(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093)

0 引言

環(huán)境污染、呼吸道疾病的流行使得空氣質(zhì)量問題引起了大眾關(guān)注。市面上的空氣凈化器種類繁多但也不乏缺陷：臭氧凈化器內(nèi)含強(qiáng)氧化物質(zhì)，可危害人體健康；負(fù)氧離子凈化器所制造的活性氧容易成為極性污染粒子等等。目前的空氣凈化器基本采用直通道排風(fēng)，由于室內(nèi)空氣流動受限，會產(chǎn)生除塵死角，降低除塵效率。

為了進(jìn)一步提高空氣凈化器的工作效率，國內(nèi)學(xué)者研究了空調(diào)房內(nèi)不同進(jìn)出風(fēng)口位置[1]以及空氣凈化器在房間內(nèi)的不同擺放情況[2-3]對室內(nèi)空氣流場的影響；有學(xué)者提出了以納米TiO2涂敷在活性炭表面的薄殼型結(jié)構(gòu)[4]、以單片機(jī)為控制核心的高壓除塵裝置[5]、添加入口導(dǎo)流的不同濾芯結(jié)構(gòu)[6]以及設(shè)置在凈化器的底座上能驅(qū)動車輪的左、右電機(jī)結(jié)構(gòu)[7]。國外則有學(xué)者研究了基于等離子體的空氣凈化技術(shù)[8]、鍍銀沸石(AgZ)濾波在醫(yī)院室內(nèi)空氣中控制細(xì)菌和真菌參數(shù)的措施[9]以及在室溫下也能將甲醛氣體分解成二氧化碳的板狀空氣凈化材料[10]。

為了提高空氣凈化器的工作效率，除了改造其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、擺放位置，還能添加新的物質(zhì)用于除去污染物。但目前由于垂直出風(fēng)，往往存在除塵死角的問題。本文通過數(shù)學(xué)建模，建立了空氣凈化器在房間的三維立體模型，再由數(shù)值模擬獲得了不同出風(fēng)方向與擺放位置下房間中的空氣流動情況。通過對比分析，獲得空氣出風(fēng)角度以及擺放位置的優(yōu)化參數(shù)，以提升室內(nèi)空氣凈化效果。

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

設(shè)定模擬房間長寬高分別為5 m、3 m、2.8 m，空氣凈化器尺寸為365 mm×350 mm×530 mm，規(guī)定通常靠墻擺放的位置為原始對照組，如圖1(a)所示。模擬過程忽略房間中人員活動以及物柜擺放等干擾情況，考慮對稱性，選定如圖1(c)所示的房間中央x軸線上①②③三個(gè)位置點(diǎn)，分別進(jìn)行仿真模擬。

空氣凈化器兩側(cè)各有10個(gè)325 mm×30 mm的長方形回風(fēng)口。出風(fēng)口位于頂部，與水平方向成一定夾角α。為避免α過大時(shí)，出風(fēng)面面積與原始出風(fēng)面相差過大而造成較大誤差，故將頂部出風(fēng)面劃為五等分，進(jìn)行相同角度調(diào)整。如下圖1(b)所示。

圖1 計(jì)算物理模型

1.2 邊界條件

本文采用ANSYS中ICEM軟件劃分網(wǎng)格，采用非結(jié)構(gòu)化模型，得到圖2所示模型。全局縮放因子取0.6，最大元128.0；殼/面網(wǎng)格以四邊形主導(dǎo)，允許部分三角形網(wǎng)格存在；且在出風(fēng)面上生成一層邊界層網(wǎng)格。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性測試，最終得到當(dāng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為484 350，網(wǎng)格面為2 781 896時(shí)，計(jì)算結(jié)果誤差滿足設(shè)定要求。

圖2 空氣凈化器網(wǎng)格模型

1.3 數(shù)學(xué)模型

本文數(shù)值模擬的過程采用連續(xù)相模擬，以SIMPLE算法作為流體壓力-速度的耦合方法。為了提高模擬精度，對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式。并選取RNGk-ε模型模擬室內(nèi)氣流湍流流動[11]?？刂品匠倘缦拢?/p>

連續(xù)性方程

(γρfv)=0

(1)

動量方程

(γρfvv)=-γp+·(γτ)+γρfg

(2)

湍流動能方程k

(3)

擴(kuò)散方程ε

(4)

模擬過程中設(shè)置出風(fēng)面為速度進(jìn)口邊界條件，回風(fēng)口為壓力進(jìn)口邊界條件，并參照實(shí)際情況分別取2 m/s、-500 Pa，進(jìn)行模擬。

2 模擬結(jié)果

為模擬傳統(tǒng)空氣凈化器工作情況，首先設(shè)置出風(fēng)方向垂直，即α=0°，擺放位置如圖1(c)中位置①所示，出風(fēng)風(fēng)速為2 m/s。截取三個(gè)坐標(biāo)方向的關(guān)鍵截面：(1)空氣凈化器所在z=0縱截面；(2)三個(gè)代表不同高度的水平橫截面，分別為y=0.9 m，y=1.8 m，y=2.7 m；(3)四個(gè)x方向上的縱截面，分別為x=±1.5 m，x=±0.5 m，以表征整個(gè)室內(nèi)空氣流動的情況。結(jié)果如圖3所示。

由圖3(a)可以看出，在出風(fēng)管高速氣流的帶動下，右側(cè)空氣受到擾動，并產(chǎn)生回流，但空氣流動速度普遍處于0.3 m/s以下，氣流交換速度較低；由圖3(b)和(c)所示，在房間右側(cè)離地面0.9～1.8 m的人體活動區(qū)域中存在大區(qū)域死角，空氣流速整體不超過0.25 m/s，凈化效率偏低。

圖3 α=0°出風(fēng)口的空氣流動情況

表1位置①各出風(fēng)方向的空氣流動情況對比

3 對比優(yōu)化分析

3.1 相同位置下不同出風(fēng)角度的室內(nèi)空氣流場對比

為分析出風(fēng)方向?qū)κ覂?nèi)空氣流場分布的影響，新增α=30°、α=45°、α=60°出風(fēng)方向，并選取第2節(jié)中相同的典型室內(nèi)界面對比分析室內(nèi)空氣流動情況。

由上述四組模擬結(jié)果可以看出，α=0°，整體空氣流速低，遠(yuǎn)距離存在多處死角。α越大，遠(yuǎn)距離空氣流速越高，死角越少。α=60°，人體活動區(qū)域范圍(1.8 m以下)內(nèi)，空氣流速普遍在0.3 m/s以上，房間內(nèi)墻角處存在少許死角。

y方向上三個(gè)截面表征了房間內(nèi)不同水平高度的空氣流動狀況：α=0°，人體活動區(qū)域范圍內(nèi)空氣流動均勻且流速較高，整體平均流速約為0.4 m/s；α=30°，空氣流速降低，死角增多且分布集中；α=45°，空氣整體流速明顯提高，平均流速高于0.4 m/s，死角大幅減少；α=60°，空氣流速降低，死角增多。

x方向上四個(gè)截面表征了房間內(nèi)大體的空氣流動狀況，α=0°，房間大部分區(qū)域內(nèi)空氣流動均勻但流速較低，遠(yuǎn)距離區(qū)域內(nèi)存在大面積死角；α=30°，空氣凈化器出風(fēng)側(cè)近地面空氣流速較高，但遠(yuǎn)距離區(qū)域和另一側(cè)仍然存在空氣交換滯留；α=45°，房間內(nèi)整體空氣流速大幅提高，空氣相互交換得到有效促進(jìn)；繼續(xù)增大α=60°，重新出現(xiàn)死角，阻礙空氣交換。

由此可見出風(fēng)角度對室內(nèi)空氣流動影響顯著。α=45°出風(fēng)方向工作情況最佳，空氣整體流動均勻且死角大幅減少。α=30°時(shí)，房間內(nèi)空氣流動不均，存在大量死角，室內(nèi)空氣凈化效果較差。

3.2 不同擺放位置的室內(nèi)空氣流場對比

為了進(jìn)一步研究分析相同出風(fēng)方向條件下，不同的擺放位置對空氣凈化器工作情況的影響，選定α=45°和α=30°，調(diào)整空氣凈化器擺放位置并截取相同截面進(jìn)行進(jìn)一步對比分析。

3.2.1 出風(fēng)方向45°下不同擺放位置的空氣流動情況對比分析

表2不同位置下45°出風(fēng)方向的空氣流動情況對比

表3不同位置下30°出風(fēng)方向的空氣流動情況對比

由上述三組模擬結(jié)果可以看出，α=45°時(shí)，移動擺放位置至②，出風(fēng)側(cè)空氣流動加強(qiáng)，流速普遍提高，死角明顯減少。但在另一側(cè)，空氣流速大幅度降低且在人體活動區(qū)域下部存在大部分死角；改變擺放位置至③，出風(fēng)側(cè)空氣流速有所下降，但整體流動均勻，另一側(cè)近壁面與人體活動區(qū)域內(nèi)存在大面積空氣流動死角。

根據(jù)y方向三個(gè)截面，在位置①、②兩處工作時(shí)，人體活動范圍內(nèi)的空氣流動都較為均衡，整體空氣平均流動速度約為0.25 m/s，局部存在空氣低速滯留區(qū)域。位置③處整體空氣流速驟降，死角分布增多，空氣相互交換被大幅阻礙。

針對x縱切方向，位置②處出風(fēng)側(cè)空氣流動得到大幅促進(jìn)，另一側(cè)空氣相互交換被抑制；更改至位置③，出風(fēng)側(cè)區(qū)域內(nèi)空氣流速降低但仍均衡，另一側(cè)區(qū)域內(nèi)空氣大部分被滯留。

3.2.2 30°出風(fēng)方向下不同擺放位置的空氣流動情況對比分析

同樣由上述三組模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)α=30°的空氣凈化器位置移動到②時(shí)，出風(fēng)側(cè)空氣流動得到有效促進(jìn)，平均流速明顯提高至0.35 m/s左右，人體活動范圍內(nèi)死角也大幅減少，但另一側(cè)空氣流動情況則明顯不如出風(fēng)側(cè)，平均空氣流速僅0.15 m/s左右；再移動到位置③，出風(fēng)側(cè)上空氣體流速降低，另一側(cè)空氣交換受阻，平均流速0.1 m/s左右，死角明顯增多。

針對y方向三個(gè)截面，可以得出：在位置②，房間內(nèi)下部空氣流動更為均勻，只有近壁面處存在一定低速區(qū)，中部出現(xiàn)一片分布較廣的死角；更改至位置③，房間內(nèi)空氣流動受到阻礙。

x方向上四個(gè)截面顯示，在位置②出風(fēng)側(cè)大部分氣體流速明顯提高至0.35 m/s以上，另一側(cè)空氣流速雖然有所下降，但空氣交換依然均勻；更改至③處，近壁面空氣流速得到進(jìn)一步提高，空氣凈化器左側(cè)區(qū)域內(nèi)空氣流速下降但流動仍然均勻。

綜上所述，室內(nèi)空氣流動強(qiáng)度以及整體相互交換程度由出風(fēng)方向以及擺放位置所共同決定。選取適宜擺放位置的基礎(chǔ)上，若能實(shí)現(xiàn)出風(fēng)角度自動匹配所擺放位置并據(jù)此進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，則可最大化加強(qiáng)室內(nèi)空氣流動并提升室內(nèi)空氣凈化效率。

4 結(jié)論

本文采用三維建模及數(shù)值模擬的方法，對空氣凈化器在不同的出風(fēng)方向以及擺放位置情況下的室內(nèi)空氣流動情況進(jìn)行了模擬及優(yōu)化。得到如下結(jié)論：

(1)改變傳統(tǒng)空氣凈化器的出風(fēng)角度，可以有效提高空氣凈化器的工作效率，加強(qiáng)室內(nèi)空氣交換。家用空氣凈化器靠墻擺放時(shí)，調(diào)整出風(fēng)角度為45°，室內(nèi)整體空氣流速更均勻，且死角分布大幅度減少，凈化效果得到明顯提升。

(2)在一定的出風(fēng)方向條件下，改變空氣凈化器的擺放位置，對提高其工作效率十分重要，針對本文擇定的工況條件，發(fā)現(xiàn)在45°最佳出風(fēng)方向下，當(dāng)空氣凈化器擺放在距離壁面四分之一房間長度位置時(shí)，房間內(nèi)人體活動范圍內(nèi)空氣流速得到明顯提高，且流場分布更為均勻，低速流動空氣團(tuán)也大為減少，提升了空氣凈化效果。