基于仿真模型的空氣凈化器性能試驗(yàn)關(guān)鍵影響因素研究

趙 明

（龍巖市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)所，福建 龍巖）

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)生活品質(zhì)的要求也在不斷提升，特別是對(duì)空氣質(zhì)量的要求也越來(lái)越嚴(yán)格[1]。雖然，我國(guó)大氣環(huán)境質(zhì)量已得到有效治理，但室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量還需要進(jìn)一步改善，空氣凈化器作為改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的有力產(chǎn)品，對(duì)保護(hù)人體健康發(fā)揮著重要作用，近年來(lái)備受消費(fèi)者的青睞，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、商業(yè)、居家等眾多領(lǐng)域，也促使空氣凈化器產(chǎn)品市場(chǎng)得到迅速發(fā)展[2]。

目前，常見的空氣凈化器產(chǎn)品根據(jù)凈化原理分類，主要包括：過(guò)濾式、靜電式、催化式、等離子式、物理或化學(xué)吸附式、臭氧式、復(fù)合式等，其基本原理均是通過(guò)一系列的物理和化學(xué)方法，去除空氣中的顆粒物和氣態(tài)污染物等目標(biāo)污染物，從而達(dá)到凈化空氣的目的[3-4]。雖然消費(fèi)市場(chǎng)中空氣凈化器產(chǎn)品品種繁多，但產(chǎn)品質(zhì)量卻參差不齊。潔凈空氣量（CADR）作為空氣凈化器的關(guān)鍵性評(píng)價(jià)指標(biāo)，可用于衡量該產(chǎn)品的整體性能質(zhì)量[5]。在對(duì)該產(chǎn)品性能試驗(yàn)過(guò)程中，循環(huán)風(fēng)扇風(fēng)量、產(chǎn)品擺放位置、產(chǎn)品擺放朝向、新風(fēng)量等關(guān)鍵試驗(yàn)因素均可能對(duì)潔凈空氣量（CADR）評(píng)價(jià)指標(biāo)產(chǎn)生較大影響。

綜上所述，本文通過(guò)構(gòu)建試驗(yàn)艙仿真模型，分析試驗(yàn)艙內(nèi)氣流組織分布和顆粒物濃度分布情況，并通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究和驗(yàn)證循環(huán)風(fēng)扇風(fēng)量、產(chǎn)品擺放位置、產(chǎn)品擺放朝向、新風(fēng)量等關(guān)鍵試驗(yàn)因素影響，指導(dǎo)優(yōu)化試驗(yàn)條件，以期達(dá)到最佳試驗(yàn)效果，獲得準(zhǔn)確可靠的潔凈空氣量（CADR）評(píng)價(jià)指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 仿真模型

1.1 研究目的

通過(guò)構(gòu)建仿真模型，研究循環(huán)風(fēng)扇風(fēng)量、產(chǎn)品擺放位置、產(chǎn)品擺放朝向、新風(fēng)量等關(guān)鍵試驗(yàn)因素對(duì)空氣凈化器性能試驗(yàn)的影響，指導(dǎo)優(yōu)化試驗(yàn)條件，獲取最佳試驗(yàn)效果。

1.2 研究方法

1.2.1 模型簡(jiǎn)化及假設(shè)

為簡(jiǎn)化問(wèn)題及模型，在試驗(yàn)艙仿真過(guò)程中進(jìn)行如下假設(shè)：（1） 試驗(yàn)艙內(nèi)為絕熱環(huán)境、全封閉環(huán)境，并忽略艙壁熱輻射影響；（2） 試驗(yàn)艙內(nèi)以恒定速率生成顆粒物，粒徑大小統(tǒng)一為2 μm，流體為不可壓縮、穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；（3） 攪拌風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)速度恒定，忽略啟動(dòng)和關(guān)閉階段影響；（4） 空氣凈化器、循環(huán)風(fēng)扇及攪拌風(fēng)扇的細(xì)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，忽略發(fā)、散熱作用；（5） 因送風(fēng)口和排風(fēng)口在性能試驗(yàn)過(guò)程中均處于關(guān)停狀態(tài)，忽略其影響。

1.2.2 三維模型及網(wǎng)格劃分

以30 m3標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)艙為仿真對(duì)象，根據(jù)實(shí)際尺寸建立1:1 三維模型，如圖1 所示。試驗(yàn)艙內(nèi)主要布置有循環(huán)風(fēng)扇及其吊桿、攪拌風(fēng)扇及其吊桿、空氣凈化器及其桌面、香煙輸送管、送風(fēng)口及排風(fēng)口等部件。采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法對(duì)試驗(yàn)艙三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，且對(duì)循環(huán)風(fēng)扇、攪拌風(fēng)扇、空氣凈化器和香煙輸送管等部件進(jìn)行加密處理[6]，網(wǎng)格總數(shù)量約為664 萬(wàn)，如圖2 所示。

圖1 試驗(yàn)艙三維模型圖

圖2 試驗(yàn)艙網(wǎng)格劃分圖

1.2.3 數(shù)學(xué)模型

試驗(yàn)艙內(nèi)氣流流動(dòng)需滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒和組分守恒[7]，根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中顆粒物的能量變化、運(yùn)動(dòng)情況和相互作用力，構(gòu)建三種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，主要包括：采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 雙方程湍流模型來(lái)模擬氣流的湍流流動(dòng)；采用離散型（DPM）模型來(lái)模擬顆粒物的運(yùn)動(dòng)及作用力；采用多參考系（MRF）模型來(lái)模擬攪拌風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[8]。

1.2.4 邊界條件

在空氣凈化器性能試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)艙內(nèi)流動(dòng)采用穩(wěn)態(tài)、純氣相流求解，香煙輸送管出口采用No-slip-wall 邊界條件；循環(huán)風(fēng)扇采用fan 邊界條件，循環(huán)風(fēng)量根據(jù)設(shè)定壓力值控制；攪拌風(fēng)扇靜止；空氣凈化器為開啟狀態(tài)，其送風(fēng)口采用Velocity-inlet 邊界條件，排風(fēng)口采用Pressure-outlet 邊界條件。

1.2.5 監(jiān)視位置及評(píng)價(jià)變量

在空氣凈化器性能試驗(yàn)過(guò)程中，為觀察試驗(yàn)艙內(nèi)的流場(chǎng)分布及變化情況，選取三個(gè)方向的中軸面（x=0 m、y=0 m、z=1.25 m）作為監(jiān)視面，如圖3 所示。同時(shí)，根據(jù)GB/T 18801-2022《空氣凈化器》標(biāo)準(zhǔn)要求“避開進(jìn)出風(fēng)口，離墻壁距離應(yīng)大于0.5 m，相對(duì)試驗(yàn)艙地面高度0.5 m～1.5 m”[9]，選取了z=0.5 m、0.75 m、1.0 m、1.25 m、1.5 m 五個(gè)高度截面中離墻大于0.5 m 的區(qū)域作為監(jiān)視面。采用空氣齡（τ）評(píng)價(jià)變量來(lái)評(píng)估試驗(yàn)艙內(nèi)的空氣新鮮程度。空氣齡是指空氣質(zhì)點(diǎn)自進(jìn)入房間至到達(dá)室內(nèi)某點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間，是用于評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要指標(biāo)，可反映室內(nèi)空氣的新鮮程度，體平均的空氣齡越小，說(shuō)明室內(nèi)空氣整體上來(lái)看越新鮮，室內(nèi)某一點(diǎn)的空氣齡越小，說(shuō)明在該點(diǎn)污染物的停留時(shí)間越短，即該點(diǎn)的污染物濃度越低。在本研究中，假設(shè)(1±2.5%)τp的區(qū)域代表試驗(yàn)艙內(nèi)的平均顆粒物濃度位置，即最佳測(cè)試采樣位置，τp為平均空氣齡，由仿真模擬獲得。

圖3 監(jiān)視面示意圖

2 對(duì)比試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康募耙罁?jù)

依據(jù)GB/T 18801-2022《空氣凈化器》標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)空氣凈化器性能開展對(duì)比試驗(yàn)，研究驗(yàn)證循環(huán)風(fēng)扇風(fēng)量、產(chǎn)品擺放位置、產(chǎn)品擺放朝向、新風(fēng)量等關(guān)鍵試驗(yàn)因素對(duì)空氣凈化器性能指標(biāo)的影響，指導(dǎo)優(yōu)化試驗(yàn)條件，獲取最佳試驗(yàn)效果。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)及照片

依據(jù)QB/T 5364-2019《空氣凈化器測(cè)試用試驗(yàn)艙技術(shù)要求和評(píng)價(jià)方法》標(biāo)準(zhǔn)要求[10]，空氣凈化器性能試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)艙參數(shù)如表1、圖4 所示，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片如圖5 所示。

表1 空氣凈化器性能試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)艙參數(shù)

圖4 30 m3 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)艙示意圖

圖5 空氣凈化器性能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3 仿真結(jié)果與對(duì)比試驗(yàn)綜合分析

3.1 循環(huán)風(fēng)扇風(fēng)量影響因素綜合分析

通過(guò)設(shè)置循環(huán)風(fēng)扇風(fēng)量Q循=100 m3/h、200 m3/h、300 m3/h、400 m3/h、500 m3/h、600 m3/h，空氣凈化器置于艙內(nèi)正中心，新風(fēng)朝向+Y 及新風(fēng)量Q凈=195 m3/h，進(jìn)行模擬仿真分析，獲取各監(jiān)視面氣流組織分布情況和最佳采樣區(qū)域情況，如圖6、圖7 所示。同時(shí)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，設(shè)置Q循=500 m3/h，其他設(shè)置條件與上述相同，采樣點(diǎn)布置如圖8 所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。結(jié)果表明，當(dāng)Q循≥500 m3/h 時(shí)，試驗(yàn)艙內(nèi)的氣流主要受循環(huán)風(fēng)扇的影響，氣流組織分布狀態(tài)已達(dá)到基本一致，Q循增大造成湍流速度增大，加快試驗(yàn)艙內(nèi)置換時(shí)間，減小了空氣齡，除循環(huán)風(fēng)扇和凈化器新風(fēng)送風(fēng)口外，高度在0.5 m～1.0 m 的區(qū)域，可適合作為采樣區(qū)域。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示潔凈空氣量CADR 值基本相同，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果情況一致。

表2 循環(huán)風(fēng)量影響因素現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 不同循環(huán)風(fēng)量氣流組織分布圖

圖7 不同循環(huán)風(fēng)量最佳采樣區(qū)域圖

圖8 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)采樣點(diǎn)布置示意圖

3.2 產(chǎn)品擺放位置影響因素綜合分析

通過(guò)設(shè)置循環(huán)風(fēng)扇風(fēng)量Q循=500 m3/h，空氣凈化器置于三種擺放位置，如圖11 所示，新風(fēng)朝向+Y 及新風(fēng)量Q凈=195 m3/h，進(jìn)行模擬仿真分析，獲取各監(jiān)視面氣流組織分布情況和最佳采樣區(qū)域情況，如圖9、圖10 所示。同時(shí)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，設(shè)置條件與上述相同，采樣點(diǎn)布置如圖11 所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示。結(jié)果表明，不同擺放位置對(duì)試驗(yàn)艙內(nèi)氣流組織分布產(chǎn)生一定影響，位置3 時(shí)偏向于形成更大范圍和更高湍流速度的渦流區(qū)，位置2、3 在高度0.5 m～1.0 m處存在部分區(qū)域不適合采樣，空氣凈化器擺放位置應(yīng)優(yōu)先選取位置1 且高度在0.5 m～1.0 m，距離墻壁大于0.7 m，并避開新風(fēng)口朝向的區(qū)域，可適合作為采樣區(qū)域。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)中采樣點(diǎn)1、5 的潔凈空氣量CADR 值出現(xiàn)不一致，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果情況一致。

表3 擺放位置影響因素現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9 不同擺放位置氣流組織分布圖

圖10 不同擺放位置最佳采樣區(qū)域圖

圖11 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)采樣點(diǎn)布置示意圖

3.3 產(chǎn)品擺放朝向影響因素綜合分析

通過(guò)設(shè)置循環(huán)風(fēng)扇風(fēng)量Q循=500 m3/h，空氣凈化器置于艙內(nèi)正中心，新風(fēng)朝向+X、-X、+Y、-Y 及新風(fēng)量Q凈=195 m3/h，進(jìn)行模擬仿真分析，獲取各監(jiān)視面氣流組織分布情況和最佳采樣區(qū)域情況，如圖12、圖13 所示。同時(shí)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，設(shè)置條件與上述相同，采樣點(diǎn)布置如圖14 所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4 所示。結(jié)果表明，新風(fēng)朝向不會(huì)影響試驗(yàn)艙內(nèi)氣流組織分布的總體狀態(tài)，主要影響的是新風(fēng)出口局部區(qū)域的氣流分布，新風(fēng)朝向+X、-X、-Y 在高度0.5 m～1.0 m處存在部分區(qū)域不適合采樣，空氣凈化器新風(fēng)朝向應(yīng)優(yōu)先選取+Y 且高度在0.5 m～1.0 m，距離墻壁大于0.7 m，并避開新風(fēng)口朝向的區(qū)域，可適合作為采樣區(qū)域。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示潔凈空氣量CADR 值基本相同，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果情況一致。

表4 擺放朝向影響因素現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖12 不同擺放朝向氣流組織分布圖

圖13 不同擺放朝向最佳采樣區(qū)域圖

圖14 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)采樣點(diǎn)布置示意圖

3.4 新風(fēng)量影響因素綜合分析

通過(guò)設(shè)置循環(huán)風(fēng)扇風(fēng)量Q循=500 m3/h，空氣凈化器置于艙內(nèi)正中心，新風(fēng)朝向+Y 及新風(fēng)量Q凈=150 m3/h、195 m3/h、240 m3/h，進(jìn)行模擬仿真分析，獲取各監(jiān)視面氣流組織分布情況和最佳采樣區(qū)域情況，如圖15、圖16 所示。同時(shí)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，設(shè)置條件與上述相同，采樣點(diǎn)布置如圖17 所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。結(jié)果表明，不同新風(fēng)量條件下試驗(yàn)艙內(nèi)氣流組織分布基本相近，新風(fēng)量150 m3/h、240 m3/h 時(shí)高度0.5 m～1.0 m 處僅存在邊緣較小部分區(qū)域不適合采樣，影響很小，不同新風(fēng)量條件下，高度在0.5 m～1.0 m，距離墻壁大于0.7m，并避開新風(fēng)口朝向的區(qū)域，可適合作為采樣區(qū)域。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示潔凈空氣量CADR 值基本相同，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果情況一致。

表5 新風(fēng)量影響因素現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖15 不同新風(fēng)量氣流組織分布圖

圖16 不同新風(fēng)量最佳采樣區(qū)域圖

圖17 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)采樣點(diǎn)布置示意圖

4 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)構(gòu)建30 m3標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)艙仿真模型進(jìn)行模擬仿真分析，并依據(jù)GB/T 18801-2022《空氣凈化器》標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)空氣凈化器性能開展對(duì)比試驗(yàn)，以研究循環(huán)風(fēng)扇風(fēng)量、產(chǎn)品擺放位置、產(chǎn)品擺放朝向、新風(fēng)量等關(guān)鍵試驗(yàn)因素對(duì)空氣凈化器性能試驗(yàn)的影響，指導(dǎo)優(yōu)化試驗(yàn)條件，獲取最佳試驗(yàn)效果。研究結(jié)果表明：（1） 循環(huán)風(fēng)扇風(fēng)量和產(chǎn)品擺放位置對(duì)氣流組織分布影響較大，產(chǎn)品擺放朝向影響較小，新風(fēng)量影響可忽略。循環(huán)風(fēng)扇風(fēng)量Q循應(yīng)至少為500 m3/h 以上，產(chǎn)品擺放位置應(yīng)置于艙內(nèi)正中心，產(chǎn)品擺放朝向可優(yōu)先選取+Y 方向；（2） 最佳采樣區(qū)域可優(yōu)先選取“相對(duì)試驗(yàn)艙地面高度0.5 m～1.0 m，離墻壁距離應(yīng)大于0.7 m，避開循環(huán)風(fēng)扇和空氣凈化器新風(fēng)口”。