325-空气净化器作用房间气流组织的数值模拟.pdfVIP

空气净化器作用房间气流组织的数值模拟 边贝琛 张苏润 甄璐莹 韩鹏 (石家庄铁道大学，石家庄，050043) 摘 要：室内空气品质直接关乎人类身体健康，鉴于越来越严重的雾霾天气，致力于改善室内气流组织具有 重大意义。空气净化器作为调节室内气流流动的重要手段之一，受到广泛关注。本文针对卧室内的气流组织 建立模型，运用计算流体动力学软件FLUENT 对空气净化器作用房间气流组织进行了数值模拟。根据模拟结果 分析了空气净化器摆放位置、送风速度及送风角度对室内气流速度分布及污染物分布的影响。研究结果对于 提高净化器净化效果，改善室内空气品质，促进人体健康具有一定的指导意义。 关键词：空气净化器，气流组织，数值模拟，FLUENT 1 引言 近年来雾霾成为我国冬季的主要环境问题。进入供暖季后，我国北方地区就被严重的雾 霾包围，甚至蔓延至江南，尤其京津冀及东北地区 PM2.5 指数持续爆表。雾霾的污染严重影 响民众的生存质量，对人民的健康有着直接危害，同时也制约着经济的发展 [1] 。雾霾天气的 持续肆虐使得空气净化器市场异常火爆，各种形式的空气净化器层出不穷，但其能否真正达 到改善室内空气品质以及合理有效利用仍是个未知数。现在很多学者就空气净化器的性能进 行研究，对空气净化器的吸附材料的阻力特性进行了分析，确定了优化结构设计方案 [2] 。本 文采用数值模拟的方法，以卧室为例通过FLUENT 软件对空气净化器作用房间的气流组织进 行模拟，从空气净化器的摆放位置、送风速度和送风角度三个方面介绍影响其发挥作用的因 素。 2 物理建模 2.1 模型描述 本文以卧室典型的布置作为模型，研究空气净化器对室内气流组织的影响，房间的长宽 高为5.1m×3.9m×2.7m ，房间内布置有简单家具床和衣橱，如图1(a)所示，空气净化器的摆放 位置取A 、B 、C 三个位置，如图1(b)所示，采用上送侧回的出风方式。 图1(a) 房间模型 图1(b) 空气净化器的摆放位置 2.2 模型的简化及边界条件的确定 由于PM2.5 颗粒粒径较小，在空气中处于悬浮状态，并且当天气为重污染天气时即PM2.5 指数超过500 时，室外PM2.5 的含量约为500μg/3，在空气中所占体积分数特别小，我们的 目的是为研究空气净化器的送风气流对室内浓度场造成的影响，主要是为观察浓度场的变化 趋势，故选用某种污染气体代替PM2.5 颗粒来模拟室内浓度场的变化。 假定室内外这种气体的体积分数都为1%。当门窗紧闭时室内换气次数为1~2ℎ−1，这里取 1.5 ℎ−1，则由窗缝渗入的某种气体的质量流量为： = × 1.5 × 1% × 式中，Q——污染气体的质量流量（kg/s ） V 3 ——房间体积（m ） ——污染气体的密度（g/L ） 带入数值即可算得窗缝处污染物的质量流量。 为了突出模拟的重点，达到模拟的目的同时减少计算量，现对模型进行简化： (1)忽略空气净化器内部的结构以及外形设计； (2)忽略人员活动对室内环境造成的影响； (3)空气净化器在过滤的工况下简化成为不可压缩气体，并且忽略一切热源造成的影响。 由此，将模型的各个边界条件进行确定： (1)污染源的入口（窗缝）设定为质量进口 (2)送风口为速度进口 (3) 回风口为自由出流 在模拟室内气流流动的时候，采用欧拉方法中混合模型 [3] ，选用组分输运模型，湍流模 型选择k −ε模型 [4] 。控制方程的离散格式选用一阶迎风格式。房间的内墙和地板采用绝热无 滑移壁面。流场压力和速度的耦合方法采用SIMPLE 算法。 3 模拟结果及分析 为观察空气净化器对室内气流组织及污染物浓度场的影响，选取人躺姿状态下面部呼吸 所在的截面（Y=0.8m ）进行观察。 3.1 空气净化器摆放位置对室内气流组织的影响 模拟结果如图所示： 单位：m/s 速度矢量图 浓度云图 图2 A 位置 Y=0.8m 截面结果图 单位：m/s 速度矢