轿车内甲醛净化的数值模拟研究

丁水兰，刘 远，余 刚,



轿车内甲醛净化的数值模拟研究

丁水兰1，刘 远1，余 刚1,2*

(1. 武汉纺织大学 环境工程学院，湖北 武汉 430073; 2. 南京航空航天大学 航空宇航学院，江苏 南京 210016）

车内空气品质；数值模拟；甲醛浓度；净化；气流组织

1 引言

随着室内空气污染越来越得到市民的关注，车内空气污染影响健康也成为“汽车一族”关注的重点[1,2]。在中国科协工程学会联合会汽车环境专业委员会主办的“中国首次汽车内环境污染情况调查活动”中，被检测的汽车有93.82%的车内空气环境存在不同程度的污染情况。车内污染物主要为甲醛、苯和TVOC等[3]。

由于开空调的时候车窗紧闭，使车内空气不流畅，导致车内人员出现头晕、困倦、咳嗽的现象，除此之外，还会感到压抑烦躁、注意力不能集中等不适症状。可见，汽车空气污染物已经严重影响了司乘人员的身体健康，因此需要在车内安装空气净化器[4-7]。

一个好的气流组织方案会使污染物浓度能够达到标准值[8]，甚至还可使人感觉舒适性很好；反之，对于比较差的气流组织方案就连最低要求也达不到。很显然，空气净化器的安装位置对车内空气气流组织及车内空气污染物的净化效果有很大影响，因此，在安装车载净化器之前需要详细了解由空气净化所形成的空气速度场及甲醛浓度场，从而制定出最佳的气流组织方案及合理的净化器安装位置。

数值模拟为我们从事该方面的研究提供了强有力的手段，目前已有一些关于室内气流组织方式对甲醛分布影响的数值模拟研究。例如：邓王平就室内气流组织对甲醛分布的影响进行了模拟研究[9]；刘玉峰等利用CFD软件模拟计算了两种气流组织方式下室内甲醛的浓度场，并与传统计算方法的结果进行了比较[10]。但是，对于装有空气净化器的汽车内的气流组织对甲醛分布规律影响的研究却很少，因此对此情况下汽车内甲醛的气流组织分布情况进行数值模拟研究就显得尤其必要。

为了达到更好的空气净化效果，需要了解在多种方案下，汽车室内的气流组织分布情况，这主要是通过数值模拟计算的方式进行的[11]。本文针对汽车室内结构，采用CFD数值方法，研究通过改变气流组织分布方式，以达到对汽车室内的空气污染物的稀释净化效果，从而找到最佳净化效果。

2 分析方法

2.1 基本假设和数学模型

汽车内部几何结构复杂，人体形状各异，计算资源大，实际的内气流分布情况受到结构的影响复杂多变。

在不影响模拟结果的情况下，本文通过汽车内部结构和实际大小尺寸，截取汽车中段的一部分。

（1）几何简化。对壁面、座位以及人体模型均进行了简化处理：汽车内的气流组织模拟研究主要是针对汽车内壁面所形成空间内的模拟研究，所以物理模型只留有内壁面部分，形成一个封闭的汽车内部空间结构，将此空间壁面作为模拟的物理边界条件，忽略汽车内侧壁面的厚度、窗口以及其他小部件的影响，转向盘体积相对较小, 计算中予以忽略, 简化仪表板的细微结构，并假设各个表面光滑；考虑到在汽车室内狭小的空间内，内壁面和座椅及人体模型的复杂程度，为了保证计算网格的可行性，对室内的座椅及人体模型进行最大程度的合理简化，去除不必要的倒角、碎面和碎线，对人体进行标准化建模，以长方体来模拟。如果后续有条件的话，研究工作需要建立更加贴近座舱结构和人体外形的几何物理模型。简化物理模型最大长度3229mm，最大宽度为1898mm，最大高度为1655mm。

（2）物理简化 为了简化问题作如下假设:

a. 室内空气为不可压缩流体，且符合Boussinesq假设，即认为流体密度变化仅对浮升力产生影响；

b. 流动为稳态湍流；

c. 忽略固体壁面间的热辐射，车室内空气为辐射透明介质；

d. 假设流场具有高Re数性，即认为流场为各向同性湍流；

e. 气流为低速不可压缩流动，可忽略由流体的黏性力做功所引起的耗散热。

2.2 流体性质和各边界条件

通过FLUENT进行数值模拟计算开始之前，必须要定义流体性质和边界条件，边界条件包括边界的位置信息和具体的计算参数信息。边界条件定义是否合理，将直接影响整个数值模拟过程及模拟结果的正确性，所以要认真确定边界条件的类型及相关计算参数。

本文中数值模拟的流体性质和各边界条件：

（1）舱内空气性质：定义为不可压缩流体。由于车内的气流速度均在2m/s以下，属于低速流动，在此速度范围内空气的压缩性可以忽略不计；

（2）壁面设置：模型结构表面定义为固体壁面，忽略避面厚度；

（3）不同供气方式下的供气口：均定义为速度入口（velocity-inlet），设定边界入口上的速度。速度入口边界条件在边界之外的流动默认为均匀流动，适用于不可压缩流体。

（4）人体口鼻位置：定义为速度入口（velocity-inlet），模拟人体呼吸产生二氧化碳过程。设定人体呼吸产生二氧化碳浓度为0.005L/S，呼吸的气流速度为0.15m/s，二氧化碳含量为2.8%；

（5）空气排气口：定义为流量出口（outflow）,出口处的速度及压力信息均由内部区域传递得到，不需人为指定；

（6）座椅外表面，座间储物板四周外表面，仪表盘外表面以及手套箱外表面：作为甲醛污染源定义为质量入口（mass-flow-inlet），质量流量为7.4e-11kg/s，甲醛组分参数为1.1e-07。

2.3 网格划分

为了使后期的fluent软件模拟计算得更精确，对汽车座椅，车内前部，座间储物板，还有剩余的空间分别进行网格划分；对汽车座椅，车内前部和座间储物板附近进行了较密的网格划分。采用混合型风格，网格数123万。

3 数值模拟研究方案

为了研究汽车内的空气品质，先设置好相应的边界条件，然后模拟汽车内的气流组织情况。

为此，把车载净化器分别放在2个不同的地方来研究汽车内的气流组织的不同情况，从而形成两种不同的方案：方案一，手套箱的上面；方案二，驾驶席的座椅靠背后。

对汽车室内将选取5个具有代表性的截面来考察车载净化器的效果，从而找到最优位置，其五个截面分别为：

（1）前排人员正前方20mm处（x=-945mm），离身体表面及口鼻呼吸范围最近，此处气流组织可直观反映人员周围的空气环境好坏；

（2）后排人员正前方20mm处(x=450mm)，同样也可直观反映乘客周围的空气环境好坏；

（3）驾驶席和后排形成的纵向截面(y=569.4mm)，可直观反映乘客前后污染物浓度；

（4）副驾驶席和后排形成的纵向截面(y=-569.4mm)，同样可直观反映乘客前后污染物浓度；

（5）物理模型中乘客口鼻高度的截面图(z=222.5mm)，此高度截面的污染物浓度，最直接反映人员所处环境空气品质的健康程度。

4 计算结果和分析

4.1 方案一

图1-图3分别是方案一时，X=450mm, Y=569.4mm和Y=-569.4mm处各截面所在的甲醛浓度分布图。

甲醛浓度场:

图1 为X=450mm处断面的甲醛浓度场

图2 为Y=569.4mm处断面的甲醛浓度场

由图1-图3所示的甲醛浓度场可以看出，甲醛的浓度在车内的浓度分布受供气口的的影响。在供气口附近区域，甲醛浓度显著会偏低；远离供气口处，甲醛浓度会逐渐上升。这说明，速度场可以加剧气流组织的扰动，增大送风速度，可以有效降低室内污染物的平均浓度。各截面的甲醛浓度场分布图与流速场基本耦合。

由图1-图3，沿着地板向上的方向来看，甲醛浓度逐渐降低，在遇到障碍物的时候，发生回流现象。

由上面各处截面可看到，人呼吸处的甲醛浓度大致在3.9×10-9~4.0×10-9kmol/m3左右，高于室内甲醛浓度的标准值（3.3×10-9kmol/m3）。

图3 为Y=-569.4mm处断面的甲醛浓度场

图4 为X=450mm处断面的甲醛浓度场

4.2 方案二

图4-图6分别是在方案二的情况下，X=450mm, Y=569.4mm和Z=222.5mm处各截面所在的甲醛浓度分布图。

甲醛浓度场：

该方案是车载净化器的排气口在司机的座椅背后，净化后的空气从驾驶席背面引入到车内，形成涡旋的速度气流场，对污染物的浓度场形成一定的影响。当车载净化器开启后，时间足够长，污染物浓度达到基本稳定时，甲醛浓度从车顶朝车底呈现波浪振荡式下降趋势。由图5可看到，座椅背后的甲醛浓度明显降到了1×10-9kmol/m3,在驾驶席座椅的四周的甲醛浓度由1×10-9kmol/m3逐渐升高，最高上升到了4.2×10-9kmol/m3。各截面的甲醛浓度场与速度场基本耦合。由图6可以看到，人员所处的高度处的甲醛浓度大致在3.2×10-9kmol/m3左右，低于室内甲醛浓度的标准值。

图5 为Y=569.4mm处断面的甲醛浓度场

图6 为Z=222.5mm处断面的甲醛浓度场

4.3 各截面处的不同方案下甲醛平均浓度分布图

图7为汽车后排座位的X截面处Z轴方向上所在的甲醛平均浓度分布图；图8为汽车前排座位的X截面处Z轴方向上所在的甲醛平均浓度分布图；图9为汽车Z截面高度处的Y轴方向上甲醛平均浓度分布图。

图7 汽车后排座位X截面的甲醛浓度分布图

图8 汽车前排座位X截面的甲醛浓度分布图

图9 汽车Z截面高度的甲醛浓度分布图

图7分别反应了两种方案的甲醛浓度分布图。在0.2225m处左右，即为人员口鼻呼吸处，此处可直观反应车内人员呼吸处的空气品质，在该处，第二种方案的甲醛浓度大致为3.11×10-9kmol/m3，低于室内甲醛浓度的标准值；而第一种方案的甲醛浓度大致为3.81×10-9kmol/m3，高于室内甲醛浓度的标准值。从该图的整体来看，第二种方案的甲醛浓度会比第一种方案的甲醛浓度要低，相差最多可达1.6×10-9kmol/m3左右。

从图8很直观地看到，第二种方案比第一种方案的甲醛浓度要低。同样地，在0.2225m处左右，可直观地反应出车内前排人员所处的环境的空气品质，第二种方案的甲醛浓度在此处大概是3×10-9kmol/m3，而第一种方案的甲醛浓度在此处大约是3.96×10-9kmol/m3。

由图9可看到，在Y=-569.4m附近的地方，第一种方案和第二种方案的甲醛浓度相差不大；而在Y=569.4m附近的地方，第二种方案明显比第一种方案的甲醛平均浓度要低，低达2.8×10-9kmol/m3。

5 结论

以上分别对两种方案进行了数值模拟分析，分别为当车载净化器放在副驾驶席前面的手套箱的面板上和当车载净化器放在驾驶席的的座椅靠背后。通过分析得出以下结论：

（1）适当地增大车载净化器送风速度，可以有效降低车内甲醛的浓度。

（2）甲醛浓度分布受车内气流组织紊流强度影响，在送风口，回风口以及紊流强度较强的区域，会促进甲醛浓度分布降低；而在其它紊流强度较小的地方，则会导致甲醛浓度大量汇集。

（3）通过比较，对于车载净化器放在驾驶席座椅靠背后面会比放在副驾驶席前面的手套箱的上面要好，能够促进车内甲醛有效地降低，从而达到净化的目的。

[1] Riediker M, Williams R, Devlin R, et al. Exposure to particulate matter, volatile organic compounds, and other air pollutants inside patrol cars[J]．Environmental science & technology, 2003, 37(10): 2084-2093．

[2] Spengler J D, Chen Q. Indoor air quality factors in designing a healthy building[J]．Annual Review of Energy and the Environment, 2000, 25(1): 567-600.

[3] 付铁强, 陆红雨, 张仲荣, 等．车内污染物组分检测研究[J]．汽车工程, 2011，(12): 1097-1101.

[4] Gan G, Awbi H B．Numerical simulation of the indoor environment[J]．Building and Environment, 1994, 29(4): 449-459．

[5] 尤可为，葛蕴珊．车内污染及其检测技术[J]．汽车工程，2006，28(5)：495-498．

[6] 邓大跃，陈双基．汽车内空气污染研究综述[J]．北京联合大学学报：自然科学版，2004，18(2)：52-59．

[7] 邓大跃，陈双基．汽车内的空气污染(二)[J]．环境科学动态，2004，(3)：46-47．

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[9] 邓王平．室内气流组织对室内甲醛分布影响的模拟研究[D]．西安：西安科技大学，2010．

[10]刘玉峰，许永清．房间气流组织对污染物空间分布的影响[J]．山东科技大学学报（自然科学版），2004，23（2）：104-107．

[11]肖红林，李洪亮，王远，等．轿车座舱内流场的数值模拟研究[J]．汽车工程，2011，33(1)．

The Research of Numerical Simulation about Purifying Formaldehyde in the Car

DING Shui-lan1, LIU Yuan1, YU Gang1,2

(1. School of Environment Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China; 2. College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangshu 210016, China)

In-car air Quality; Numerical Simulation; the Formaldehyde Concentration; Purification; Air Flow Organization

余刚（1971-），男，教授，博士，研究方向：环境控制与流体机械.

湖北省优秀中青年科技创新团队计划资助（T201207）.

X131.1

A

2095－414X(2014)06－0073－05