室内空气净化器流动强化及效能提升方法

(上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093)

0 引言

环境污染、呼吸道疾病的流行使得空气质量问题引起了大众关注。市面上的空气净化器种类繁多但也不乏缺陷：臭氧净化器内含强氧化物质，可危害人体健康；负氧离子净化器所制造的活性氧容易成为极性污染粒子等等。目前的空气净化器基本采用直通道排风，由于室内空气流动受限，会产生除尘死角，降低除尘效率。

为了进一步提高空气净化器的工作效率，国内学者研究了空调房内不同进出风口位置[1]以及空气净化器在房间内的不同摆放情况[2-3]对室内空气流场的影响；有学者提出了以纳米TiO2涂敷在活性炭表面的薄壳型结构[4]、以单片机为控制核心的高压除尘装置[5]、添加入口导流的不同滤芯结构[6]以及设置在净化器的底座上能驱动车轮的左、右电机结构[7]。国外则有学者研究了基于等离子体的空气净化技术[8]、镀银沸石(AgZ)滤波在医院室内空气中控制细菌和真菌参数的措施[9]以及在室温下也能将甲醛气体分解成二氧化碳的板状空气净化材料[10]。

为了提高空气净化器的工作效率，除了改造其内部结构、摆放位置，还能添加新的物质用于除去污染物。但目前由于垂直出风，往往存在除尘死角的问题。本文通过数学建模，建立了空气净化器在房间的三维立体模型，再由数值模拟获得了不同出风方向与摆放位置下房间中的空气流动情况。通过对比分析，获得空气出风角度以及摆放位置的优化参数，以提升室内空气净化效果。

1 计算模型

1.1 物理模型

设定模拟房间长宽高分别为5 m、3 m、2.8 m，空气净化器尺寸为365 mm×350 mm×530 mm，规定通常靠墙摆放的位置为原始对照组，如图1(a)所示。模拟过程忽略房间中人员活动以及物柜摆放等干扰情况，考虑对称性，选定如图1(c)所示的房间中央x轴线上①②③三个位置点，分别进行仿真模拟。

空气净化器两侧各有10个325 mm×30 mm的长方形回风口。出风口位于顶部，与水平方向成一定夹角α。为避免α过大时，出风面面积与原始出风面相差过大而造成较大误差，故将顶部出风面划为五等分，进行相同角度调整。如下图1(b)所示。

图1 计算物理模型

1.2 边界条件

本文采用ANSYS中ICEM软件划分网格，采用非结构化模型，得到图2所示模型。全局缩放因子取0.6，最大元128.0；壳/面网格以四边形主导，允许部分三角形网格存在；且在出风面上生成一层边界层网格。经过网格无关性测试，最终得到当网格节点数为484 350，网格面为2 781 896时，计算结果误差满足设定要求。

图2 空气净化器网格模型

1.3 数学模型

本文数值模拟的过程采用连续相模拟，以SIMPLE算法作为流体压力-速度的耦合方法。为了提高模拟精度，对流项采用二阶迎风格式。并选取RNGk-ε模型模拟室内气流湍流流动[11]。控制方程如下：

连续性方程

(γρfv)=0

(1)

动量方程

(γρfvv)=-γp+·(γτ)+γρfg

(2)

湍流动能方程k

(3)

扩散方程ε

(4)

模拟过程中设置出风面为速度进口边界条件，回风口为压力进口边界条件，并参照实际情况分别取2 m/s、-500 Pa，进行模拟。

2 模拟结果

为模拟传统空气净化器工作情况，首先设置出风方向垂直，即α=0°，摆放位置如图1(c)中位置①所示，出风风速为2 m/s。截取三个坐标方向的关键截面：(1)空气净化器所在z=0纵截面；(2)三个代表不同高度的水平横截面，分别为y=0.9 m，y=1.8 m，y=2.7 m；(3)四个x方向上的纵截面，分别为x=±1.5 m，x=±0.5 m，以表征整个室内空气流动的情况。结果如图3所示。

由图3(a)可以看出，在出风管高速气流的带动下，右侧空气受到扰动，并产生回流，但空气流动速度普遍处于0.3 m/s以下，气流交换速度较低；由图3(b)和(c)所示，在房间右侧离地面0.9～1.8 m的人体活动区域中存在大区域死角，空气流速整体不超过0.25 m/s，净化效率偏低。

图3 α=0°出风口的空气流动情况

表1位置①各出风方向的空气流动情况对比

3 对比优化分析

3.1 相同位置下不同出风角度的室内空气流场对比

为分析出风方向对室内空气流场分布的影响，新增α=30°、α=45°、α=60°出风方向，并选取第2节中相同的典型室内界面对比分析室内空气流动情况。

由上述四组模拟结果可以看出，α=0°，整体空气流速低，远距离存在多处死角。α越大，远距离空气流速越高，死角越少。α=60°，人体活动区域范围(1.8 m以下)内，空气流速普遍在0.3 m/s以上，房间内墙角处存在少许死角。

y方向上三个截面表征了房间内不同水平高度的空气流动状况：α=0°，人体活动区域范围内空气流动均匀且流速较高，整体平均流速约为0.4 m/s；α=30°，空气流速降低，死角增多且分布集中；α=45°，空气整体流速明显提高，平均流速高于0.4 m/s，死角大幅减少；α=60°，空气流速降低，死角增多。

x方向上四个截面表征了房间内大体的空气流动状况，α=0°，房间大部分区域内空气流动均匀但流速较低，远距离区域内存在大面积死角；α=30°，空气净化器出风侧近地面空气流速较高，但远距离区域和另一侧仍然存在空气交换滞留；α=45°，房间内整体空气流速大幅提高，空气相互交换得到有效促进；继续增大α=60°，重新出现死角，阻碍空气交换。

由此可见出风角度对室内空气流动影响显著。α=45°出风方向工作情况最佳，空气整体流动均匀且死角大幅减少。α=30°时，房间内空气流动不均，存在大量死角，室内空气净化效果较差。

3.2 不同摆放位置的室内空气流场对比

为了进一步研究分析相同出风方向条件下，不同的摆放位置对空气净化器工作情况的影响，选定α=45°和α=30°，调整空气净化器摆放位置并截取相同截面进行进一步对比分析。

3.2.1 出风方向45°下不同摆放位置的空气流动情况对比分析

表2不同位置下45°出风方向的空气流动情况对比

表3不同位置下30°出风方向的空气流动情况对比

由上述三组模拟结果可以看出，α=45°时，移动摆放位置至②，出风侧空气流动加强，流速普遍提高，死角明显减少。但在另一侧，空气流速大幅度降低且在人体活动区域下部存在大部分死角；改变摆放位置至③，出风侧空气流速有所下降，但整体流动均匀，另一侧近壁面与人体活动区域内存在大面积空气流动死角。

根据y方向三个截面，在位置①、②两处工作时，人体活动范围内的空气流动都较为均衡，整体空气平均流动速度约为0.25 m/s，局部存在空气低速滞留区域。位置③处整体空气流速骤降，死角分布增多，空气相互交换被大幅阻碍。

针对x纵切方向，位置②处出风侧空气流动得到大幅促进，另一侧空气相互交换被抑制；更改至位置③，出风侧区域内空气流速降低但仍均衡，另一侧区域内空气大部分被滞留。

3.2.2 30°出风方向下不同摆放位置的空气流动情况对比分析

同样由上述三组模拟结果可以看出，当α=30°的空气净化器位置移动到②时，出风侧空气流动得到有效促进，平均流速明显提高至0.35 m/s左右，人体活动范围内死角也大幅减少，但另一侧空气流动情况则明显不如出风侧，平均空气流速仅0.15 m/s左右；再移动到位置③，出风侧上空气体流速降低，另一侧空气交换受阻，平均流速0.1 m/s左右，死角明显增多。

针对y方向三个截面，可以得出：在位置②，房间内下部空气流动更为均匀，只有近壁面处存在一定低速区，中部出现一片分布较广的死角；更改至位置③，房间内空气流动受到阻碍。

x方向上四个截面显示，在位置②出风侧大部分气体流速明显提高至0.35 m/s以上，另一侧空气流速虽然有所下降，但空气交换依然均匀；更改至③处，近壁面空气流速得到进一步提高，空气净化器左侧区域内空气流速下降但流动仍然均匀。

综上所述，室内空气流动强度以及整体相互交换程度由出风方向以及摆放位置所共同决定。选取适宜摆放位置的基础上，若能实现出风角度自动匹配所摆放位置并据此进行自动调节，则可最大化加强室内空气流动并提升室内空气净化效率。

4 结论

本文采用三维建模及数值模拟的方法，对空气净化器在不同的出风方向以及摆放位置情况下的室内空气流动情况进行了模拟及优化。得到如下结论：

(1)改变传统空气净化器的出风角度，可以有效提高空气净化器的工作效率，加强室内空气交换。家用空气净化器靠墙摆放时，调整出风角度为45°，室内整体空气流速更均匀，且死角分布大幅度减少，净化效果得到明显提升。

(2)在一定的出风方向条件下，改变空气净化器的摆放位置，对提高其工作效率十分重要，针对本文择定的工况条件，发现在45°最佳出风方向下，当空气净化器摆放在距离壁面四分之一房间长度位置时，房间内人体活动范围内空气流速得到明显提高，且流场分布更为均匀，低速流动空气团也大为减少，提升了空气净化效果。