯，空腔長(zhǎng)深比過(guò)大時(shí)腔口氣流波動(dòng)不穩(wěn)定，只有在合適的空腔長(zhǎng)深比下腔口速度的增幅大且氣流波動(dòng)振幅平穩(wěn)。

圖5 空腔長(zhǎng)深比對(duì)腔口流場(chǎng)特性的影響

3.2.3 腔口長(zhǎng)度對(duì)空腔出口流場(chǎng)的影響

如圖2，選擇表1-1中參數(shù)Ⅲ所示的三種腔口長(zhǎng)度(H)的矩形空腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，腔口長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)深比下，腔口速度增幅隨著腔口長(zhǎng)度(H)的增加而增加，但腔口速度增幅越低以及達(dá)到穩(wěn)定所用的時(shí)間卻越長(zhǎng)。從圖6(b)中可以看出，腔口長(zhǎng)度(H)分別為H=3mm和H=6mm時(shí)振幅最穩(wěn)定，但H=3mm時(shí)沒(méi)有明顯耦合現(xiàn)象。綜上，隨著腔口長(zhǎng)度(H)的增加，腔口速度增幅會(huì)降低，但達(dá)到穩(wěn)定所用時(shí)間會(huì)越短，在不同頻率下，腔口長(zhǎng)度(H)過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)均會(huì)影響空腔的速度增幅和振幅波動(dòng)的穩(wěn)定性。

圖6 腔口長(zhǎng)度對(duì)腔口流場(chǎng)特性的影響

3.2.4 空腔組數(shù)對(duì)空出口流場(chǎng)的影響

分別選用相同長(zhǎng)深比、入口氣流速度和腔口長(zhǎng)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(shí)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(huì)有提高，但是空腔組數(shù)的增加會(huì)影響腔口流場(chǎng)波動(dòng)特性，從整體來(lái)看雖是規(guī)律性波動(dòng)，但局部時(shí)間段內(nèi)波動(dòng)不均勻。當(dāng)空腔結(jié)構(gòu)為一組、二組空腔時(shí)，腔口流場(chǎng)波動(dòng)較為均勻，二組空腔時(shí)，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(chǎng)振幅波動(dòng)不均勻。綜上，當(dāng)變截面空腔的空腔組數(shù)為2組時(shí)，腔口的速度增幅最高，振幅波動(dòng)最平穩(wěn)。

圖7 空腔組數(shù)對(duì)腔口流場(chǎng)特性的影響

4 結(jié)論

1)通過(guò)計(jì)算仿真設(shè)計(jì)了一種空腔出口流場(chǎng)最優(yōu)的變截面空腔結(jié)構(gòu)，其參數(shù)為：空腔長(zhǎng)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(zhǎng)度為 6mm；應(yīng)用所得變截面空腔設(shè)計(jì)了一種能夠產(chǎn)生超聲頻流場(chǎng)的干式超聲清洗頭。

2)變截面空腔長(zhǎng)深比和入口氣流速度對(duì)腔口流場(chǎng)特性影響最大，空腔長(zhǎng)深比和入

口氣流速度過(guò)大或過(guò)小均會(huì)影響變截面空腔出口氣流達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間、速度增幅以及不同頻率下的振幅波動(dòng)。

3)經(jīng)過(guò)濾波得到的大渦模擬方程能夠分析計(jì)算變截面空腔的可壓縮氣流場(chǎng)特性，分析得出的空腔結(jié)構(gòu)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(yàn)證了有限元仿真方式能夠應(yīng)用于跨聲速流場(chǎng)的仿真研究。