轎車內(nèi)甲醛凈化的數(shù)值模擬研究

丁水蘭，劉 遠(yuǎn)，余 剛,

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轎車內(nèi)甲醛凈化的數(shù)值模擬研究

丁水蘭1，劉 遠(yuǎn)1，余 剛1,2*

(1. 武漢紡織大學(xué) 環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430073; 2. 南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016）

車內(nèi)空氣品質(zhì)；數(shù)值模擬；甲醛濃度；凈化；氣流組織

1 引言

隨著室內(nèi)空氣污染越來越得到市民的關(guān)注，車內(nèi)空氣污染影響健康也成為“汽車一族”關(guān)注的重點(diǎn)[1,2]。在中國(guó)科協(xié)工程學(xué)會(huì)聯(lián)合會(huì)汽車環(huán)境專業(yè)委員會(huì)主辦的“中國(guó)首次汽車內(nèi)環(huán)境污染情況調(diào)查活動(dòng)”中，被檢測(cè)的汽車有93.82%的車內(nèi)空氣環(huán)境存在不同程度的污染情況。車內(nèi)污染物主要為甲醛、苯和TVOC等[3]。

由于開空調(diào)的時(shí)候車窗緊閉，使車內(nèi)空氣不流暢，導(dǎo)致車內(nèi)人員出現(xiàn)頭暈、困倦、咳嗽的現(xiàn)象，除此之外，還會(huì)感到壓抑煩躁、注意力不能集中等不適癥狀。可見，汽車空氣污染物已經(jīng)嚴(yán)重影響了司乘人員的身體健康，因此需要在車內(nèi)安裝空氣凈化器[4-7]。

一個(gè)好的氣流組織方案會(huì)使污染物濃度能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值[8]，甚至還可使人感覺舒適性很好；反之，對(duì)于比較差的氣流組織方案就連最低要求也達(dá)不到。很顯然，空氣凈化器的安裝位置對(duì)車內(nèi)空氣氣流組織及車內(nèi)空氣污染物的凈化效果有很大影響，因此，在安裝車載凈化器之前需要詳細(xì)了解由空氣凈化所形成的空氣速度場(chǎng)及甲醛濃度場(chǎng)，從而制定出最佳的氣流組織方案及合理的凈化器安裝位置。

數(shù)值模擬為我們從事該方面的研究提供了強(qiáng)有力的手段，目前已有一些關(guān)于室內(nèi)氣流組織方式對(duì)甲醛分布影響的數(shù)值模擬研究。例如：鄧王平就室內(nèi)氣流組織對(duì)甲醛分布的影響進(jìn)行了模擬研究[9]；劉玉峰等利用CFD軟件模擬計(jì)算了兩種氣流組織方式下室內(nèi)甲醛的濃度場(chǎng)，并與傳統(tǒng)計(jì)算方法的結(jié)果進(jìn)行了比較[10]。但是，對(duì)于裝有空氣凈化器的汽車內(nèi)的氣流組織對(duì)甲醛分布規(guī)律影響的研究卻很少，因此對(duì)此情況下汽車內(nèi)甲醛的氣流組織分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬研究就顯得尤其必要。

為了達(dá)到更好的空氣凈化效果，需要了解在多種方案下，汽車室內(nèi)的氣流組織分布情況，這主要是通過數(shù)值模擬計(jì)算的方式進(jìn)行的[11]。本文針對(duì)汽車室內(nèi)結(jié)構(gòu)，采用CFD數(shù)值方法，研究通過改變氣流組織分布方式，以達(dá)到對(duì)汽車室內(nèi)的空氣污染物的稀釋凈化效果，從而找到最佳凈化效果。

2 分析方法

2.1 基本假設(shè)和數(shù)學(xué)模型

汽車內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人體形狀各異，計(jì)算資源大，實(shí)際的內(nèi)氣流分布情況受到結(jié)構(gòu)的影響復(fù)雜多變。

在不影響模擬結(jié)果的情況下，本文通過汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)際大小尺寸，截取汽車中段的一部分。

（1）幾何簡(jiǎn)化。對(duì)壁面、座位以及人體模型均進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理：汽車內(nèi)的氣流組織模擬研究主要是針對(duì)汽車內(nèi)壁面所形成空間內(nèi)的模擬研究，所以物理模型只留有內(nèi)壁面部分，形成一個(gè)封閉的汽車內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，將此空間壁面作為模擬的物理邊界條件，忽略汽車內(nèi)側(cè)壁面的厚度、窗口以及其他小部件的影響，轉(zhuǎn)向盤體積相對(duì)較小, 計(jì)算中予以忽略, 簡(jiǎn)化儀表板的細(xì)微結(jié)構(gòu)，并假設(shè)各個(gè)表面光滑；考慮到在汽車室內(nèi)狹小的空間內(nèi)，內(nèi)壁面和座椅及人體模型的復(fù)雜程度，為了保證計(jì)算網(wǎng)格的可行性，對(duì)室內(nèi)的座椅及人體模型進(jìn)行最大程度的合理簡(jiǎn)化，去除不必要的倒角、碎面和碎線，對(duì)人體進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建模，以長(zhǎng)方體來模擬。如果后續(xù)有條件的話，研究工作需要建立更加貼近座艙結(jié)構(gòu)和人體外形的幾何物理模型。簡(jiǎn)化物理模型最大長(zhǎng)度3229mm，最大寬度為1898mm，最大高度為1655mm。

（2）物理簡(jiǎn)化 為了簡(jiǎn)化問題作如下假設(shè):

a. 室內(nèi)空氣為不可壓縮流體，且符合Boussinesq假設(shè)，即認(rèn)為流體密度變化僅對(duì)浮升力產(chǎn)生影響；

b. 流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流；

c. 忽略固體壁面間的熱輻射，車室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)；

d. 假設(shè)流場(chǎng)具有高Re數(shù)性，即認(rèn)為流場(chǎng)為各向同性湍流；

e. 氣流為低速不可壓縮流動(dòng)，可忽略由流體的黏性力做功所引起的耗散熱。

2.2 流體性質(zhì)和各邊界條件

通過FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算開始之前，必須要定義流體性質(zhì)和邊界條件，邊界條件包括邊界的位置信息和具體的計(jì)算參數(shù)信息。邊界條件定義是否合理，將直接影響整個(gè)數(shù)值模擬過程及模擬結(jié)果的正確性，所以要認(rèn)真確定邊界條件的類型及相關(guān)計(jì)算參數(shù)。

本文中數(shù)值模擬的流體性質(zhì)和各邊界條件：

（1）艙內(nèi)空氣性質(zhì)：定義為不可壓縮流體。由于車內(nèi)的氣流速度均在2m/s以下，屬于低速流動(dòng)，在此速度范圍內(nèi)空氣的壓縮性可以忽略不計(jì)；

（2）壁面設(shè)置：模型結(jié)構(gòu)表面定義為固體壁面，忽略避面厚度；

（3）不同供氣方式下的供氣口：均定義為速度入口（velocity-inlet），設(shè)定邊界入口上的速度。速度入口邊界條件在邊界之外的流動(dòng)默認(rèn)為均勻流動(dòng)，適用于不可壓縮流體。

（4）人體口鼻位置：定義為速度入口（velocity-inlet），模擬人體呼吸產(chǎn)生二氧化碳過程。設(shè)定人體呼吸產(chǎn)生二氧化碳濃度為0.005L/S，呼吸的氣流速度為0.15m/s，二氧化碳含量為2.8%；

（5）空氣排氣口：定義為流量出口（outflow）,出口處的速度及壓力信息均由內(nèi)部區(qū)域傳遞得到，不需人為指定；

（6）座椅外表面，座間儲(chǔ)物板四周外表面，儀表盤外表面以及手套箱外表面：作為甲醛污染源定義為質(zhì)量入口（mass-flow-inlet），質(zhì)量流量為7.4e-11kg/s，甲醛組分參數(shù)為1.1e-07。

2.3 網(wǎng)格劃分

為了使后期的fluent軟件模擬計(jì)算得更精確，對(duì)汽車座椅，車內(nèi)前部，座間儲(chǔ)物板，還有剩余的空間分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分；對(duì)汽車座椅，車內(nèi)前部和座間儲(chǔ)物板附近進(jìn)行了較密的網(wǎng)格劃分。采用混合型風(fēng)格，網(wǎng)格數(shù)123萬(wàn)。

3 數(shù)值模擬研究方案

為了研究汽車內(nèi)的空氣品質(zhì)，先設(shè)置好相應(yīng)的邊界條件，然后模擬汽車內(nèi)的氣流組織情況。

為此，把車載凈化器分別放在2個(gè)不同的地方來研究汽車內(nèi)的氣流組織的不同情況，從而形成兩種不同的方案：方案一，手套箱的上面；方案二，駕駛席的座椅靠背后。

對(duì)汽車室內(nèi)將選取5個(gè)具有代表性的截面來考察車載凈化器的效果，從而找到最優(yōu)位置，其五個(gè)截面分別為：

（1）前排人員正前方20mm處（x=-945mm），離身體表面及口鼻呼吸范圍最近，此處氣流組織可直觀反映人員周圍的空氣環(huán)境好壞；

（2）后排人員正前方20mm處(x=450mm)，同樣也可直觀反映乘客周圍的空氣環(huán)境好壞；

（3）駕駛席和后排形成的縱向截面(y=569.4mm)，可直觀反映乘客前后污染物濃度；

（4）副駕駛席和后排形成的縱向截面(y=-569.4mm)，同樣可直觀反映乘客前后污染物濃度；

（5）物理模型中乘客口鼻高度的截面圖(z=222.5mm)，此高度截面的污染物濃度，最直接反映人員所處環(huán)境空氣品質(zhì)的健康程度。

4 計(jì)算結(jié)果和分析

4.1 方案一

圖1-圖3分別是方案一時(shí)，X=450mm, Y=569.4mm和Y=-569.4mm處各截面所在的甲醛濃度分布圖。

甲醛濃度場(chǎng):

圖1 為X=450mm處斷面的甲醛濃度場(chǎng)

圖2 為Y=569.4mm處斷面的甲醛濃度場(chǎng)

由圖1-圖3所示的甲醛濃度場(chǎng)可以看出，甲醛的濃度在車內(nèi)的濃度分布受供氣口的的影響。在供氣口附近區(qū)域，甲醛濃度顯著會(huì)偏低；遠(yuǎn)離供氣口處，甲醛濃度會(huì)逐漸上升。這說明，速度場(chǎng)可以加劇氣流組織的擾動(dòng)，增大送風(fēng)速度，可以有效降低室內(nèi)污染物的平均濃度。各截面的甲醛濃度場(chǎng)分布圖與流速場(chǎng)基本耦合。

由圖1-圖3，沿著地板向上的方向來看，甲醛濃度逐漸降低，在遇到障礙物的時(shí)候，發(fā)生回流現(xiàn)象。

由上面各處截面可看到，人呼吸處的甲醛濃度大致在3.9×10-9~4.0×10-9kmol/m3左右，高于室內(nèi)甲醛濃度的標(biāo)準(zhǔn)值（3.3×10-9kmol/m3）。

圖3 為Y=-569.4mm處斷面的甲醛濃度場(chǎng)

圖4 為X=450mm處斷面的甲醛濃度場(chǎng)

4.2 方案二

圖4-圖6分別是在方案二的情況下，X=450mm, Y=569.4mm和Z=222.5mm處各截面所在的甲醛濃度分布圖。

甲醛濃度場(chǎng)：

該方案是車載凈化器的排氣口在司機(jī)的座椅背后，凈化后的空氣從駕駛席背面引入到車內(nèi)，形成渦旋的速度氣流場(chǎng)，對(duì)污染物的濃度場(chǎng)形成一定的影響。當(dāng)車載凈化器開啟后，時(shí)間足夠長(zhǎng)，污染物濃度達(dá)到基本穩(wěn)定時(shí)，甲醛濃度從車頂朝車底呈現(xiàn)波浪振蕩式下降趨勢(shì)。由圖5可看到，座椅背后的甲醛濃度明顯降到了1×10-9kmol/m3,在駕駛席座椅的四周的甲醛濃度由1×10-9kmol/m3逐漸升高，最高上升到了4.2×10-9kmol/m3。各截面的甲醛濃度場(chǎng)與速度場(chǎng)基本耦合。由圖6可以看到，人員所處的高度處的甲醛濃度大致在3.2×10-9kmol/m3左右，低于室內(nèi)甲醛濃度的標(biāo)準(zhǔn)值。

圖5 為Y=569.4mm處斷面的甲醛濃度場(chǎng)

圖6 為Z=222.5mm處斷面的甲醛濃度場(chǎng)

4.3 各截面處的不同方案下甲醛平均濃度分布圖

圖7為汽車后排座位的X截面處Z軸方向上所在的甲醛平均濃度分布圖；圖8為汽車前排座位的X截面處Z軸方向上所在的甲醛平均濃度分布圖；圖9為汽車Z截面高度處的Y軸方向上甲醛平均濃度分布圖。

圖7 汽車后排座位X截面的甲醛濃度分布圖

圖8 汽車前排座位X截面的甲醛濃度分布圖

圖9 汽車Z截面高度的甲醛濃度分布圖

圖7分別反應(yīng)了兩種方案的甲醛濃度分布圖。在0.2225m處左右，即為人員口鼻呼吸處，此處可直觀反應(yīng)車內(nèi)人員呼吸處的空氣品質(zhì)，在該處，第二種方案的甲醛濃度大致為3.11×10-9kmol/m3，低于室內(nèi)甲醛濃度的標(biāo)準(zhǔn)值；而第一種方案的甲醛濃度大致為3.81×10-9kmol/m3，高于室內(nèi)甲醛濃度的標(biāo)準(zhǔn)值。從該圖的整體來看，第二種方案的甲醛濃度會(huì)比第一種方案的甲醛濃度要低，相差最多可達(dá)1.6×10-9kmol/m3左右。

從圖8很直觀地看到，第二種方案比第一種方案的甲醛濃度要低。同樣地，在0.2225m處左右，可直觀地反應(yīng)出車內(nèi)前排人員所處的環(huán)境的空氣品質(zhì)，第二種方案的甲醛濃度在此處大概是3×10-9kmol/m3，而第一種方案的甲醛濃度在此處大約是3.96×10-9kmol/m3。

由圖9可看到，在Y=-569.4m附近的地方，第一種方案和第二種方案的甲醛濃度相差不大；而在Y=569.4m附近的地方，第二種方案明顯比第一種方案的甲醛平均濃度要低，低達(dá)2.8×10-9kmol/m3。

5 結(jié)論

以上分別對(duì)兩種方案進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，分別為當(dāng)車載凈化器放在副駕駛席前面的手套箱的面板上和當(dāng)車載凈化器放在駕駛席的的座椅靠背后。通過分析得出以下結(jié)論：

（1）適當(dāng)?shù)卦龃筌囕d凈化器送風(fēng)速度，可以有效降低車內(nèi)甲醛的濃度。

（2）甲醛濃度分布受車內(nèi)氣流組織紊流強(qiáng)度影響，在送風(fēng)口，回風(fēng)口以及紊流強(qiáng)度較強(qiáng)的區(qū)域，會(huì)促進(jìn)甲醛濃度分布降低；而在其它紊流強(qiáng)度較小的地方，則會(huì)導(dǎo)致甲醛濃度大量匯集。

（3）通過比較，對(duì)于車載凈化器放在駕駛席座椅靠背后面會(huì)比放在副駕駛席前面的手套箱的上面要好，能夠促進(jìn)車內(nèi)甲醛有效地降低，從而達(dá)到凈化的目的。

[1] Riediker M, Williams R, Devlin R, et al. Exposure to particulate matter, volatile organic compounds, and other air pollutants inside patrol cars[J]．Environmental science & technology, 2003, 37(10): 2084-2093．

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[3] 付鐵強(qiáng), 陸紅雨, 張仲榮, 等．車內(nèi)污染物組分檢測(cè)研究[J]．汽車工程, 2011，(12): 1097-1101.

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[5] 尤可為，葛蘊(yùn)珊．車內(nèi)污染及其檢測(cè)技術(shù)[J]．汽車工程，2006，28(5)：495-498．

[6] 鄧大躍，陳雙基．汽車內(nèi)空氣污染研究綜述[J]．北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，18(2)：52-59．

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[8] 劉偉偉，姚志良．室內(nèi)甲醛污染及其凈化技術(shù)研究進(jìn)展[J]．廣州化工，2012，40(19)：8-10．

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[10]劉玉峰，許永清．房間氣流組織對(duì)污染物空間分布的影響[J]．山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，23（2）：104-107．

[11]肖紅林，李洪亮，王遠(yuǎn)，等．轎車座艙內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究[J]．汽車工程，2011，33(1)．

The Research of Numerical Simulation about Purifying Formaldehyde in the Car

DING Shui-lan1, LIU Yuan1, YU Gang1,2

(1. School of Environment Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China; 2. College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangshu 210016, China)

In-car air Quality; Numerical Simulation; the Formaldehyde Concentration; Purification; Air Flow Organization

余剛（1971-），男，教授，博士，研究方向：環(huán)境控制與流體機(jī)械.

湖北省優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃資助（T201207）.

X131.1

A

2095－414X(2014)06－0073－05