基于軸流風(fēng)機(jī)的室內(nèi)通風(fēng)設(shè)計與數(shù)值模擬試驗(yàn)

夏侯炳 蔡茂華 申君 張明幫

摘? 要：為減少室內(nèi)新家具釋放的甲醛對人體的危害，了解軸流風(fēng)機(jī)通風(fēng)裝置對室內(nèi)甲醛濃度分布特征的影響，文章采用MRF動參考系模型方法研究了不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對室內(nèi)甲醛濃度的分布影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明：軸流風(fēng)機(jī)通風(fēng)裝置能有效降低室內(nèi)甲醛濃度，供電電源頻率50Hz時該裝置可將原室內(nèi)的甲醛濃度降低約75%;通過控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能有效調(diào)節(jié)室內(nèi)甲醛濃度的數(shù)值，軸流風(fēng)機(jī)的供電電源頻率與室內(nèi)甲醛濃度呈Cubic三次曲線方程關(guān)系。

關(guān)鍵詞：軸流風(fēng)機(jī);數(shù)值模擬;甲醛;室內(nèi)通風(fēng);x2檢驗(yàn)。

中圖分類號：TU834? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0015-02

1 概述

室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞與人的健康密切相關(guān)，甲醛作為潛在致癌物使其成為室內(nèi)空氣污染與否最重要的指標(biāo)之一，對其展開室內(nèi)的釋放與擴(kuò)散規(guī)律的研究顯得尤其重要。

目前有關(guān)室內(nèi)空氣污染氣體的通風(fēng)擴(kuò)散的研究主要以靜參考系模型為主[1-2]，本文采用動參考MRF模型結(jié)合組分傳輸模型的方法，以軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速作為仿真的初始條件精確模擬研究軸流風(fēng)機(jī)以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時室內(nèi)甲醛濃度的變化規(guī)律。

2 研究方法

本文的研究方法主要是利用MRF動參考系模型模擬軸流風(fēng)機(jī)的抽風(fēng)排氣，利用組分傳輸模型模擬室內(nèi)家具的甲醛釋放，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的不同轉(zhuǎn)速作為MRF仿真的初始值，從而仿真計算出室內(nèi)甲醛對應(yīng)的濃度，最后利用spss統(tǒng)計分析方法擬合出室內(nèi)甲醛濃度與風(fēng)機(jī)供電電源頻率的函數(shù)關(guān)系。

3 模型的建立

選擇典型的某辦公室，其長寬高尺寸為6.5m*3.6m*2.6m，室內(nèi)主要擺放了新購置的6張辦公桌，其長寬高尺寸為1.6m*0.7m*0.8m，辦公室的前面和側(cè)面分別有3個0.6m*0.8m的窗戶，現(xiàn)模擬辦公室的頂部安裝有軸流風(fēng)機(jī)，其中風(fēng)扇結(jié)構(gòu)尺寸為：輪轂直徑：20cm;葉片長：11.45cm;葉寬度：8.25cm;葉片安裝角：31°;葉片數(shù)：9;風(fēng)機(jī)出口的直徑為45cm。以辦公室的中心點(diǎn)為原點(diǎn)，沿長度方向?yàn)閤軸，寬度方向?yàn)閥軸，豎直方向?yàn)閦軸，建立幾何模型及網(wǎng)格劃分。

邊界條件設(shè)置：窗口設(shè)為壓力入口pressure inlet，風(fēng)機(jī)出口設(shè)為壓力出口pressure outlet;所有家具表面設(shè)定為mass flow inlet，墻壁設(shè)為wall。在進(jìn)行數(shù)值模擬計算中，進(jìn)行了如下假設(shè)：（1）室內(nèi)的污染物只有甲醛，無其他污染

物;（2）家具的材料組成均勻，甲醛按恒定的速率釋放;（3）室內(nèi)空氣及甲醛的物理性質(zhì)為定值，且不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。（4）室外新風(fēng)不含污染物。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 樣本的風(fēng)速矢量分析

風(fēng)機(jī)在工頻50Hz運(yùn)行時辦公室內(nèi)部的風(fēng)速矢量圖見圖1。由圖1a可以看出，風(fēng)機(jī)扇葉周邊的氣流速度很大，高速的氣流與扇葉及風(fēng)機(jī)內(nèi)部壁面間的摩擦將產(chǎn)生一定的噪音。由圖1b可以看出，即使風(fēng)機(jī)在工頻50Hz運(yùn)行的情況下，室內(nèi)的氣流能總體保持平穩(wěn)和低速運(yùn)行，而軸流風(fēng)機(jī)出口處的風(fēng)速則相對較大，符合軸流風(fēng)機(jī)實(shí)際抽風(fēng)排風(fēng)運(yùn)行特點(diǎn)。由圖1c可以看出，在軸流風(fēng)機(jī)的帶動下，辦公室內(nèi)部的氣流得到了較好的交換，所產(chǎn)生的若干個回旋氣流最終流向風(fēng)機(jī)出口方向，越接近風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速的矢量越大。

4.2 樣本截面的甲醛濃度分布分析

圖2為軸流風(fēng)機(jī)在0Hz（不運(yùn)轉(zhuǎn)）及工頻50Hz（運(yùn)轉(zhuǎn)）時辦公室x=0cm截面的甲醛濃度分布圖，由圖2可以看出，風(fēng)機(jī)工頻50Hz運(yùn)轉(zhuǎn)時x=0cm截面的甲醛濃度明顯低于風(fēng)機(jī)在0Hz（不運(yùn)轉(zhuǎn)）的甲醛濃度，并且風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時在辦公桌的上方（人活動時及坐下時的主要呼吸區(qū)域）的甲醛濃度顯著降低，而甲醛濃度相對高的區(qū)域主要集中在辦公桌的下方，可見風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能有效地降低辦公室甲醛濃度，并實(shí)現(xiàn)甲醛在辦公室內(nèi)的分布更符合期待的分布效果。

將風(fēng)機(jī)在不同的電源頻率下運(yùn)行的實(shí)際轉(zhuǎn)速作為仿真的初始值，經(jīng)計算，對應(yīng)不同的電源頻率下辦公室內(nèi)甲醛濃度均值如表1所示。f為經(jīng)變頻器輸出的電源頻率，nm為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，H表示辦公室內(nèi)的甲醛濃度均值。

由表1可知，軸流風(fēng)機(jī)的供電頻率分別為0Hz及50Hz時，室內(nèi)的甲醛濃度H值分別為0.028mg/m3及0.114mg/m3，可見工頻50Hz下軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行可將室內(nèi)甲醛濃度降低約75%。當(dāng)f在30～50Hz區(qū)間調(diào)整時，H值在0.026～0.028mg/m3的區(qū)間波動;而當(dāng)f<30Hz時，H值>0.03mg/m3;隨著f值的不斷減少，H值呈波動式增加趨勢?？梢?，控制f為30Hz時，可較理想地將室內(nèi)的甲醛濃度控制在較低值的水平，當(dāng)f<30Hz時，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（即調(diào)整電源頻率），可有效調(diào)整室內(nèi)的甲醛的濃度。

利用spss軟件進(jìn)行曲線擬合得F=208.977，sig.=0.0000，說明回歸系數(shù)顯著，結(jié)果顯示風(fēng)機(jī)的電源頻率與室內(nèi)甲醛濃度呈Cubic三次曲線方程式關(guān)系，擬合方程為：y=0.110347-0.007737x+0.000232x2-0.000002x3。

5 結(jié)論

利用數(shù)值仿真計算的方法，對原有的辦公室進(jìn)行加裝軸流風(fēng)機(jī)通風(fēng)裝置并建模，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的電源供電頻率，進(jìn)行了辦公室甲醛濃度分布規(guī)律的數(shù)值模擬與分析。

（1）通過控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能有效調(diào)節(jié)室內(nèi)甲醛濃度的數(shù)值，安裝該裝置后原室內(nèi)的甲醛濃度降低約75%（供電電源頻率為工頻50Hz時）。

（2）利用spss進(jìn)行曲線擬合的方法，得出風(fēng)機(jī)電源供電頻率與室內(nèi)甲醛濃度的函數(shù)關(guān)系，函數(shù)方程式可表示為：y=0.110347-0.007737x+0.000232x2-0.000002x3，為進(jìn)一步精準(zhǔn)控制室內(nèi)甲醛濃度提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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