空氣凈化器的流場模擬與模型優(yōu)化

劉薇娜，劉 亮，王國慶

（1.長春理工大學(xué)機電工程學(xué)院，吉林 長春 130022；2.長春鉑安科技發(fā)展有限公司，吉林 長春 130000）

1 引言

空氣凈化主要是吸收空氣中的有機氣體、灰塵與細(xì)菌等有害物質(zhì)這一過程。隨著人們對生活空氣質(zhì)量的要求逐步提升，空氣凈化也從簡單的工業(yè)有害氣體凈化向家居方向延伸[1]。它經(jīng)歷了物理吸附、化學(xué)吸收、生物降解等一系列過程的升級。在1996年光催化劑的研發(fā)與應(yīng)用，使空氣凈化機具備了除菌、除臭的功能，也由單個目標(biāo)的過濾處理向多方面綜合化的方向發(fā)展[2]?，F(xiàn)階段大多數(shù)空氣凈化機研發(fā)的著重點是凈化材料的試驗研究、開發(fā)以及凈化劑性能的改善，對空氣凈化機系統(tǒng)內(nèi)部氣流組織的分析比較少。為了使空氣凈化效率提升，文獻[3-4]采用新的凈化機理對空氣凈化機進行優(yōu)化設(shè)計與性能開發(fā)。文獻[5-6]運用CFD模擬空氣凈化過程，從流體力學(xué)的角度對系統(tǒng)整體進行分析，但是未考慮系統(tǒng)內(nèi)部流場的影響。

這里針對以上不足，提出一種新型的凈化機理組合，對系統(tǒng)內(nèi)部流場著重進行研究，分析濾網(wǎng)與進出口尺寸、形狀等參數(shù)對系統(tǒng)內(nèi)部空氣流動和凈化效率的影響。

2 凈化機理與阻力特性

2.1 凈化機理

試驗采用的是一種新型除臭殺菌凈化裝置組合，包括初效濾網(wǎng)、活性炭濾網(wǎng)、光觸媒濾網(wǎng)、UV燈管，所有的過濾網(wǎng)均固定在框架上，且框架上均設(shè)置有安裝腔，安裝腔上固定過濾網(wǎng)主體。光觸媒濾網(wǎng)上的介質(zhì)為納米硅藻礦晶與二氧化鈦，光觸媒濾網(wǎng)外側(cè)安裝有兩組濾網(wǎng)，過濾網(wǎng)之間填充活性炭顆粒，進風(fēng)口處安裝初效過濾網(wǎng)。

凈化機理，如圖1所示。初效濾網(wǎng)將空氣中的大顆粒雜質(zhì)、昆蟲等有效地阻擋在外部，避免雜質(zhì)將過濾網(wǎng)堵塞，并降低濾網(wǎng)的損耗。活性炭濾網(wǎng)將氣體進行預(yù)過濾的凈化處理，預(yù)先對氣體中的細(xì)小雜質(zhì)與異味進行吸收處理，避免光觸媒濾網(wǎng)因為灰塵覆蓋從而凈化性能下降，提升系統(tǒng)整體的凈化性能，保證了內(nèi)部空氣流動的暢通性，延長凈化裝置的使用周期[7-9]。與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果是：污染氣體經(jīng)過光觸媒網(wǎng)，利用硅藻純對有害氣體的吸附能力將其吸附進來，再經(jīng)過UV燈管的照射，利用光催化反應(yīng)將有害氣體進行降解，避免了傳統(tǒng)吸附劑的吸附飽以及產(chǎn)生二次污染的現(xiàn)象，實現(xiàn)純天然、無污染、無耗材的除臭凈化機理。

圖1 凈化機理流程圖Fig.1 Flow Chart of Purification Mechanism

2.2 濾材的阻力特性

本實驗中過濾網(wǎng)可以簡化為簡單均勻的多孔介質(zhì)，采用如下所示的數(shù)學(xué)模型：

式中：a—多孔介質(zhì)的滲透性；C2—慣性阻力系數(shù)。

D和C定義為由1/a和C2為對角單元的對角矩陣。其中，1/a可以定義為粘性阻力系數(shù)。

利用經(jīng)驗公式，根據(jù)風(fēng)速與壓降的數(shù)據(jù)計算1/a和C2，進行濾網(wǎng)的通風(fēng)試驗，可以得到濾網(wǎng)的風(fēng)速與壓降試驗數(shù)據(jù)，采用插值法可以求出1/a和C2。

三個濾網(wǎng)的風(fēng)速與壓降試驗數(shù)據(jù)，如圖2所示。擬合曲線方程如下：

初效濾網(wǎng)擬合曲線方程：

活性炭濾網(wǎng)擬合曲線方程：

光觸媒網(wǎng)擬合曲線方程：

式（3）～式（5）等價于式（2），由此可以得出粘性阻力系數(shù)1/a與慣性阻力系數(shù)C2。

確定濾網(wǎng)的阻力特性：初效濾網(wǎng)粘性阻力系數(shù)1/a=2.59*108，慣性阻力系數(shù)C2=713.4；活性炭濾網(wǎng)粘性阻力系數(shù)1/a=3.2*108，慣性阻力系數(shù)C2=203113；光觸媒濾網(wǎng)粘性阻力系數(shù)1/a=2.2*106，慣性阻力系數(shù)C2=112.8。

3 CFD仿真與邊界條件

3.1 數(shù)學(xué)方程與模型

采用FLUENT軟件進行數(shù)據(jù)仿真處理，選取質(zhì)量守恒，動量守恒、能量守恒方程與K-e 模型對凈化系統(tǒng)內(nèi)部的氣流組織進行描[12]。

質(zhì)量守恒方程式所有流體分析問題都必須滿足的：

動量守恒方程是以牛頓第二定律為基礎(chǔ)，分別表示在x、y、z方向的動量方程，下面以x方向為例：

能量守恒方程是存在熱能交換的流體滿足的基本定律：

式中：ST—黏度耗散項；K—物體的表面熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/（m2·K）；ρ—流體的密度，kg/m3；C—流體的比熱容，J/（kg·K）。

空氣凈化系統(tǒng)中的氣流組織為三維空間內(nèi)的湍流，所選取的模型即為k-e湍流模型：

空氣凈化系統(tǒng)中的氣流組織為三維空間內(nèi)的湍流，fluent軟件中所選取的模型即為k-e湍流模型：

3.2 幾何模型與邊界條件

空氣凈化系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在建立幾何模型時將其簡化。空氣氣流為不可壓縮氣體，系統(tǒng)內(nèi)部密封性能良好，不存在漏氣的可能性，系統(tǒng)在常溫下進行工作，不涉及熱傳導(dǎo)的問題，入口處的氣流速度均勻。采用CATIA 軟件進行幾何建模，主風(fēng)道尺寸：（300×800×450）mm，初效濾網(wǎng)與光觸媒濾網(wǎng)模擬為厚度10mm的多孔介質(zhì)，活性炭濾網(wǎng)模擬為厚度25mm的多孔介質(zhì)，機身材質(zhì)為1.2mm厚的鍍鋅鐵皮，進出口的尺寸大小與形狀選取相同，ICEM繪制的網(wǎng)格模型，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格模型Fig.3 Grid Model

本實驗是模擬空氣凈化機凈化臭氣的過程，臭氣作為一種嗅覺感官公害。自然環(huán)境中存在是化合物有200多萬種，其中，1/5的化合物具有刺激氣味，大約1萬種化合物為具有惡臭性氣味[10]。到目前為止，約有4000多種惡臭物質(zhì)在人類的嗅覺閥值內(nèi)，可以通過嗅覺感知[11]。比較有代表性的惡臭物質(zhì)分類與性質(zhì)，如表1所示?；诔魵獗旧矸N類繁多和實驗條件限制，所以選取比較有代表性的硫化氫氣體作為目標(biāo)氣體。邊界條件的設(shè)置，如表2所示。

表1 惡臭物質(zhì)分類與性質(zhì)Tab.1 Classification and Properties of Malodorous Substances

表2 邊界條件設(shè)置Tab.2 Setting of Boundary Conditions

4 數(shù)據(jù)分析與處理

CFD仿真模擬的氣流速度方向與分析截面方向相同，選取Y=50mm、Y=150mm、Y=250mm的截面數(shù)據(jù)，在流量340m3/h的工況下，可以得出速度矢量圖與壓力云圖，進而分析氣流在系統(tǒng)內(nèi)部的流動情況和硫化氫氣體的凈化效率。

4.1 速度場分析

圓形進出口直徑?160mm至?260mm在Y=150mm截面的速度矢量圖，如圖4所示。

圖4 圓形進出口速度矢量圖Fig.4 Vector Diagram of Circular Inlet and Outlet Velocity

矩形進出口截面尺寸（142×142）mm 至（230×230）mm 在Y=150mm 的速度矢量圖，如圖5 所示。同理得到Y(jié)=50mm、Y=250mm截面的速度矢量圖。

圖5 矩形進出口速度矢量圖Fig.5 Rectangular Inlet and Outlet Velocity Vector Diagram

在相同的流量下，風(fēng)道入口的風(fēng)速度隨著進氣口直徑的變大逐漸變小。

在Y=150mm截面上，氣流經(jīng)過初效濾網(wǎng)后流速有著較明顯的變小，在初效濾網(wǎng)前產(chǎn)生渦流，渦流區(qū)域氣體流速較小且變化不大，氣流在系統(tǒng)內(nèi)部區(qū)域的流速變化較小，這是由于多孔介質(zhì)對氣流的阻礙作用。

在主風(fēng)道中心截面Y=150mm上流速變化較大，在Y=50mm與Y=250mm的截面上氣流組織經(jīng)過多孔介質(zhì)前后的速度變化較小，這是濾網(wǎng)前產(chǎn)生的渦流現(xiàn)象導(dǎo)致氣體流速在X方向的分量變小，從而導(dǎo)致主風(fēng)道中心區(qū)域流速變化大，邊緣區(qū)域流速變化小。

圓形進出口與矩形進出口的速度曲線，如圖6所示，通過對比，二者的氣流組織流動趨勢比較相似，在進氣口與出氣口處流速變化較大。

圖6 速度曲線圖Fig.6 Speed Curve

矩形進出口的模型在X=100、X=300、X=325、X=350 處流速明顯增大，這是由于濾網(wǎng)的阻礙作用和渦流現(xiàn)象所導(dǎo)致的。相比較而言，氣流在圓形進出口的模型內(nèi)部流動比較穩(wěn)定。

出氣口氣流呈層流狀分布，出口流速與入口流度相比較有明顯的增大，在流速場中達到最大，這是由于氣流的疊加效應(yīng)所導(dǎo)致的。對比圖5和圖6可以看出，矩形出氣口的氣流疊加效應(yīng)更加明顯。

4.2 壓力場分析

圓形進氣口的壓力云圖，如圖7所示。同理可以獲取矩形進出口的壓力云圖。圖7中可以看出主風(fēng)道內(nèi)部的壓力分布，空氣經(jīng)過濾網(wǎng)時，其壓降變化與氣流速度成冪函數(shù)增長，即流速越快，壓降變化越大。

圖7 壓力云圖Fig.7 Pressure Cloud Diagram

對比圖6（a）～圖6（f），只有在初效濾網(wǎng)處的壓降變化較大，而活性炭濾網(wǎng)與光觸媒濾網(wǎng)處的壓降變化較小。

氣流在經(jīng)過初效濾網(wǎng)時，多孔介質(zhì)的阻礙作用，導(dǎo)致氣流速度急劇下降，而主風(fēng)道內(nèi)部存在四層多濾網(wǎng)，風(fēng)道內(nèi)部阻抗較大，由濾網(wǎng)的通風(fēng)實驗可知，風(fēng)速較小的情況下，壓降也隨之減小，所以主風(fēng)道內(nèi)部的氣流速度波動較小。

由此可知，初效濾網(wǎng)的阻力特性系數(shù)對凈化系統(tǒng)的阻力影響最大。

4.3 壓降與凈化率分析

圓形進出口與矩形進出口的壓降隨進出口尺寸變化，如圖8所示。隨著尺寸的增大，系統(tǒng)壓降均呈遞減的趨勢。

圖8 系統(tǒng)壓降圖Fig.8 System Pressure Drop Diagram

在截面積為小于41000mm2時，矩形進出口的壓降大于圓形進出口，當(dāng)進出口截面面積大于41000mm2時，矩形進出口的壓降明顯小于圓形進出口。因為隨著進出口尺寸的增大，矩形進出口能更好的覆蓋主風(fēng)道截面，使主風(fēng)道的流動阻力變小，氣流的流通性更好。

出口的硫化氫含量，可以發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)流量一定的狀態(tài)下，硫化氫含量隨著進氣口尺寸的增大而減小，這是因為濾網(wǎng)的吸收效率與氣流速度有關(guān)，流速越慢，吸收效率越高，如圖9所示。

圖9 出口硫化氫含量Fig.9 Hydrogen Sulfide Content at Export

當(dāng)流量一定時，隨著進出口尺寸的增大，風(fēng)道入口氣流速度減小，活性炭濾網(wǎng)與光觸媒濾網(wǎng)凈化硫化氫的能力也越強。

從圖9中可以看出，圓形出氣口的硫化氫含量明顯低于矩形出氣口德硫化氫含量。因為氣流在圓形進出口的模型內(nèi)部流動更加穩(wěn)定，利于濾網(wǎng)吸收與光催化反應(yīng)的進行。

5 結(jié)論

過濾網(wǎng)可以改善硫化氫氣體的凈化效率，同時也增加了系統(tǒng)內(nèi)部的空氣阻力，通過CFD模擬仿真，可以得出以下結(jié)論：

（1）由速度云圖可以得出，氣流速度變化較快的區(qū)域是主風(fēng)道的中心截面，為了減少渦流與氣流疊加效應(yīng)，使進出口尺寸盡量與主風(fēng)道尺寸相同，并降低風(fēng)道入口的風(fēng)速，過濾網(wǎng)應(yīng)安裝在主風(fēng)道中心位置；

（2）壓力云圖可以得出，當(dāng)氣流速度越大會導(dǎo)致氣流組織變得不穩(wěn)定，所以盡量采取低風(fēng)速的工況，當(dāng)進出口截面面積小于41000mm2時，圓形進出口的壓降明顯小于矩形進出口；

（3）與矩形進出口相比較，圓形進出口模型的硫化氫凈化率更高一些，所以較為理想的模型應(yīng)該是：圓形進出口，尺寸?220 mm。