藺勇智， 劉東海， 陳雙揚， 張 敖

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0 引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展， 人民的生活水平及健康意識也逐步提升， 經(jīng)濟的高速發(fā)展也同時伴隨著一些環(huán)境問題的產(chǎn)生，如室外空氣污染問題、室內(nèi)裝修材料及家具的甲醛超標問題等一直備受消費者關(guān)注， 特別是突如其來的新冠疫情，給人民的生活、工作增添了不少麻煩。

2020 年初，新冠病毒疫情爆發(fā)，消費者開始意識到，空氣凈化器不僅具有除霧霾的功能， 還具有過濾凈化包括細菌、病毒在內(nèi)的多種空氣污染物的功能。 當前，消費者對于空氣凈化設(shè)備能否過濾病毒極為關(guān)注。

空氣凈化器作為有效的室內(nèi)空氣凈化處理設(shè)備一直被專家學(xué)者們驗證及認可。 需要指出的是，空氣凈化器銘牌上標稱的CADR 值，即潔凈空氣量是依據(jù)GB/T 18801-2015《空氣凈化器》在標準的實驗艙測試得出[1]，但CADR值無法呈現(xiàn)出在某一空間環(huán)境中經(jīng)過空氣凈化器處理后的潔凈空氣的流場分布狀態(tài)， 即空氣凈化器在適用面積空間內(nèi)的實際凈化路徑及效果， 因此相關(guān)研究也成為眾多專家學(xué)者的重要研究內(nèi)容及方向[2-5]。 其中郭云枝，李擎等[3-4]通過計算機仿真技術(shù)，針對空氣凈化器擺放位置對流場及污染物凈化效果的影響做了深入研究；王歡等[5-6]通過彩色時序粒子軌跡測量方法（CSPSV），實現(xiàn)了對真實房間尺寸下的凈化器周圍氣流的三維非接觸式測量和對比研究。 彩色時序粒子軌跡測量方法適合于房間尺度的三維速度場測量，并可以在較大范圍內(nèi)保持高精度，但其測試方法需要較復(fù)雜的CSPSV 系統(tǒng)布置， 以及后續(xù)的數(shù)字圖像處理方法相配合得出分析結(jié)果。

對于不同風道結(jié)構(gòu)的空氣凈化器， 其送風方式及空氣流場分布狀態(tài)也存在差異。 以驗證空氣凈化器在適用面積空間內(nèi)的實際凈化路徑及效果為目的， 本文以采用離心風機的空氣凈化器作為研究對象，通過CFD 仿真分析技術(shù)， 針對空氣凈化器在限定尺寸空間內(nèi)運行時的狀態(tài)進行了動態(tài)仿真分析， 較為有效的捕捉到空氣凈化器在適用面積空間內(nèi)運行時空氣的流場分布狀態(tài)及流線軌跡，具有一定的參考意義。

1 室內(nèi)空氣流場分布仿真分析

1.1 凈化器性能及室內(nèi)空間尺寸參數(shù)設(shè)定

1.1.1 凈化器性能參數(shù)設(shè)定

凈化器性能參數(shù)設(shè)定： ①優(yōu)化前濾網(wǎng)方案：PCADR=550m3/h；②優(yōu)化后濾網(wǎng)方案：PCADR=660m3/h；優(yōu)化前后兩種濾網(wǎng)方案均適用同一空氣凈化器，其結(jié)構(gòu)采用前端兩側(cè)進風，離心風機組件位于過濾網(wǎng)后方，出風口位于機體后側(cè)上部，風機蝸殼組件基于阿基米德螺旋線原理設(shè)計。

1.1.2 室內(nèi)空間尺寸參數(shù)設(shè)定

依據(jù)GB/T 18801-2015《空氣凈化器》附錄F 關(guān)于凈化器去除顆粒物污染物適用面積的計算方法， 即S=（0.07～0.12）Q， 其中Q 為凈化器去除顆粒物的潔凈空氣量（PCADR），得出享優(yōu)樂牌空氣凈化器優(yōu)化前、后的適用面積分別為S1=（38.5～66） m2、S2=（46.2～79.2）m2，房間高度h=2.4m[1]。 為了驗證空氣凈化器的最佳凈化效果，對S1、S2的最小適用面積平均后取整，即S≈40m2。

1.2 室內(nèi)流場建模及簡化處理

針對室內(nèi)空氣流場分布進行計算機仿真分析， 需要將凈化器3D 模型放置在40m2， 層高2.4m 的建?？臻g內(nèi)。 圖1（a）為結(jié)構(gòu)模型，為了確保得到較高質(zhì)量的網(wǎng)格，首先使用ANSYS DM 的幾何清理工具， 對結(jié)構(gòu)模型中較小的細節(jié)進一步處理。 得到如圖1（b），最終簡化后的凈化器模型。

圖1 凈化器結(jié)構(gòu)模型及簡化后的模型圖

其次建立室內(nèi)空氣流體區(qū)域為S=40m2，房間為邊長X=6.32m，房間高度h=2.4m 的正方體空間組成，空氣凈化器擺放在室內(nèi)一墻邊中心位置，距離墻邊尺寸Y=3.16m，且機器出口距離后側(cè)墻壁200mm，見圖2，通過布爾操作求差，得到室內(nèi)流體域。

圖2 室內(nèi)流體域及凈化器放置位置圖

后續(xù)計算需要保留凈化器內(nèi)部流道， 以及葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域，同時在凈化器內(nèi)部和外部流道的交界處使用Interface 進行連接。 如圖3 所示為空氣凈化器內(nèi)部流道區(qū)域。

圖3 空氣凈化器內(nèi)部流道區(qū)域

1.3 分區(qū)域劃分網(wǎng)格

模型清理后，需要對整體模型進行網(wǎng)格劃分。為降低非必要的運算量， 本文采用的網(wǎng)格劃分思路是分區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，即對室內(nèi)進一步劃分區(qū)域，在凈化器周圍劃分了一個0.7m×1m×1m 的加密區(qū)域。

經(jīng)處理，整體網(wǎng)格如圖4（a）所示，總網(wǎng)格數(shù)量達920萬，空氣凈化器放置處剖面網(wǎng)格如圖4（b）所示，可見不同區(qū)域的網(wǎng)格大小差異。

圖4 室內(nèi)空氣流場整體及局部剖面網(wǎng)格劃分圖

1.4 濾網(wǎng)阻力模型計算及設(shè)置

在空氣凈化器中， 各層濾網(wǎng)起到對空氣中污染物的不斷過濾和凈化作用，其結(jié)構(gòu)存在較大的空氣阻力，所以在凈化器流場的分析中，濾網(wǎng)空氣阻力必須要考慮。經(jīng)過對濾網(wǎng)優(yōu)化前后流量壓降性能的實際測試數(shù)據(jù)進行提取及擬合，分別得出濾網(wǎng)優(yōu)化前后壓降-流速關(guān)系圖，詳見圖5 所示。

圖5 優(yōu)化前和優(yōu)化后濾網(wǎng)壓降-流速關(guān)系圖

根據(jù)圖5（a），得到優(yōu)化前的HEPA 濾網(wǎng)壓降p1與速度v1呈線性關(guān)系：p1=41×v1；優(yōu)化前的氣味濾網(wǎng)壓降p2與速度v2呈2 次關(guān)系：p2=11×v2+23.5×v22；根據(jù)圖5（b），得出優(yōu)化后的HEPA 濾網(wǎng)壓降p1’與速度v1’呈2 次關(guān)系：p1’=33.6×v1’+15.8×v1’2；優(yōu)化后的氣味濾網(wǎng)壓降p2’與速度v2’呈2 次關(guān)系：p2’=6.1×v2’+5.6×v2’2； 再根據(jù)得出的擬合曲線與公式（1）對比計算，其中公式（1）為多孔介質(zhì)壓降與速度的經(jīng)驗關(guān)系式， 其中△p—壓降，△m—多孔介質(zhì)厚度，v—流速，μ—空氣粘度系數(shù)，1/α—粘性阻力系數(shù)，C2—慣性阻力系數(shù)。

可令擬合曲線和式（1）右側(cè)的一次項系數(shù)和二次項系數(shù)分別相等，計算結(jié)果詳見表1，得出具體系數(shù)后在軟件中進行設(shè)置，并開始進行仿真分析。

表1 仿真用關(guān)鍵系數(shù)計算表

1.5 仿真分析

鑒于安裝優(yōu)化前后濾網(wǎng)方案的空氣凈化器的空氣流場分布仿真過程是一樣的， 僅是在相同時間下凈化效果有所不同，因此為節(jié)省篇幅，以下關(guān)于空氣凈化器運行時空氣流場分布的計算機仿真過程主要以優(yōu)化前的濾網(wǎng)方案為主， 以優(yōu)化前后的濾網(wǎng)方案在仿真過程中的某一關(guān)鍵時間點凈化效果對比為輔作為示例展開。 圖6（a）所示為室內(nèi)空氣流場穩(wěn)定后， 流經(jīng)空氣凈化器出口的凈化空氣流場分布， 由結(jié)果可見潔凈空氣能夠基本達到室內(nèi)各個區(qū)域， 從而帶動其所覆蓋區(qū)域的空氣源源不斷的向空氣凈化器的吸風口處移動，直至被循環(huán)凈化。將仿真結(jié)果進一步放大，如圖6（b）可更清楚看到凈化器附近的空氣流場分布情況，經(jīng)過葉輪轉(zhuǎn)動，使得氣流加速，到出口半米距離的風速都高于5m/s，同時出口氣流方向偏向一側(cè)，沿著流動方向，射流寬度不斷擴大及輻射散開，最終與墻壁碰撞并分散開，與基于彩色時序粒子軌跡測量方法測試的相同或類似結(jié)構(gòu)空氣凈化器的結(jié)果描述趨勢基本一致[6]。 為了對整個空間的速度分布有更加直觀的判斷，可以繼續(xù)通過CFD-Post 對仿真空間空氣流速分布進行渲染。

圖6 室內(nèi)空間及凈化器周圍空氣流場分布圖

進一步仿真分析室內(nèi)空氣流動的速度， 分別對坐標軸三個方向截取平面，顯示相應(yīng)的速度分布。 見圖7（a）、圖7（b）、圖7（c）所示，分別為位于X（-2，0，2），Y（0.5，2），Z（0.5，2.5，4.5）方向截面的速度云圖，速度越大（即顏色越淺）的區(qū)域，空氣流通越好。

圖7 X、Y、Z 截取平面速度分布圖

在仿真結(jié)果中， 可以根據(jù)空間中任一點到達濾網(wǎng)的流線時間來判斷空間中任一點凈化所需的時間。 如圖8（a）表示為50s時仿真空間內(nèi)被凈化的空氣流線路徑，圖8（b）表示為600s 時仿真空間被凈化的空氣流線路徑， 根據(jù)空氣流場的分布狀態(tài)，可以看出此時空間內(nèi)空氣基本完成1 次凈化。 優(yōu)化前的凈化器 PCADR 為550m3/h， 經(jīng)過計算得出，在面積S=40m2， 層高h=2.4m 的空間內(nèi)，空氣被完全凈化1 次的時間約為628s， 與 空 氣 凈 化 器 在600s 時仿真結(jié)果基本趨于一致，由此可以證明空氣凈化器在適用面積空間內(nèi)的空氣流場分布狀態(tài)仿真是非常接近真實效果的。

圖8 50s 及600s 時仿真空間內(nèi)被凈化的空氣流線圖

為更加直觀的看到優(yōu)化前后的空氣凈化器在仿真過程中的空氣流場分布狀態(tài)對比差異，本文抓取405s 時的仿真結(jié)果，其對比結(jié)果如圖9 所示。

從圖9 中可以明顯看出， 因為優(yōu)化后的濾網(wǎng)方案阻力會更小， 其PCADR 值由原來的550m3/h 變?yōu)?60m3/h，所以仿真狀態(tài)下，在空氣凈化器運行405s 時，優(yōu)化后的空氣凈化器，其室內(nèi)空氣流場分布范圍會更大，空氣流速也相應(yīng)增大，在相同體積環(huán)境內(nèi)，室內(nèi)空氣被完全凈化1次的時間會更短，即實際凈化效果會更佳。

圖9 405s 時優(yōu)化前后差異對比圖

2 結(jié)論

通過使用ANSYS CFD 對空氣凈化器進行計算機仿真分析， 得出空氣凈化器在常溫狀態(tài)下的限定空間內(nèi)運行時，其室內(nèi)空氣流場分布狀態(tài)及流線軌跡。通過該仿真分析方法可以更加直觀的判斷空氣凈化器的實際凈化效果， 間接的解決了使用者無法感知空氣凈化器凈化效果的問題，具備一定的參考性及演示性。

本文闡述的內(nèi)容是基于在理想狀態(tài)下輸出的仿真結(jié)果及趨勢， 受限于實際使用空氣凈化器的環(huán)境中有不同款式的家具、家居用品以及室內(nèi)不同裝修材料等，所以其仿真結(jié)果并不能代表空氣凈化器在實際使用環(huán)境中的效果，這也將是本研究后續(xù)的另一延展方向。