關(guān)紅艷 周建 張晶晶 劉未杰 賈祺 寧占武 郭中寶

（1中國建材檢驗認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司，北京 100024；2北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054）

我國市場上功能性建材產(chǎn)品污染物凈化性能評價過程主要存在以下問題[1-7]：①如何模擬實際使用環(huán)境，在持續(xù)的動態(tài)污染環(huán)境下評價建材產(chǎn)品的實際污染物凈化性能尚無法實現(xiàn)；②檢測裝置研發(fā)以經(jīng)驗為主，缺乏計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）對裝置內(nèi)部氣流均勻性、空氣流速等指標(biāo)的科學(xué)性指導(dǎo)。目前，在國外的空氣凈化材料污染氣凈化能力表征方法體系中，連續(xù)流動反應(yīng)裝置主要在紫外光/可見光激發(fā)的光催化材料領(lǐng)域應(yīng)用較多，通過艙體進(jìn)口和出口污染氣的濃度變化表征污染物去除效率和去除量。在吸附/吸收類空氣凈化材料的凈化性能表征中，標(biāo)準(zhǔn)ISO 16000-23[8]和ISO 16000-24[9]提出將該裝置用于凈化容量的表征。然而，在我國市場上單純的吸收/吸附型空氣凈化材料的應(yīng)用并不廣泛，多數(shù)為多孔吸附材料負(fù)載紫外光/可見光激發(fā)納米光催化材料的復(fù)合型空氣凈化材料，針對其凈化容量表征方法體系的研究尚屬空白。本文提出的連續(xù)流動反應(yīng)裝置的優(yōu)勢在于充分考慮了污染氣不斷產(chǎn)生、樣品實際使用過程中表面空氣流動等因素的影響。連續(xù)的動態(tài)吹掃氣可將反應(yīng)產(chǎn)物及時吹走，最大化地發(fā)揮空氣凈化材料的凈化作用。

基于此，本研究旨在通過雙艙連續(xù)流動-氣流仿真模擬耦合技術(shù)，研究艙體內(nèi)部內(nèi)艙尺寸、進(jìn)氣與出氣口相對位置、進(jìn)氣流速、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和是否使用格柵等參數(shù)對雙艙連續(xù)流動測試系統(tǒng)內(nèi)部氣流組織的影響，以及它們之間的耦合作用對艙內(nèi)氣流均勻性的影響機(jī)制，建立復(fù)合型空氣凈化材料的凈化容量表征方法。本研究完善了空氣凈化材料的凈化能力表征方法，具有其科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值。

1 試驗

1.1 雙艙連續(xù)流動測試系統(tǒng)的設(shè)計

為模擬功能性建材產(chǎn)品實際應(yīng)用過程中其表面氣流的真實情況，本文設(shè)計了圖1所示的雙艙連續(xù)流動測試系統(tǒng)。試驗過程中樣品放置于內(nèi)艙，污染氣直接通入外艙，通過內(nèi)艙下方的風(fēng)扇將外艙的氣體送入內(nèi)艙中樣品表面，以使污染氣與樣品充分發(fā)生作用。

圖1 雙艙連續(xù)流動測試系統(tǒng)

1.2 測試艙內(nèi)部氣流場模擬

本文結(jié)合計算流體力學(xué)方法對雙艙連續(xù)流動測試系統(tǒng)的艙體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬優(yōu)化?；赟olidWorks軟件對建立測試艙建立物理模型，并在ANSYS FLUENT軟件中選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程（k為湍動能，ε為耗散率）對測試艙壁面處湍流流動和艙室內(nèi)部氣體流動狀態(tài)進(jìn)行模擬，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型輸送方程式如下，用2個相互分離的傳送公式求解：

式中：

Gk—由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流能項；

Gb—由浮力產(chǎn)生的湍動能項；

Ym—在可壓縮流動中湍流脈動膨脹到全局流程中對耗散率的貢獻(xiàn)項；

C1，C2，C3-常量；

σk，σε-k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)；

Sk，Sε-用戶定義的湍流耗散源項。

雙艙連續(xù)流動測試系統(tǒng)內(nèi)部氣流組織擬合過程中的邊界條件如下：

①內(nèi)艙尺寸：

200mm*200mm*180mm，251mm*251mm*222mm；

②出入口相對角度：0o，90o，180o；

③入氣流速：120mL/min，160mL/min，200mL/min；

④風(fēng)扇轉(zhuǎn)速：0.2m/s，0.3m/s，0.4m/s；

⑤內(nèi)艙氣流出口處是否使用格柵。

2 艙體結(jié)構(gòu)模擬優(yōu)化

本文通過計算流體力學(xué)分析，模擬不同內(nèi)艙尺寸、進(jìn)氣與出氣口相對位置、進(jìn)氣流速和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，及是否使用格柵時艙體內(nèi)的氣體流場速度云圖、流線圖及矢量圖，進(jìn)而推測最佳測試條件，為合理表征復(fù)合型空氣凈化材料的凈化容量提供理論支持。

2.1 不同內(nèi)艙尺寸下艙內(nèi)氣體流場分析

設(shè)置內(nèi)艙尺寸分別為200mm*200mm*180mm和251mm*251mm*222mm，在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為0.3m/s，進(jìn)氣流速160mL/min條件下，對艙體內(nèi)部流場仿真模擬，分析氣體在其內(nèi)部運動形態(tài)和軌跡。以SolidWorks軟件建立的三維實體模型為基礎(chǔ)，運用FLUENT軟件對氣體流場模擬，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，物性參數(shù)設(shè)置流體材料為空氣，粘性系數(shù)為1.7894×10-5Pa·s；選擇靜止壁面類型，無滑移邊界條件，Simple算法，速度為基本求解變量，計算測試艙內(nèi)部流場。氣體流速云圖、流線圖和矢量圖如圖2所示。

由圖2可見，內(nèi)艙尺寸對艙內(nèi)氣體流場具有較大影響，內(nèi)艙尺寸為200mm*200mm*180mm時，艙內(nèi)的左下角存在渦流，內(nèi)艙底部存在較大湍流，且僅有部分外艙氣體進(jìn)入內(nèi)艙，不利于污染物在艙室內(nèi)的輸送、反應(yīng)，影響功能性材料評價效果；當(dāng)內(nèi)艙尺寸為251mm*251mm*222mm時，艙體內(nèi)氣體流場、流線均勻性較好。

圖2 不同尺寸測試艙內(nèi)氣流均勻性模擬

2.2 內(nèi)外艙出氣口相對位置對艙內(nèi)氣體流動狀態(tài)的影響

設(shè)置相對角度分別為0o，90o，180o，在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為0.3m/s，進(jìn)氣流速160mL/min，內(nèi)艙尺寸為251mm*251mm*222mm條件下，對艙體內(nèi)部流場模擬，設(shè)置邊界條件同2.1。模擬流速云圖和矢量圖如圖3所示。其中，如云圖所示，三個角度艙體的內(nèi)部氣流除進(jìn)氣口和出氣口區(qū)域外均處于勻速緩慢狀態(tài)；從速度矢量圖可以看出，當(dāng)相對角度為0o時氣體進(jìn)入內(nèi)艙較充分，且貼近壁面，能更好與材料表面發(fā)生置換；流線圖中當(dāng)角度為0o時，內(nèi)外艙的風(fēng)速和風(fēng)量最均勻，而90o，180o時氣流主要集中在外艙底部和壁面區(qū)域，不利于材料表面污染物釋放和采集，因此，內(nèi)艙出氣口與外艙出氣口相對位置0o為最優(yōu)條件。

圖3 不同相對角度的內(nèi)部氣體流動狀態(tài)

圖4為不同角度下艙內(nèi)氣體流線圖，模擬顯示0o時氣體在艙體內(nèi)流動更均勻。

圖4 不同角度的內(nèi)艙出氣口與外艙出氣口相對位置艙內(nèi)氣體流動分析

2.3 進(jìn)氣口氣流速度對艙內(nèi)流場分布的影響

設(shè)置進(jìn)氣口氣流速分別為120mL/min，160mL/min，200mL/min，在進(jìn)氣和出氣口相對角度分別為0o，進(jìn)氣流速160mL/min，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速0.3m/s，內(nèi)艙尺寸251mm*251mm*222mm條件下，對艙體內(nèi)部流場模擬，設(shè)置邊界條件同2.1，結(jié)果如圖5所示。云圖和速度矢量圖顯示，不同的進(jìn)氣口流速對艙室內(nèi)氣流場影響不大，內(nèi)外艙整體氣體流動均勻且緩慢，內(nèi)艙氣體置換效果較好；流線圖顯示，當(dāng)進(jìn)氣口流速為120mL/min時，氣體在進(jìn)入內(nèi)艙之前形成較大渦流，不利于內(nèi)外艙氣體循環(huán)交換，當(dāng)流速分別為160mL/min和200mL/min時，氣體可以很快進(jìn)入內(nèi)艙，但200mL/min時氣流在外艙近壁面處形成較大渦流，影響了艙內(nèi)氣體循環(huán)的穩(wěn)定性，因此選取進(jìn)氣口流速為160mL/min作為雙艙連續(xù)流動測試系統(tǒng)的工作條件之一。

圖5 不同進(jìn)氣口氣流速度條件下艙內(nèi)流場分析

2.4 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對艙內(nèi)氣流均勻性的影響

設(shè)置風(fēng)扇轉(zhuǎn)速分別為0.2m/s，0.3m/s，0.4m/s，在進(jìn)氣和出氣口相對角度分別為0o，進(jìn)氣流速160mL/min，內(nèi)艙尺寸251mm*251mm*222mm條件下，對艙體內(nèi)部流場模擬，設(shè)置邊界條件同2.1，結(jié)果如圖6所示。云圖和速度矢量圖顯示，不同的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速條件下艙室內(nèi)外艙整體流場均勻，且有較好置換效果；由流線圖可以看出，當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為0.2m/s時，氣體流動主要集中在內(nèi)艙底部，并形成較復(fù)雜渦流，氣體向上運動動力不足，當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速分別為0.3m/s和0.4m/s時，艙內(nèi)氣流場呈現(xiàn)均勻分布，均未見渦流和死角存在，從節(jié)約能耗角度考慮，本研究選取風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為0.3m/s作為雙艙連續(xù)流動測試系統(tǒng)的工作條件之一。

圖6 不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對艙內(nèi)流場的影響分析

2.5 是否使用格柵對艙內(nèi)氣流均勻性的影響

本研究在內(nèi)艙出口處設(shè)置格柵板，在進(jìn)氣和出氣口相對角度分別為0o，進(jìn)氣流速160mL/min，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為0.3m/s，內(nèi)艙尺寸251mm*251mm*222mm條件下，對艙體內(nèi)部流場模擬，設(shè)置邊界條件同2.1，結(jié)果如圖7所示。由云圖和速度矢量圖可以看出，艙室內(nèi)部流場與相同條件下未安裝格柵相比整體均勻性更好；流線圖顯示，安裝格柵后在進(jìn)氣口相近區(qū)域渦流情況加劇，推測為格柵增加了艙體內(nèi)部阻力，影響了氣體的推動效果，但整體流線呈現(xiàn)更加規(guī)則流暢的分布。

圖7 安裝格柵板前后艙室流場模擬圖

綜上，根據(jù)雙艙連續(xù)流動測試系統(tǒng)的測試艙內(nèi)氣體流場模擬結(jié)果，選擇最佳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)分別為：內(nèi)艙尺寸251mm*251mm*222mm，內(nèi)外艙相對位置為0o，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為0.3m/s；氣流速度120～200mL/min之間無顯著差異；格柵存在有利于氣流在內(nèi)艙樣品表面的均勻性和穩(wěn)定性。

3 測試艙性能評價

3.1 測試艙背景濃度評價

為確保本文研發(fā)的雙艙連續(xù)流動測試系統(tǒng)背景污染物不會對試驗產(chǎn)生陽性干擾，采用液相色譜法(HPLC)對艙體背景甲醛進(jìn)行測試，采用熱解吸-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法（TD-GCMS）對艙體背景TVOC及單一VOC進(jìn)行測試。結(jié)果如表1所示，甲醛和所有單一VOC的濃度均小于2ug/m3，TVOC濃度小于20ug/m3。

表1 艙內(nèi)本底濃度結(jié)果匯總

3.2 測試艙應(yīng)用效果評價

本文通過雙艙連續(xù)流動測試系統(tǒng)模擬室內(nèi)一般條件下溫度、相對濕度、通風(fēng)速率等條件，測試了在持續(xù)通入甲醛污染氣的條件下，石膏板等材料在1～28d內(nèi)的甲醛凈化效率、單位面積降解率和單位面積等效通風(fēng)率，以及累積凈化容量。

調(diào)節(jié)入口氣甲醛濃度在0.10～0.12mg/m3之間，氣體流速為150mL/min，在第1d、3d、7d、14d和28d時采用液相色譜法測試艙體出口處的甲醛濃度，進(jìn)而計算樣品單位面積降解率、單位面積等效通風(fēng)率、凈化效率和凈化容量。結(jié)果如表2所示。

表2 不同品牌石膏板樣品的甲醛凈化性能評價結(jié)果

由于測試周期限制，品牌1和品牌2的凈化效率在28d達(dá)到了半衰期，即凈化效率為初始凈化效率的一半。品牌3和品牌4并未達(dá)到其半衰期，但考慮到試驗周期過長等因素，停止試驗，僅以所有降解掉的甲醛質(zhì)量來計算其凈化容量。從數(shù)據(jù)可見，品牌3和品牌4的凈化性能明顯優(yōu)于品牌1和品牌2，對產(chǎn)品的凈化容量的區(qū)分度較好。

4 結(jié)論

針對目前國內(nèi)功能性建材產(chǎn)品對污染物的凈化評價主要依賴靜態(tài)艙法的現(xiàn)狀，研發(fā)了低本底低吸附的雙艙連續(xù)流動測試艙系統(tǒng)，涵蓋了光源系統(tǒng)、溫濕度控制系統(tǒng)、氣路控制系統(tǒng)等組件，艙體TVOC和單一VOC本底分別達(dá)到小于20μg/m3和2μg/m3的要求，且對污染氣的回收率達(dá)到70%～90%。結(jié)合CFD技術(shù)對雙艙連續(xù)流動測試系統(tǒng)的氣流組織模擬，得到艙體最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：內(nèi)艙尺寸251mm*251mm*222mm 優(yōu) 于200mm*200mm*180mm，內(nèi)外艙相對位置為0o，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速0.3m/s；氣流速度在120～200mL/min之間無顯著差異；使用格柵有利于氣流在內(nèi)艙樣品表面的均勻性和穩(wěn)定性。通過本文研發(fā)的設(shè)備對不同石膏板產(chǎn)品的甲醛凈化效率和凈化容量進(jìn)行評價顯示，其在動態(tài)條件下對不同產(chǎn)品的凈化效果具有較好的區(qū)分度。