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admin 792daa6feb 初始化项目:规划文档 + FFU 洁净室流场实时仿真 Demo
- 规划文档 01-07:愿景 / 架构 / 路线图 / 数据与AI / 风险 / 参考 / FFU Demo
- 演示图:系统架构、数据流水线、里程碑路线图(SVG + PNG)
- FFU Demo:D2Q9 LBM 高保真(360x270, 76s)+ 粗网格快速代理(120x90, 7.3s, 16-27x 加速)
- 趋势验证:速度 r=0.95 / 粒子 r=0.83 / 温度 r=0.68
- 工具链:仿真脚本、快速代理、图表生成器、SVG->PNG 转换
2026-09-18 00:05:18 +08:00

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07 · FFU 洁净室流场实时仿真 Demo

FFU(Fan Filter Unit,风机过滤单元)下方洁净区的流场、温湿度、压力与尘埃粒子输运仿真。 这是"物理世界流场实时仿真"的首个可运行 Demo,同时提供 高保真真值 与 毫秒级快速代理 两条路径。


1. 物理场景

项目 设置
计算域 4.0 m(宽)× 3.0 m(高)2D 截面
FFU 送风 顶棚满布,面风速 0.45 m/s(ISO 14644-4 单向流推荐值)
回风 底部两侧回风口(00.5 m / 3.54.0 m),高架地板/下侧回风
工作台 x ∈ [0.60, 1.80],高 0.90 m
设备 x ∈ [0.85, 1.50],y ∈ [0.90, 1.25] —— 热源 + 尘源
操作人员 躯干 x ∈ [2.35, 2.75] 高 1.45 m + 头部(r = 0.15 m)—— 湿源 + 尘源
物料架 x ∈ [3.00, 3.50],高 1.15 m
温度 送风 22 °C,设备表面 35 °C
湿度 送风 RH 45%,呼吸区 RH 70%
粒子 设备 + 人员双尘源,含重力沉降(被动标量 + 沉降速度)
雷诺数 Re = U·H/ν ≈ 540(层流单向流)

2. 两条技术路径

高保真真值 快速代理
脚本 tools/ffu_simulation.py tools/ffu_surrogate.py
网格 360 × 270(90 px/m) 120 × 90(1/3 分辨率)
步数 14 000 5 000
求解 D2Q9 LBM + 半拉格朗日标量输运 同一套求解器(粗网格)+ 双线性重建
端到端耗时 76 s 7.3 s(16-27x 加速)
定位 验证真值 / 精度基准 交互预览 / 趋势级实时

为什么"粗网格"是当前最好的快速代理? 在 AI 神经算子尚未训练完成的阶段,粗网格求解用同一套物理保证趋势一致(速度场相关系数 r = 0.95), 是零训练成本、零泛化风险的实时路径;同时它天然作为后续 FNO/DeepONet 的对照基线。

3. 趋势验证结果

趋势验证

场量 全场相关系数(vs 高保真) 结论
速度 r = 0.95 绕障加速、贴壁射流、回流区结构一致
粒子浓度 r = 0.83 羽流路径与死角堆积一致
温度 r = 0.68 热羽下扫与侧向输运一致(粗网格扩散略强)

代理模型保证趋势级精度,局部场量精度不做保证;需要精确值时切换高保真求解。

4. 结果图

4.1 流场(高保真)

流场

4.2 温湿度 / 压力 / 粒子(高保真)

标量场

4.3 快速代理(7 秒出图)

快速流场

快速标量场

4.4 粒子轨迹与滞留时间

粒子轨迹

5. 主要物理结论(趋势)

  1. 单向下扫:FFU 送风把设备/人员散发的热量、湿气与粒子持续向下输运,经底部回风口排出——这是洁净室自净能力的来源;
  2. 绕障加速:气流在工作台、人员、物料架之间被挤压加速,贴壁/缝隙处流速可达 ~1.5 m/s(约为送风速度的 3 倍);
  3. 死角堆积:障碍物背风侧与墙角存在低速回流区,污染物滞留时间显著变长(粒子轨迹图中颜色越暖滞留越久)——这是洁净室布局优化的关键目标;
  4. 压力分布:送风端相对正压、回风口相对负压,全场压差 < 2 Pa(洁净室典型量级);
  5. 人员源不可忽视:呼吸区湿羽流与尘源在单向流下形成明显的下扫羽流,直接影响工作区洁净度。

6. 模型局限(诚实声明)

  • 2D 截面:无法刻画三维绕流与横向扩散;
  • 等温假设:未耦合浮力(热羽流完全由强制对流主导),真实热源上方可能存在浮力竞争;
  • 层流/低 Re:未启用湍流模型,高换气次数下的湍流脉动未建模;
  • 粒子为被动标量 + 沉降:未包含凝聚、静电、表面沉积再悬浮;
  • 非洁净度认证:粒子浓度为归一化相对值,不可直接对应 ISO 14644-1 等级。

7. 复现命令

# 高保真真值(76 s,输出 3 张图 + npz 场数据)
python tools/ffu_simulation.py

# 快速代理(7 s,输出 2 张图 + 趋势验证对比图)
python tools/ffu_surrogate.py

# 规划图(架构 / 流水线 / 路线图 SVG)
python tools/gen_diagrams.py

# SVG -> PNG
npm install && node tools/svg2png.js

8. 下一步

  • 加入浮力项(Boussinesq)验证热羽流竞争;
  • 参数化扫描:送风速度 × 障碍物布局 × 源强度 → 数据集 D5;
  • 训练 FNO 代理:以 D5 为数据,对标粗网格代理的速度与精度;
  • 三维化:FFU 阵列 + 局部障碍物 3D 流场;
  • 接入 WebGPU 前端,实现参数拖拽实时刷新。