車內(nèi)甲醛濃度及其動態(tài)分布數(shù)值仿真分析

何莉萍 ，辛宇航 ，夏凡 ，楊金 ，原江鑫

（1.湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410082；2.湖南大學 機械與運載工程學院，湖南 長沙 410082）

車內(nèi)空間小且構成復雜，是一種特殊的室內(nèi)微環(huán)境.相關數(shù)據(jù)顯示，人們一天待在車內(nèi)的時間長達115 min［1］.汽車內(nèi)飾零部件會散發(fā)揮發(fā)性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs），這些污染物通過呼吸系統(tǒng)進入人體，從而對乘員健康安全產(chǎn)生威脅.在以往的車內(nèi)氣體污染物相關研究中，主要是通過實驗測試方法分析靜態(tài)下整車檢測點甲醛、三苯的質量濃度及其影響因素［2-4］.其中甲醛因高致病率和高致癌性，成為各國環(huán)境組織重點關注的污染物之一.為此，相關研究機構與學者開展了大量與室內(nèi)及車內(nèi)甲醛質量濃度相關的研究［5］.張燁［6］提出了基于氣相色譜儀的室內(nèi)甲醛質量濃度檢測方法，結果表明，氣相色譜法具有較高的靈敏性以及更加高效等特點；Reddam 等［7］測試了靜態(tài)條件下整車檢測點的甲醛質量濃度，并評估了甲醛對乘員致癌的風險.這些研究主要是針對甲醛質量濃度的測試分析方法以及靜態(tài)模式下甲醛對人體健康的影響.

采用實驗方法檢測車內(nèi)甲醛質量濃度的時間較長、成本較高，并且測試分析車內(nèi)甲醛分布的難度大.數(shù)值仿真為模擬復雜問題和預測車內(nèi)揮發(fā)性有機污染物的質量濃度及分布提供了有效手段［8-9］.為此，一些學者基于計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）理論開展了高速列車、客車等車廂內(nèi)VOCs 質量濃度及其分布研究.張倍瑜［10］基于CFD 原理，采用Fluent 軟件對高速列車車廂內(nèi)苯、甲苯的質量濃度與分布進行了仿真分析，研究高速列車車廂內(nèi)苯、甲苯散發(fā)位置以及散發(fā)速率對乘員呼吸界面上苯、甲苯分布的影響，結果表明，地板對乘員呼吸界面上苯、甲苯質量濃度分布影響最為顯著，地板和頂板對列車車廂內(nèi)苯、甲苯的質量濃度影響隨有機揮發(fā)物散發(fā)速率的變化呈非線性變化；Qin等［11］分析了長途客車車廂內(nèi)的空氣流速及其對車廂內(nèi)甲醛質量濃度分布的影響.然而，乘用車與客車、高速列車的結構、尺寸大小不同，其內(nèi)部零部件種類、數(shù)量和布局也完全不同.因此，開展乘用車內(nèi)甲醛氣體的動態(tài)研究顯得十分重要.Tong 等［12］基于CFD理論，模擬靜態(tài)下太陽輻射時乘用車內(nèi)TVOC的空間分布特征，發(fā)現(xiàn)儀表板以及后置物臺附近區(qū)域的TVOC 質量濃度高于其他區(qū)域.Rodak 等［13］采用Fluent 軟件模擬乘用車前/側窗通風口、儀表板通風口以及駕駛員腳部通風口單獨工作時車內(nèi)正戊烷和甲苯質量濃度分布特征.針對高污染、高危害的甲醛在乘用車內(nèi)通風條件下的動態(tài)分布特征及規(guī)律的研究相對缺乏，亟待開展相關研究，有針對性地改進乘用車構造相關設計（如通風口位置設計、零部件材料的遴選等），以提高乘用車內(nèi)空氣質量.

本文依據(jù)CFD 理論，采用Fluent 軟件建立了車內(nèi)甲醛濃度及其分布仿真模型，并驗證其有效性及可靠性.在此基礎上，以溫度、通風速率以及通風模式等因素為變量，基于車內(nèi)空氣流場分析率先研究了乘用車內(nèi)重要污染物甲醛質量濃度分布及其動態(tài)變化規(guī)律，首次系統(tǒng)研究了溫度、通風速率和通風模式對駕駛員、乘員呼吸關鍵點位（與人體健康密切相關）甲醛質量濃度分布及其變化規(guī)律，為進一步開展降低車內(nèi)甲醛質量濃度的整車綠色正向設計提供依據(jù).

1 模型建立及可靠性驗證

1.1 幾何模型

采用CATIA 軟件建立與某車型對應的乘用車空氣域幾何模型，以便后續(xù)開展相應的實驗驗證.其空氣域尺寸為2.50 m×1.25 m×1.10 m，如圖1（a）所示.為便于仿真計算，對車內(nèi)空氣域幾何模型進行簡化，不設置門窗.計算域網(wǎng)格數(shù)量為761 806，如圖1（b）所示.

圖1 車內(nèi)空氣域幾何模型與網(wǎng)格劃分Fig.1 Geometric model and meshing of the car

1.2 數(shù)學模型

本文基于CFD理論，構建乘用車車內(nèi)VOCs濃度及分布仿真模型，并基于能量守恒定律開展數(shù)值模擬仿真分析；由于車內(nèi)空氣流動狀態(tài)屬于湍流，所以模擬仿真中選用標準k-epsilon 方程作為控制方程；車內(nèi)甲醛的擴散采用組分運輸方程［14］.數(shù)學模型從略.

1.3 仿真邊界條件

徐永新等［15］研究結果指出：車內(nèi)甲醛主要來源于汽車座椅、地毯以及頂棚.因此，本文仿真作如下假設：①車內(nèi)甲醛污染主要來自座椅、地毯和頂棚，設置座椅、地毯和頂棚的平面為甲醛散發(fā)源頭；②車內(nèi)混合空氣是理想的不可壓縮氣體；③空氣中甲醛質量濃度為0.

本文通過某款汽車的鼓風機功率參數(shù)，得到4個擋位下的通風速率.其中，送風量的計算公式如下：

式中：Q為送風量，m3/h；P為鼓風機功率，kW；η0為風機內(nèi)效率；η1為機械效率；p為風機全風壓，本文取1 000 Pa［16］.通風速率是送風量與通風口面積的比值.基于對應車型鼓風機功率、風機內(nèi)效率、機械效率和通風面積計算獲得的不同擋位下的送風量和通風速率，如表1所示.

表1 不同擋位下的送風量和通風速率Tab.1 Air supply volume and ventilation rate at different gears

計算最低擋位的通風速率為0.5 m/s，最高擋位的通風速率為4.0 m/s.將其大致按等差數(shù)列分為4個擋位，分別為0.5 m/s、1.6 m/s、2.8 m/s、4.0 m/s，將其設置為仿真邊界條件中的不同通風速率.

為了確定仿真邊界條件中各零部件的甲醛散發(fā)速率，本文依據(jù)公式（2）和公式（3），以文獻［15］中各零部件散發(fā)甲醛的濃度值Ci作為數(shù)據(jù)（i=1，2，3，代表零部件種類），求出各零部件散發(fā)甲醛的平均散發(fā)速率vi，其中：

式中：Mi為時間t內(nèi)第i個零部件散發(fā)甲醛的總質量；Ci為第i個零部件散發(fā)甲醛的濃度值；V為采樣袋體積；vi為第i個零部件散發(fā)甲醛的平均散發(fā)速率；t為散發(fā)時間.以25 ℃條件下座椅的甲醛散發(fā)速率計算為例.

邊界條件設置如表2 所示.依據(jù)實車通風模式設置，本文設置如圖2 所示的不同通風口，不同通風模式是不同通風口的組合，如表3所示.

表2 邊界條件Tab.2 Boundary conditions

表3 通風模式設置Tab.3 Ventilation modes setting

圖2 通風口位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of ventilation locations

模式1 為儀表板兩側通風口2、中控臺后方通風口3 以及駕駛員腳部通風口5 開啟；模式2 為儀表板兩側通風口2、中控臺后方通風口3、后排B柱通風口4 以及駕駛員腳部通風口5 開啟；模式3 為儀表板中間及兩側通風口1 和2、中控臺后方通風口3 以及駕駛員腳部通風口5開啟.

本文為研究車內(nèi)甲醛質量濃度及其動態(tài)分布，將駕乘人員呼吸位置與人體健康密切相關的位置作為研究的關鍵點位，整車檢測點為國家標準檢測位置［17］.本文設置兩個特征截面，其中橫截面包含3 個采樣點的駕乘人員呼吸平面，垂直面為駕駛員側部截面.截面、采樣點和采樣線的位置示意圖如圖3 所示.截面、采樣點、采樣線的坐標如表4所示.

表4 截面、采樣點、采樣線的坐標Tab.4 Coordinates of sampling point，line and section

圖3 截面、采樣點及采樣線的位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of location of cross-section，sampling points，and sampling lines

1.4 模型可靠性驗證

為驗證本文建立的車內(nèi)VOCs 濃度及其分布仿真模型的有效性和可靠性，采用Fluent 軟件開展了乘用車內(nèi)整車檢測點甲醛、乙醛、甲苯及乙苯質量濃度的仿真分析，仿真邊界條件設置與德國PV3938 標準［18］實驗條件一致：環(huán)境溫度為65 ℃，保持整車靜止狀態(tài)，即通風速率為0.驗證仿真的參數(shù)設置如表5所示.

表5 驗證仿真的參數(shù)設置Tab.5 Parameter setting of the simulation for verification

文獻［15］中的實驗采用德國PV3938 標準，對整車檢測點VOCs各組分質量濃度進行測試，具體實驗步驟如下：①將整車靜止、密閉地放置在恒溫恒濕標準測試環(huán)境中；②使用紅外燈同時照射車內(nèi)不同部位使其表面溫度達到65 ℃；③封閉16 h 后采集車內(nèi)整車檢測點各VOCs 組分樣品.采樣設置示意圖如圖4所示.

圖4 采樣設置示意圖Fig.4 Sampling setting diagram

為了驗證仿真分析，本文將仿真結果與文獻［15］中測試的車內(nèi)甲醛、乙醛、甲苯以及乙苯質量濃度實驗結果進行對比，如圖5所示.

圖5 整車檢測點VOCs質量濃度仿真值與實驗值對比Fig.5 Simulation result of VOCs concentration at vehicle detection point compared with the experimental result

由圖5 可見，整車檢測點甲醛、乙醛、甲苯以及乙苯的實驗值和仿真值誤差均小于6.00%，其中甲醛質量濃度誤差為5.33%，乙醛質量濃度誤差為4.58%，甲苯質量濃度誤差為5.11%，乙苯質量濃度誤差為2.70%，說明本研究構建的仿真模型具有一定的有效性和可靠性，可用于后續(xù)整車各關鍵位置甲醛質量濃度的相關仿真分析.

2 結果與討論

2.1 溫度對車內(nèi)甲醛濃度及分布的影響

相關研究表明，車內(nèi)溫度對甲醛質量濃度的影響效果最明顯［19-20］.本文在通風速率為1.6 m/s 和通風模式3 的條件下，研究在25 ℃和65 ℃ 2 種不同溫度下，甲醛的質量濃度及分布特征.不同溫度下車內(nèi)甲醛濃度及分布云圖如圖6 所示，其中不同顏色代表的甲醛濃度不同，如表6所示.

表6 圖6中不同顏色代表的甲醛濃度值Tab.6 Formaldehyde concentration represented by different colors in the diagram 6

圖6 不同溫度下車內(nèi)甲醛濃度及分布云圖Fig.6 Cloud diagram of formaldehyde concentration and distribution in car at different temperatures

由圖6與表6可知，65 ℃時車內(nèi)各區(qū)域甲醛質量濃度平均比25 ℃時甲醛質量濃度高出1 個數(shù)量級.相比25 ℃，65 ℃時車內(nèi)甲醛高濃度區(qū)域呈擴大趨勢，且車內(nèi)甲醛質量濃度分布更加均勻，這主要是由于高溫加快了車內(nèi)零部件甲醛散發(fā)，在通風條件不變的情況下，車內(nèi)甲醛積累速度越快，從而造成車內(nèi)嚴重的甲醛污染.因此，要重點控制車內(nèi)溫度，防止車內(nèi)高溫的出現(xiàn).

2.2 通風速率對車內(nèi)甲醛濃度及分布的影響

2.2.1 不同通風速率下整車空氣流場及甲醛分布

本研究在25 ℃和通風模式3 條件下，探究不同通風速率對車內(nèi)甲醛質量濃度及分布的影響.車內(nèi)通風速率的差異對空氣流場及甲醛質量濃度分布云圖的影響不大.因此，以通風速率1.6 m/s 為例，整車空氣流場及車內(nèi)甲醛濃度分布云圖如圖7 所示.不同顏色代表的甲醛濃度值如表7所示.

表7 圖7中不同顏色代表的甲醛濃度值Tab.7 Formaldehyde concentration represented by different colors in the diagram 7

圖7 整車空氣流場及車內(nèi)甲醛濃度分布云圖（v=1.6 m/s）Fig.7 Cloud diagram of formaldehyde concentration and air flow in a car（v=1.6 m/s）

從圖7以及表7可以看出，整車空氣流場中存在渦旋，從而對車內(nèi)VOCs 的質量濃度分布產(chǎn)生影響，具體影響效果見后述.在通風速率1.6 m/s 以及通風模式3 的條件下，車內(nèi)頂部區(qū)域的甲醛質量濃度遠低于底部區(qū)域，特別是后排座椅表面甲醛質量濃度最高，高于頂部區(qū)域甲醛質量濃度5 個數(shù)量級.并且后排座椅空間甲醛濃度比前排座椅空間高.

2.2.2 不同通風速率下橫截面甲醛分布及空氣流場

為探究通風速率對車內(nèi)甲醛質量濃度分布的影響，以y=0（中控臺上方）處的甲醛質量濃度作為基準，分析典型采樣線上甲醛質量濃度分布及變化趨勢，如圖8所示.

圖8 不同通風速率下采樣線1和采樣線2甲醛質量濃度分布及變化趨勢Fig.8 Distribution and variation trend of formaldehyde concentration on sampling line 1 and 2 under different ventilation rates

從圖8 可以發(fā)現(xiàn)，前排乘員呼吸位置連線的甲醛質量濃度分布較為均勻，由于渦旋影響，后排乘員呼吸位置連線中間區(qū)域的甲醛質量濃度低于靠近后排車門處的甲醛質量濃度.在不同通風速率條件下，甲醛質量濃度分布變化趨勢不同，當通風速率低于1.6 m/s時，采樣線1沿著y軸方向的甲醛質量濃度分布呈“雙曲線”型；當通風速率大于1.6 m/s時，其分布逐漸變?yōu)椤榜劮濉毙?，即前排座椅正前方的甲醛質量濃度高于中控臺上方甲醛質量濃度.而采樣線2 沿著y軸方向的甲醛質量濃度分布始終呈“雙曲線”型，這是因為前排座椅前方以及后排空間靠近車門處存在渦旋，見圖7（a）和圖9，通風速率越大，渦旋中的甲醛越難排出，從而導致此區(qū)域甲醛質量濃度升高.因此，在未來汽車通風系統(tǒng)設計時，應增加后排靠近車門處的通風，以減少后排乘員呼吸位置甲醛污染.

圖9 橫截面空氣流場Fig.9 Air flow of horizontal plane

2.2.3 不同通風速率下垂直面甲醛分布及空氣流場

以x=1（駕駛員呼吸位置）處的甲醛質量濃度作為基準，分析采樣線3 上甲醛質量濃度分布及變化趨勢，如圖10所示.

圖10 不同通風速率下采樣線3甲醛質量濃度分布及變化趨勢Fig.10 Distribution and variation trend of formaldehyde concentration on sampling line 3 under different ventilation rates

由圖10 可知，前、后排的甲醛分布特征存在明顯差異.前排區(qū)域的甲醛質量濃度沿著x軸方向呈先升高后降低的趨勢，而后排區(qū)域的甲醛質量濃度沿著x軸方向呈先降低后升高的趨勢.隨著通風速率增大，前排區(qū)域甲醛質量濃度逐漸升高，且甲醛質量濃度最高點逐步向車頭方向移動.前排座椅后方的甲醛質量濃度相比座椅前方高，這是由于前排座椅的阻礙，導致前排座椅后方的氣流強度不大，并且前排座椅后方也存在氣流渦旋，從而導致該區(qū)域的甲醛堆積，如圖11所示.

圖11 垂直面空氣流場Fig.11 Air flow of vertical plane

為探究通風速率對駕乘人員呼吸位置甲醛質量濃度變化的影響，以0.5 m/s 時各采樣點甲醛質量濃度為基準，分析不同通風速率下各采樣點甲醛質量濃度變化曲線.

從圖12 可以明顯看出，隨著通風速率增加，不同采樣點甲醛質量濃度變化趨勢不同.駕駛員呼吸位置的甲醛質量濃度隨通風速率增加而增加，當通風速率≤1.6 m/s時增長速率為16.5%，通風速率＞1.6 m/s后增長速率下降為3.6%；整車檢測點的甲醛質量濃度隨通風速率增加呈線性增長，增長率約為10.8%；后排乘員呼吸位置的甲醛質量濃度隨通風速率的增大幾乎以11.9%的下降率降低.當通風速率從0.5 m/s增加至1.6 m/s 時，駕駛員呼吸位置以及后排乘員呼吸位置甲醛質量濃度變化較大；而當通風速率大于1.6 m/s 時，甲醛質量濃度隨通風速率的增大變化相對不明顯.

圖12 不同通風速率下各采樣點甲醛質量濃度變化曲線Fig.12 Curves of formaldehyde concentration at sampling point under different ventilation rates

2.3 通風模式對車內(nèi)甲醛濃度及分布的影響

在25 ℃、通風速率1.6 m/s 條件下，探究不同通風模式對車內(nèi)甲醛質量濃度及分布的影響.圖13 為不同通風模式下車內(nèi)甲醛濃度及分布云圖，圖中不同顏色代表的甲醛濃度值參照表7.

圖13 不同通風模式下車內(nèi)甲醛濃度及分布云圖Fig.13 Cloud diagrams of formaldehyde concentration and distribution in car under different ventilation modes

由圖13 可知，在通風速率1.6 m/s 的條件下，與通風模式1 相比，通風模式2 與通風模式3 時車內(nèi)后排空間甲醛質量濃度有略微降低，通風模式2 時中控臺上方甲醛質量濃度明顯降低，從5.91 μg/m3降至3.66 μg/m3，降低了38.1%；通風模式3 時前排空間靠近前排座椅區(qū)域的甲醛質量濃度大幅降低，從10.17 μg/m3降至6.36 μg/m3，降低了37.5%.表明儀表板中間部分通風口對降低駕駛員呼吸位置的甲醛污染有很大作用；在B 柱上設置后排空間通風口能夠有效減少后排乘員呼吸位置以及整車檢測點位置的甲醛污染.

3 結論

1）溫度對車內(nèi)甲醛質量濃度影響顯著.65 ℃時車內(nèi)各區(qū)域甲醛質量濃度平均比25 ℃時甲醛質量濃度高出1 個數(shù)量級，且車內(nèi)甲醛高質量濃度區(qū)域呈擴大趨勢.因此控制車內(nèi)溫度，防止車內(nèi)高溫是降低車內(nèi)甲醛污染物質量濃度的有效途徑.

2）在通風條件下，前排空間甲醛質量濃度低于后排空間，后排空間甲醛質量濃度呈中間低、邊緣高的特征.因此需要加強后排空間通風，尤其是靠近后排車門區(qū)域，增加空調送風量，將有助于減少后排乘員呼吸位置的甲醛污染，保障乘員健康.

3）不同通風速率條件下，車內(nèi)甲醛質量濃度由于渦旋流場而呈現(xiàn)“雙曲線”和“駝峰”型不同分布特征.當通風速率低于1.6 m/s 時，前排駕乘人員呼吸位置連線沿著y軸方向的甲醛質量濃度分布呈“雙曲線”型；當通風速率大于1.6 m/s 時，其分布逐漸轉變?yōu)椤榜劮濉毙?，即前排座椅正前方的甲醛質量濃度高于中控臺上方甲醛質量濃度.而后排駕乘人員呼吸位置連線沿著y軸方向的甲醛質量濃度分布始終呈“雙曲線”型.

4）通風口設置位置對車內(nèi)甲醛質量濃度影響較大.通風模式2 時中控臺上方甲醛質量濃度明顯降低，從5.91 μg/m3降至3.66 μg/m3，降低了38.1%；通風模式3 時前排空間靠近前排座椅區(qū)域的甲醛質量濃度大幅降低，從10.17 μg/m3降至6.36 μg/m3，降低了37.5%.表明儀表板中間部分通風口對降低駕駛員呼吸位置的甲醛污染有很大作用，而在B 柱上設置后排通風口能夠有效減少后排乘員呼吸位置以及整車檢測點的甲醛污染.

該研究可望為降低車內(nèi)微環(huán)境污染物質量濃度和控制其分布提供解決方案，為提升車內(nèi)空氣質量提供理論依據(jù).