空气净化器的流场模拟与模型优化

刘薇娜，刘 亮，王国庆

（1.长春理工大学机电工程学院，吉林 长春 130022；
2.长春铂安科技发展有限公司，吉林 长春 130000）

空气净化主要是吸收空气中的有机气体、灰尘与细菌等有害物质这一过程。随着人们对生活空气质量的要求逐步提升，空气净化也从简单的工业有害气体净化向家居方向延伸[1]。它经历了物理吸附、化学吸收、生物降解等一系列过程的升级。在1996年光催化剂的研发与应用，使空气净化机具备了除菌、除臭的功能，也由单个目标的过滤处理向多方面综合化的方向发展[2]。现阶段大多数空气净化机研发的着重点是净化材料的试验研究、开发以及净化剂性能的改善，对空气净化机系统内部气流组织的分析比较少。为了使空气净化效率提升，文献[3-4]采用新的净化机理对空气净化机进行优化设计与性能开发。文献[5-6]运用CFD模拟空气净化过程，从流体力学的角度对系统整体进行分析，但是未考虑系统内部流场的影响。

这里针对以上不足，提出一种新型的净化机理组合，对系统内部流场着重进行研究，分析滤网与进出口尺寸、形状等参数对系统内部空气流动和净化效率的影响。

2.1 净化机理

试验采用的是一种新型除臭杀菌净化装置组合，包括初效滤网、活性炭滤网、光触媒滤网、UV灯管，所有的过滤网均固定在框架上，且框架上均设置有安装腔，安装腔上固定过滤网主体。光触媒滤网上的介质为纳米硅藻矿晶与二氧化钛，光触媒滤网外侧安装有两组滤网，过滤网之间填充活性炭颗粒，进风口处安装初效过滤网。

净化机理，如图1所示。初效滤网将空气中的大颗粒杂质、昆虫等有效地阻挡在外部，避免杂质将过滤网堵塞，并降低滤网的损耗。活性炭滤网将气体进行预过滤的净化处理，预先对气体中的细小杂质与异味进行吸收处理，避免光触媒滤网因为灰尘覆盖从而净化性能下降，提升系统整体的净化性能，保证了内部空气流动的畅通性，延长净化装置的使用周期[7-9]。与现有技术相比有益效果是：污染气体经过光触媒网，利用硅藻纯对有害气体的吸附能力将其吸附进来，再经过UV灯管的照射，利用光催化反应将有害气体进行降解，避免了传统吸附剂的吸附饱以及产生二次污染的现象，实现纯天然、无污染、无耗材的除臭净化机理。

图1 净化机理流程图Fig.1 Flow Chart of Purification Mechanism

2.2 滤材的阻力特性

本实验中过滤网可以简化为简单均匀的多孔介质，采用如下所示的数学模型：

式中：a—多孔介质的渗透性；
C2—惯性阻力系数。

D和C定义为由1/a和C2为对角单元的对角矩阵。其中，1/a可以定义为粘性阻力系数。

利用经验公式，根据风速与压降的数据计算1/a和C2，进行滤网的通风试验，可以得到滤网的风速与压降试验数据，采用插值法可以求出1/a和C2。

三个滤网的风速与压降试验数据，如图2所示。拟合曲线方程如下：

初效滤网拟合曲线方程：

活性炭滤网拟合曲线方程：

光触媒网拟合曲线方程：

式（3）～式（5）等价于式（2），由此可以得出粘性阻力系数1/a与惯性阻力系数C2。

确定滤网的阻力特性：初效滤网粘性阻力系数1/a=2.59*108，惯性阻力系数C2=713.4；
活性炭滤网粘性阻力系数1/a=3.2*108，惯性阻力系数C2=203113；
光触媒滤网粘性阻力系数1/a=2.2*106，惯性阻力系数C2=112.8。

3.1 数学方程与模型

采用FLUENT软件进行数据仿真处理，选取质量守恒，动量守恒、能量守恒方程与K-e 模型对净化系统内部的气流组织进行描[12]。

质量守恒方程式所有流体分析问题都必须满足的：

动量守恒方程是以牛顿第二定律为基础，分别表示在x、y、z方向的动量方程，下面以x方向为例：

能量守恒方程是存在热能交换的流体满足的基本定律：

式中：ST—黏度耗散项；
K—物体的表面热传导系数，W/（m2·K）；
ρ—流体的密度，kg/m3；
C—流体的比热容，J/（kg·K）。

空气净化系统中的气流组织为三维空间内的湍流，所选取的模型即为k-e湍流模型：

空气净化系统中的气流组织为三维空间内的湍流，fluent软件中所选取的模型即为k-e湍流模型：

3.2 几何模型与边界条件

空气净化系统内部结构比较复杂，在建立几何模型时将其简化。空气气流为不可压缩气体，系统内部密封性能良好，不存在漏气的可能性，系统在常温下进行工作，不涉及热传导的问题，入口处的气流速度均匀。采用CATIA 软件进行几何建模，主风道尺寸：（300×800×450）mm，初效滤网与光触媒滤网模拟为厚度10mm的多孔介质，活性炭滤网模拟为厚度25mm的多孔介质，机身材质为1.2mm厚的镀锌铁皮，进出口的尺寸大小与形状选取相同，ICEM绘制的网格模型，如图3所示。

图3 网格模型Fig.3 Grid Model

本实验是模拟空气净化机净化臭气的过程，臭气作为一种嗅觉感官公害。自然环境中存在是化合物有200多万种，其中，1/5的化合物具有刺激气味，大约1万种化合物为具有恶臭性气味[10]。到目前为止，约有4000多种恶臭物质在人类的嗅觉阀值内，可以通过嗅觉感知[11]。比较有代表性的恶臭物质分类与性质，如表1所示。基于臭气本身种类繁多和实验条件限制，所以选取比较有代表性的硫化氢气体作为目标气体。边界条件的设置，如表2所示。

表1 恶臭物质分类与性质Tab.1 Classification and Properties of Malodorous Substances

表2 边界条件设置Tab.2 Setting of Boundary Conditions

CFD仿真模拟的气流速度方向与分析截面方向相同，选取Y=50mm、Y=150mm、Y=250mm的截面数据，在流量340m3/h的工况下，可以得出速度矢量图与压力云图，进而分析气流在系统内部的流动情况和硫化氢气体的净化效率。

4.1 速度场分析

圆形进出口直径ϕ160mm至ϕ260mm在Y=150mm截面的速度矢量图，如图4所示。

图4 圆形进出口速度矢量图Fig.4 Vector Diagram of Circular Inlet and Outlet Velocity

矩形进出口截面尺寸（142×142）mm 至（230×230）mm 在Y=150mm 的速度矢量图，如图5 所示。同理得到Y=50mm、Y=250mm截面的速度矢量图。

图5 矩形进出口速度矢量图Fig.5 Rectangular Inlet and Outlet Velocity Vector Diagram

在相同的流量下，风道入口的风速度随着进气口直径的变大逐渐变小。

在Y=150mm截面上，气流经过初效滤网后流速有着较明显的变小，在初效滤网前产生涡流，涡流区域气体流速较小且变化不大，气流在系统内部区域的流速变化较小，这是由于多孔介质对气流的阻碍作用。

在主风道中心截面Y=150mm上流速变化较大，在Y=50mm与Y=250mm的截面上气流组织经过多孔介质前后的速度变化较小，这是滤网前产生的涡流现象导致气体流速在X方向的分量变小，从而导致主风道中心区域流速变化大，边缘区域流速变化小。

圆形进出口与矩形进出口的速度曲线，如图6所示，通过对比，二者的气流组织流动趋势比较相似，在进气口与出气口处流速变化较大。

图6 速度曲线图Fig.6 Speed Curve

矩形进出口的模型在X=100、X=300、X=325、X=350 处流速明显增大，这是由于滤网的阻碍作用和涡流现象所导致的。相比较而言，气流在圆形进出口的模型内部流动比较稳定。

出气口气流呈层流状分布，出口流速与入口流度相比较有明显的增大，在流速场中达到最大，这是由于气流的叠加效应所导致的。对比图5和图6可以看出，矩形出气口的气流叠加效应更加明显。

4.2 压力场分析

圆形进气口的压力云图，如图7所示。同理可以获取矩形进出口的压力云图。图7中可以看出主风道内部的压力分布，空气经过滤网时，其压降变化与气流速度成幂函数增长，即流速越快，压降变化越大。

图7 压力云图Fig.7 Pressure Cloud Diagram

对比图6（a）～图6（f），只有在初效滤网处的压降变化较大，而活性炭滤网与光触媒滤网处的压降变化较小。

气流在经过初效滤网时，多孔介质的阻碍作用，导致气流速度急剧下降，而主风道内部存在四层多滤网，风道内部阻抗较大，由滤网的通风实验可知，风速较小的情况下，压降也随之减小，所以主风道内部的气流速度波动较小。

由此可知，初效滤网的阻力特性系数对净化系统的阻力影响最大。

4.3 压降与净化率分析

圆形进出口与矩形进出口的压降随进出口尺寸变化，如图8所示。随着尺寸的增大，系统压降均呈递减的趋势。

图8 系统压降图Fig.8 System Pressure Drop Diagram

在截面积为小于41000mm2时，矩形进出口的压降大于圆形进出口，当进出口截面面积大于41000mm2时，矩形进出口的压降明显小于圆形进出口。因为随着进出口尺寸的增大，矩形进出口能更好的覆盖主风道截面，使主风道的流动阻力变小，气流的流通性更好。

出口的硫化氢含量，可以发现在系统流量一定的状态下，硫化氢含量随着进气口尺寸的增大而减小，这是因为滤网的吸收效率与气流速度有关，流速越慢，吸收效率越高，如图9所示。

图9 出口硫化氢含量Fig.9 Hydrogen Sulfide Content at Export

当流量一定时，随着进出口尺寸的增大，风道入口气流速度减小，活性炭滤网与光触媒滤网净化硫化氢的能力也越强。

从图9中可以看出，圆形出气口的硫化氢含量明显低于矩形出气口德硫化氢含量。因为气流在圆形进出口的模型内部流动更加稳定，利于滤网吸收与光催化反应的进行。

过滤网可以改善硫化氢气体的净化效率，同时也增加了系统内部的空气阻力，通过CFD模拟仿真，可以得出以下结论：

（1）由速度云图可以得出，气流速度变化较快的区域是主风道的中心截面，为了减少涡流与气流叠加效应，使进出口尺寸尽量与主风道尺寸相同，并降低风道入口的风速，过滤网应安装在主风道中心位置；

（2）压力云图可以得出，当气流速度越大会导致气流组织变得不稳定，所以尽量采取低风速的工况，当进出口截面面积小于41000mm2时，圆形进出口的压降明显小于矩形进出口；

（3）与矩形进出口相比较，圆形进出口模型的硫化氢净化率更高一些，所以较为理想的模型应该是：圆形进出口，尺寸ϕ220 mm。