空氣凈化器結(jié)構(gòu)改進(jìn)與流動(dòng)性能分析

許海波，李久成，蘇 芳，董玉德

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

目前,我國(guó)大氣污染較為嚴(yán)重,主要污染因素有可吸入顆粒物PM2.5和PM10以及SO2、NO2、甲醛、苯等異味物質(zhì)．在環(huán)境大氣質(zhì)量未有質(zhì)的改善之前,城市居民對(duì)于室內(nèi)空氣凈化器仍有著較大的需求,這一現(xiàn)象也促進(jìn)了空氣凈化器產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展．市面上家用凈化器基本分為兩種,一種為壁掛式新風(fēng)空氣凈化器(以下簡(jiǎn)稱為“新風(fēng)機(jī)”),另一種則為技術(shù)較成熟的落地式凈化器．

針對(duì)降低空氣濾清器中噪音的問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作．HAO等基于聲學(xué)理論及要求,在詳細(xì)設(shè)計(jì)中,提出一種在低頻率下改善聲學(xué)性能的有效方法[1]．劉景成等專門研究了濾芯的流阻特性以及吸聲特性,并且對(duì)空氣濾清器的噪音特性進(jìn)行了仿真優(yōu)化[2]．朱廉潔等通過(guò)有限元法計(jì)算分析空氣濾清器的消聲特性,得出空氣濾清器的聲學(xué)有限元處理方法是合理的[3]．在濾芯結(jié)構(gòu)、材料優(yōu)化方面,李佳等分析了濾清裝置中的濾紙尺寸、材質(zhì)和褶數(shù)等各因素對(duì)空氣濾清器性能的影響規(guī)律,研究了濾紙角度對(duì)流動(dòng)性能的影響[4]．THOMAS等研究了數(shù)種參數(shù)，如空氣速度、顆粒大小等對(duì)濾芯效率的影響,并開發(fā)了一個(gè)基于濾清器中區(qū)分沉甸顆粒和過(guò)濾纖維的模型,可以算出剖面滲透率的下降指數(shù)[5]．馮建勇等比較了濾清材料使用前后不同的結(jié)構(gòu),并研究了多種不同的過(guò)濾材料的性能[6]．在功能開發(fā)方面,楊乾設(shè)計(jì)了空氣凈化器控制系統(tǒng),開發(fā)了基于C語(yǔ)言的軟件控制程序,引入多種傳感器,實(shí)現(xiàn)了根據(jù)空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)凈化效率,并極大地優(yōu)化了人機(jī)交互[7]．

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于空氣凈化器內(nèi)部流動(dòng)問題的研究幾乎空白,而新風(fēng)機(jī)空氣凈化器大多濾芯的利用率存在著比較大的缺陷,導(dǎo)致濾芯的使用壽命縮短．為此,本文將嘗試運(yùn)用Fluent商業(yè)軟件對(duì)空氣凈化器的空氣流動(dòng)效果進(jìn)行模擬分析,根據(jù)模擬得到的數(shù)據(jù)比較，探討不同的結(jié)構(gòu)對(duì)凈化器內(nèi)部流體流動(dòng)的影響,并進(jìn)一步優(yōu)化分析優(yōu)選方案的濾芯結(jié)構(gòu)參數(shù),以達(dá)到提高濾芯利用率與使用壽命最大化的目的．

1 新風(fēng)空氣凈化器結(jié)構(gòu)

新風(fēng)機(jī)一般包括初效過(guò)濾層、靜電集塵層、活性炭及光觸媒濾層、HEPA濾層(濾芯)4個(gè)過(guò)濾層,內(nèi)置風(fēng)機(jī)提供空氣循環(huán)動(dòng)力.由于需要連接外部管道以獲取室外新風(fēng),所以結(jié)構(gòu)與落地式新風(fēng)機(jī)有較大差異．

室外空氣由機(jī)器內(nèi)部的風(fēng)機(jī)吸入后依次通過(guò)初效過(guò)濾層、靜電集塵層、活性炭及光觸媒濾層,之后通過(guò)風(fēng)機(jī)室進(jìn)入最后的HEPA過(guò)濾區(qū),經(jīng)過(guò)最后的HEPA濾層后送入室內(nèi),給予室內(nèi)源源不斷的新鮮潔凈空氣.

由于自風(fēng)機(jī)室之前的結(jié)構(gòu)較為理想,無(wú)需改動(dòng),本文只截取風(fēng)室出口至新風(fēng)機(jī)出口這部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論．在不影響結(jié)果的情況下,為了便于計(jì)算,以傳統(tǒng)機(jī)型結(jié)構(gòu)為例,在不改變外殼大小、結(jié)構(gòu)的前提下,進(jìn)行一定的參數(shù)簡(jiǎn)化,提出改進(jìn)的新風(fēng)機(jī)濾芯與導(dǎo)流結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)式新風(fēng)機(jī)濾芯結(jié)構(gòu)如圖1(a),(b)所示,新型新風(fēng)機(jī)濾芯結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示(箭頭所示為流體流動(dòng)方向,關(guān)鍵參數(shù)已在圖中標(biāo)出,其中定義濾芯正對(duì)入風(fēng)口的面為迎風(fēng)面)．

圖1中濾芯參數(shù)均有注明,A結(jié)構(gòu)為一長(zhǎng)方體,規(guī)格為360 mm×50 mm×210 mm；B結(jié)構(gòu)中出風(fēng)面附近的2個(gè)濾芯(虛線表示)選擇相同大小,四棱柱的長(zhǎng)邊為190 mm，短邊為50 mm，高為210 mm．C結(jié)構(gòu)的濾芯為弧形,其相對(duì)空氣凈化器框架外殼中軸線對(duì)稱,選取190 mm的半徑，寬50 mm，高210 mm．本文將對(duì)此3種結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行模擬流動(dòng)分析,在運(yùn)用ICEM軟件將模型網(wǎng)格劃分后,導(dǎo)入Fluent軟件計(jì)算出結(jié)果,并比較各結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣．

2 新風(fēng)機(jī)流動(dòng)性能計(jì)算與優(yōu)化處理

2.1 物理模型建立及邊界條件的選取

選取相同框架大小,相同厚度濾芯,框架大小為500 mm×360 mm×240 mm,壁面厚度為1.5 mm,壁面設(shè)置為300-O型鋁材,流道內(nèi)的氣體定義為空氣.為了簡(jiǎn)化計(jì)算,濾芯取平直面,厚度為50 mm,對(duì)于A,B,C 3種結(jié)構(gòu),算出其迎風(fēng)面積分別為86 400 mm2，91 200 mm2，100 148 mm2．入口壓力為60 Pa,出口設(shè)置為0 Pa．運(yùn)用Fluent計(jì)算軟件分別對(duì)3種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,得出不同結(jié)構(gòu)下迎風(fēng)面質(zhì)量流率與總質(zhì)量流率,各檢測(cè)位置的流速、壓力、湍動(dòng)能以及湍能耗散率等參數(shù)．

2.2 數(shù)學(xué)模型及算法

在空氣凈化器(新風(fēng))內(nèi)部流動(dòng)中,雷諾數(shù)計(jì)算為

(1)

式中:v,ρ,μ分別為流體的流速、密度與黏性系數(shù),d為一特征長(zhǎng)度,選取流道對(duì)角線長(zhǎng)度．

流體在凈化器內(nèi)部流動(dòng)符合連續(xù)性方程和動(dòng)量方程[8]．連續(xù)性方程即質(zhì)量守恒方程．由單位時(shí)間內(nèi)流出控制體的流體凈質(zhì)量等于時(shí)間間隔控制體內(nèi)因密度變化而減少的質(zhì)量,導(dǎo)出連續(xù)性方程[8]的微分形式為

(2)

式中:ux,uy,uz分別為X,Y,Z3個(gè)方向的速度分量,單位為m/s;t為時(shí)間,單位s;ρ為密度,單位kg/m3．

動(dòng)量方程的解釋則是給定流體微元,其動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和[8]．動(dòng)量方程為

(3)

式中:p為微元體上的壓強(qiáng),Pa;S為動(dòng)量方程的廣義源項(xiàng)．

本文采取標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[9],k方程為

(4)

ε方程為

(5)

式中:μ為動(dòng)力黏度,Pa·s；σk,σε分別為k-ε方程湍流普朗特?cái)?shù)；C1ε，C2ε為經(jīng)驗(yàn)值,是常數(shù)；Gk是由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生．其中σk=1.0,σε=1.3,C1ε=1.44,C2ε=1.92．

多孔介質(zhì)模型的建立滿足含有動(dòng)量源向的流體流動(dòng)方程,遵循達(dá)西定律,對(duì)于簡(jiǎn)單的多孔介質(zhì),有以下方程[10]:

(6)

方程等式右邊前半部是黏性損失項(xiàng),后半部是慣性損失項(xiàng)．α為多孔介質(zhì)的滲透性,C2為慣性阻力因子．圖2描述了數(shù)據(jù)計(jì)算流程．

圖 2 具體計(jì)算流程Fig.2 Calculation process

2.3 性能分析與結(jié)果討論

本文針對(duì)內(nèi)部流體流動(dòng)問題提出以下假設(shè):入口壓力均勻,忽略流動(dòng)時(shí)的溫度變化,忽略濾芯復(fù)雜的結(jié)構(gòu),將濾芯視作網(wǎng)格化單元體．重點(diǎn)分析濾芯結(jié)構(gòu)改進(jìn)與添加導(dǎo)流結(jié)構(gòu)之后,流體在新結(jié)構(gòu)下與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下流動(dòng)狀況的不同．濾芯區(qū)域設(shè)置為層流[11],本文主要目的在于改良濾芯的質(zhì)量流量均勻度問題,故除了出風(fēng)口之外不參考濾芯背風(fēng)面至出口那部分空間的空氣流動(dòng)情況．

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445454648

圖3具體計(jì)算流程

Fig.3 Calculation process

檢測(cè)參數(shù)方面分別在凈化器的結(jié)構(gòu)中選取進(jìn)風(fēng)面、出風(fēng)面、濾芯迎風(fēng)面(將濾芯迎風(fēng)面等分為48個(gè)面來(lái)確定質(zhì)量流量方差,6行8列,依次編號(hào)1～48,各等分面位置如圖3,視角方向?yàn)檫M(jìn)風(fēng)面至迎風(fēng)面),并額外在距離出風(fēng)面200 mm并平行于出風(fēng)面的豎直平面(下簡(jiǎn)稱為中間面)上等距選取48個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(等分面的中點(diǎn)),以靜壓、質(zhì)量流量、速度、質(zhì)量流量方差、湍流性能、湍能耗散率,作為檢測(cè)參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)本文中選取的3種結(jié)構(gòu)．

根據(jù)圖1中的結(jié)構(gòu)分別構(gòu)建模型,使用Fluent對(duì)3種流道結(jié)構(gòu)中幾處關(guān)鍵位置壓力、質(zhì)量流率等參數(shù)(面積平均)進(jìn)行模擬分析．得到數(shù)據(jù)變化趨勢(shì),如圖4～6,其中A,B,C分別代表第一、二、三種結(jié)構(gòu)．

圖 4 中間面靜壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 圖 5 迎風(fēng)面質(zhì)量流率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 圖 6 迎風(fēng)面靜壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.4 Static pressure monitoring data at the middle surface Fig.5 Mass flow rate monitoring data at the windward surface Fig.6 Static pressure monitoring data at the windward surface

所得數(shù)據(jù)平均值計(jì)算方法為

(7)

均方差的計(jì)算方法為

(8)

濾芯使用率定義為[12]

(9)

采用上述公式對(duì)數(shù)據(jù)處理過(guò)后,得到表1.

表 1 各結(jié)構(gòu)分析結(jié)果Table 1 Analysis results under each structure

從表1中的數(shù)據(jù)及圖6可以看出結(jié)構(gòu)的改變已經(jīng)影響到內(nèi)部氣體的流動(dòng)狀況[13],空氣在流腔中的流動(dòng)被結(jié)構(gòu)引導(dǎo)至邊緣區(qū)域．表1中總質(zhì)量流量基本無(wú)變化,浮動(dòng)未超過(guò)3%;對(duì)于出、入口流體速度的計(jì)算結(jié)果,3種結(jié)構(gòu)基本無(wú)任何變化,湍動(dòng)能方面;變化亦不是很明顯,表明在此流速與結(jié)構(gòu)下,只要多孔介質(zhì)區(qū)域的厚度不變,大致結(jié)構(gòu)不改變,對(duì)流體的速度以及湍流性能方面沒有影響,更多的則是改變部分流體的流動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡,改變其軌跡后使之可以更均勻地通過(guò)多孔介質(zhì)即濾芯區(qū)域[14]．

表2質(zhì)量流率情況

Table 2 Situation of mass flow rate g·s-1

結(jié)構(gòu)中央四面中央八面最大值qmax最小值qminA13 8926 363 472 69B13 6725 883 432 75C11 8723 673 012 84

取圖4中濾芯中間部位的編號(hào)20,21,28,29四個(gè)單元面質(zhì)量流率和,19,20,21,22,27,28,29,30八個(gè)單元面質(zhì)量流率和各單元面最大流率與最小流率,得到表2．

從表2可以看出，無(wú)論是A結(jié)構(gòu)還是B結(jié)構(gòu),流量基本是集中在濾芯的中央?yún)^(qū)域.A結(jié)構(gòu)下,中央四面與中央八面分別占了總流量的9.62%,18.25%,B結(jié)構(gòu)則為9.46%,17.91%;當(dāng)改進(jìn)成C結(jié)構(gòu)后,中央四面質(zhì)量流量與中央八面占比下降為8.46%,16.88%．而對(duì)于各分割面中最大質(zhì)量流率與最小質(zhì)量流率差,C結(jié)構(gòu)將此項(xiàng)數(shù)據(jù)從A的0.78 g/s和B的0.68 g/s降到0.17 g/s．

同理,迎風(fēng)面質(zhì)量流量均方差的計(jì)算結(jié)果和靜壓均方差表明,C結(jié)構(gòu)中,在不影響總的質(zhì)量流量情況下,各面之間的流量差縮小很多,將均方差從A結(jié)構(gòu)的0.09和B結(jié)構(gòu)的0.057下降到了0.003 9,靜壓均方差也從A結(jié)構(gòu)的34.73，B結(jié)構(gòu)的22.70下降到了2.61,更是證明了C結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)作用．

在對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)的各種流體參數(shù)的分析中可知，A,B兩種結(jié)構(gòu)的濾芯使用率比較差,使用此兩種結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致較大部分流量通過(guò)濾芯結(jié)構(gòu)的中間區(qū)域,無(wú)論在使用壽命還是使用效果上都會(huì)受到影響．而對(duì)于C結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),雖然濾芯結(jié)構(gòu)的改變會(huì)喪失少量的質(zhì)量流量,但流體的流動(dòng)狀況會(huì)更加科學(xué),更益于濾芯的使用均勻性．通常情況下,濾芯的某一部分達(dá)到納垢極限時(shí),過(guò)濾效果將會(huì)大幅下降,濾芯的完整使用時(shí)間即所謂的濾芯使用壽命與使用率關(guān)系較為復(fù)雜,并未有明顯的線性關(guān)系．同樣質(zhì)量流率下,A,B結(jié)構(gòu)的濾芯中心區(qū)域由于質(zhì)量流率過(guò)大會(huì)提早達(dá)到納垢極限,C結(jié)構(gòu)的使用壽命會(huì)較之A,B兩種提高15%,濾芯的使用率會(huì)由A結(jié)構(gòu)的76.70%和B結(jié)構(gòu)的77.66%提高至96.99%．因此得出C結(jié)構(gòu)可以明顯優(yōu)化空氣凈化器內(nèi)部流體的流動(dòng),從而會(huì)增加濾芯的使用壽命及使用效果．

2.4 優(yōu)化處理

對(duì)于C結(jié)構(gòu),進(jìn)一步通過(guò)模擬分析探討導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對(duì)于質(zhì)量流率均勻度以及濾芯使用率的影響．結(jié)合仿真結(jié)果和設(shè)計(jì)原則[15],假定濾芯結(jié)構(gòu)不變,對(duì)于入口導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的曲率半徑分別選取1 100 mm,1 200 mm,1 300 mm,1 400 mm,1 450 mm,1 500 mm,1 600 mm,1 700 mm,最終可得到以下質(zhì)量流率均方差與曲率半徑變化趨勢(shì)數(shù)據(jù),如表3.

表 3 不同曲率半徑下質(zhì)量流率方差Table 3 Variance of mass flow rate under different radius of curvature

由表3中數(shù)據(jù)可以知道,在前文中給出的相關(guān)條件下,入口導(dǎo)流結(jié)構(gòu)曲率半徑選取1 400 mm～1 500 mm時(shí)可以得到最佳的質(zhì)量流量均勻度．

4 結(jié) 論

文中研究了空氣凈化器不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)于流動(dòng)效果的影響,分別選用了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu),以及改進(jìn)后的兩種結(jié)構(gòu)．通過(guò)分析計(jì)算,對(duì)比質(zhì)量流率、流量均勻度、湍流性能、流體速度等參數(shù),來(lái)評(píng)價(jià)此三種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣性．

(1) 提出對(duì)空氣凈化器中流動(dòng)性能與濾芯使用性能的評(píng)估方法,通過(guò)把濾芯迎風(fēng)面分割成單元面并監(jiān)測(cè)其單元面的質(zhì)量流率與靜壓對(duì)濾芯的使用效果,并在內(nèi)部設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)所需參數(shù),對(duì)流體的流動(dòng)狀況進(jìn)行分析．運(yùn)用上述方法可以有效評(píng)估凈化器的使用性能．

(2) 提出新型濾芯結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)是在通過(guò)改變?yōu)V芯形狀下,在入口放置導(dǎo)流裝置以達(dá)成提高流量均勻度的目的,提高濾芯壽命與使用率,改進(jìn)了市面上的傳統(tǒng)凈化器結(jié)構(gòu)．從文中計(jì)算分析結(jié)果對(duì)比可以得出,傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致濾芯邊界區(qū)域利用率較低,使用壽命不高的情況．而在新型的結(jié)構(gòu)下,濾芯的邊界區(qū)域也得以有效利用,濾芯使用率提高了20.2%,而且在改進(jìn)結(jié)構(gòu)后并未影響到總的質(zhì)量流量．表明在入口處添加導(dǎo)流結(jié)構(gòu)與改進(jìn)濾芯為圓弧后,使用性能上將優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)．

參考文獻(xiàn)(References):

[1] HAO Z Y,JIA W X,FANG F.Virtual design and performance prediction of a silencing air cleaner used in an I.C.engine intake system[J].Journal of Zhejiang University-SCIENCE A,2005,6(10):1107-1114.

[2] 劉景成,張樹有,周智勇.板翅換熱器流道結(jié)構(gòu)改進(jìn)與流體流動(dòng)性能分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014,50(18):167-176.

LIU J C,ZHANG S Y,ZHOU Z Y.Analysis of channel structure improvement and its influence on fluid flow in plate-fin heat exchanger[J].Journal of Mechanical Engineering,2014,50(18):167-176.

[3] 朱廉潔,季振林.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾清器消聲特性研究[J].汽車工程,2008,30(3):260-263.

ZHU L J,JI Z L.A Study on the noise attenuation characteristics of air cleaner in automotive engine[J].Automotive Engineering,2008,30(3):260-263.

[4] 李佳,劉震濤,劉忠民,等.空氣濾清器流動(dòng)過(guò)程仿真與試驗(yàn)分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2012,46(2):327-322.

LI J,LIU Z T,LIU Z M,et al.Simulation and test of flow process in air filter[J].Journal of Zhejiang University(Engineering Science),2012,46(2):327-322.

[5] THOMAS D,PENICOT P,CONTAL P,et al.Clogging of fibrous filters by solid aerosol particles experimental and modelling study[J].Chemical Engineering Science,2001,56(11):3549-3561.

[6] 馮建永,張建春,張華,等.汽車空氣濾清器過(guò)濾用材料的結(jié)構(gòu)與性能及其新產(chǎn)品研發(fā)[J].紡織學(xué)報(bào),2013,34(6):58-66.

FENG J Y,ZHANG J C,ZHANG H,et al.Properties and new product development of automobile air filter filteration material[J].Journal of Textile Research,2013,34(6):58-66.

[7] 楊乾.基于AVR的多功能室內(nèi)空氣凈化器設(shè)計(jì)[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2015.

YANG Q.Design of multi-functional indoor air cleaner based on AVR[D].Hefei:Hefei University of Technology,2015.

[8] THINGB? S.Simulation of viscous flow around a circular cylinder with STAR-CCM+[D].Norway:Institutt for Marin Teknikk,2013.

[9] CG S.On nonlinear k-l and k-ε models of turbulence[J].Journal of Fluid Mechanics,1987,178:459-475.

[10] Fluent Inc.Fluent 6.3 User′s Guide[R].UAS:Lebanon,Fluent Inc,2003.

[11] CHEN D R,PUI D H,LIU B H.Optimization of pleated filter designs using a finite-element numerical model[J].Aerosol Science and Technology,1995,23(4):579-590.

[12] 鐘賢和,張力,伍成波.較大流量多支管流量分配實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,29(1):41-44.

ZHONG X H,ZHANG L,WU C B.Experiments and numerical simulation of flow distribution with larger flux in multibranch pipe[J].Journal of Chongqing University(Natural Science Edition),2006,29(1):41-44.

[13] TAO W Q,CHENG Y P,LEE T S.3D numerical simulation on fluid flow and heat transfer characteristics in multistage heat exchanger with slit fins[J].Heat and Mass Transfer,2007,44(1):125-136.

[14] 曹麗華,林阿強(qiáng),張巖,等.基于二次回歸正交試驗(yàn)的排汽缸導(dǎo)流環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2016,52(14):157-164.

CAO L H,LIN A Q,ZHANG Y,et al.Optimal design of flow guide in exhaust hood based on quadratic regression orthogonal methodology [J].Journal of Mechanical Engineering,2016,52(14):157-164.

[15] 劉聯(lián)鋆,郝志勇,劉遲.空氣濾清器流動(dòng)阻力與噪聲特性的仿真和優(yōu)化[J].汽車工程,2011,33(12):1092-1097.

LIU L Y,HAO Z Y,LIU C.Simulation and optimization of flow resistance and noise characteristics of air-cleaner[J].Automotive Engineering,2011,33(12):1092-1097.