基于CFD 的空氣凈化器流場(chǎng)分布仿真分析

藺勇智， 劉東海， 陳雙揚(yáng)， 張 敖

（1.無限極（中國）有限公司， 廣東 廣州 510663； 2. 廣州安世亞太信息科技有限公司， 廣東 廣州 511400）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展， 人民的生活水平及健康意識(shí)也逐步提升， 經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展也同時(shí)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(biāo)問題等一直備受消費(fèi)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(fèi)者開始意識(shí)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(xì)菌、病毒在內(nèi)的多種空氣污染物的功能。 當(dāng)前，消費(fèi)者對(duì)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(yàn)證及認(rèn)可。 需要指出的是，空氣凈化器銘牌上標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)艙測(cè)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(chǎng)分布狀態(tài)， 即空氣凈化器在適用面積空間內(nèi)的實(shí)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?jī)?nèi)容及方向[2-5]。 其中郭云枝，李擎等[3-4]通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，針對(duì)空氣凈化器擺放位置對(duì)流場(chǎng)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(shí)序粒子軌跡測(cè)量方法（CSPSV），實(shí)現(xiàn)了對(duì)真實(shí)房間尺寸下的凈化器周圍氣流的三維非接觸式測(cè)量和對(duì)比研究。 彩色時(shí)序粒子軌跡測(cè)量方法適合于房間尺度的三維速度場(chǎng)測(cè)量，并可以在較大范圍內(nèi)保持高精度，但其測(cè)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(duì)于不同風(fēng)道結(jié)構(gòu)的空氣凈化器， 其送風(fēng)方式及空氣流場(chǎng)分布狀態(tài)也存在差異。 以驗(yàn)證空氣凈化器在適用面積空間內(nèi)的實(shí)際凈化路徑及效果為目的， 本文以采用離心風(fēng)機(jī)的空氣凈化器作為研究對(duì)象，通過CFD 仿真分析技術(shù)， 針對(duì)空氣凈化器在限定尺寸空間內(nèi)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行了動(dòng)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(yùn)行時(shí)空氣的流場(chǎng)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(chǎng)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(jìn)風(fēng)，離心風(fēng)機(jī)組件位于過濾網(wǎng)后方，出風(fēng)口位于機(jī)體后側(cè)上部，風(fēng)機(jī)蝸殼組件基于阿基米德螺旋線原理設(shè)計(jì)。

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(jì)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(yàn)證空氣凈化器的最佳凈化效果，對(duì)S1、S2的最小適用面積平均后取整，即S≈40m2。

1.2 室內(nèi)流場(chǎng)建模及簡(jiǎn)化處理

針對(duì)室內(nèi)空氣流場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析， 需要將凈化器3D 模型放置在40m2， 層高2.4m 的建模空間內(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(duì)結(jié)構(gòu)模型中較小的細(xì)節(jié)進(jìn)一步處理。 得到如圖1（b），最終簡(jiǎn)化后的凈化器模型。

圖1 凈化器結(jié)構(gòu)模型及簡(jiǎn)化后的模型圖

其次建立室內(nèi)空氣流體區(qū)域?yàn)镾=40m2，房間為邊長(zhǎng)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(jī)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(jì)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(shí)在凈化器內(nèi)部和外部流道的交界處使用Interface 進(jìn)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(duì)整體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為降低非必要的運(yùn)算量， 本文采用的網(wǎng)格劃分思路是分區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即對(duì)室內(nèi)進(jìn)一步劃分區(qū)域，在凈化器周圍劃分了一個(gè)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(dá)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(chǎng)整體及局部剖面網(wǎng)格劃分圖

1.4 濾網(wǎng)阻力模型計(jì)算及設(shè)置

在空氣凈化器中， 各層濾網(wǎng)起到對(duì)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(chǎng)的分析中，濾網(wǎng)空氣阻力必須要考慮。經(jīng)過對(duì)濾網(wǎng)優(yōu)化前后流量壓降性能的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)比計(jì)算，其中公式（1）為多孔介質(zhì)壓降與速度的經(jīng)驗(yàn)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(xiàng)系數(shù)和二次項(xiàng)系數(shù)分別相等，計(jì)算結(jié)果詳見表1，得出具體系數(shù)后在軟件中進(jìn)行設(shè)置，并開始進(jìn)行仿真分析。

表1 仿真用關(guān)鍵系數(shù)計(jì)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(chǎng)分布仿真過程是一樣的， 僅是在相同時(shí)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(yùn)行時(shí)空氣流場(chǎng)分布的計(jì)算機(jī)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(shí)間點(diǎn)凈化效果對(duì)比為輔作為示例展開。 圖6（a）所示為室內(nèi)空氣流場(chǎng)穩(wěn)定后， 流經(jīng)空氣凈化器出口的凈化空氣流場(chǎng)分布， 由結(jié)果可見潔凈空氣能夠基本達(dá)到室內(nèi)各個(gè)區(qū)域， 從而帶動(dòng)其所覆蓋區(qū)域的空氣源源不斷的向空氣凈化器的吸風(fēng)口處移動(dòng)，直至被循環(huán)凈化。將仿真結(jié)果進(jìn)一步放大，如圖6（b）可更清楚看到凈化器附近的空氣流場(chǎng)分布情況，經(jīng)過葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使得氣流加速，到出口半米距離的風(fēng)速都高于5m/s，同時(shí)出口氣流方向偏向一側(cè)，沿著流動(dòng)方向，射流寬度不斷擴(kuò)大及輻射散開，最終與墻壁碰撞并分散開，與基于彩色時(shí)序粒子軌跡測(cè)量方法測(cè)試的相同或類似結(jié)構(gòu)空氣凈化器的結(jié)果描述趨勢(shì)基本一致[6]。 為了對(duì)整個(gè)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(duì)仿真空間空氣流速分布進(jìn)行渲染。

圖6 室內(nèi)空間及凈化器周圍空氣流場(chǎng)分布圖

進(jìn)一步仿真分析室內(nèi)空氣流動(dòng)的速度， 分別對(duì)坐標(biāo)軸三個(gè)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(diǎn)到達(dá)濾網(wǎng)的流線時(shí)間來判斷空間中任一點(diǎn)凈化所需的時(shí)間。 如圖8（a）表示為50s時(shí)仿真空間內(nèi)被凈化的空氣流線路徑，圖8（b）表示為600s 時(shí)仿真空間被凈化的空氣流線路徑， 根據(jù)空氣流場(chǎng)的分布狀態(tài)，可以看出此時(shí)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(jì)算得出，在面積S=40m2， 層高h(yuǎn)=2.4m 的空間內(nèi)，空氣被完全凈化1 次的時(shí)間約為628s， 與 空 氣 凈 化 器 在600s 時(shí)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(chǎng)分布狀態(tài)仿真是非常接近真實(shí)效果的。

圖8 50s 及600s 時(shí)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(chǎng)分布狀態(tài)對(duì)比差異，本文抓取405s 時(shí)的仿真結(jié)果，其對(duì)比結(jié)果如圖9 所示。

從圖9 中可以明顯看出， 因?yàn)閮?yōu)化后的濾網(wǎng)方案阻力會(huì)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(yùn)行405s 時(shí)，優(yōu)化后的空氣凈化器，其室內(nèi)空氣流場(chǎng)分布范圍會(huì)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(shí)間會(huì)更短，即實(shí)際凈化效果會(huì)更佳。

圖9 405s 時(shí)優(yōu)化前后差異對(duì)比圖

2 結(jié)論

通過使用ANSYS CFD 對(duì)空氣凈化器進(jìn)行計(jì)算機(jī)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(yùn)行時(shí)，其室內(nèi)空氣流場(chǎng)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(shí)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(shì)， 受限于實(shí)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(shí)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。