空气净化器结构改进与流动性能分析

许海波，李久成，苏 芳，董玉德

(合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

目前,我国大气污染较为严重,主要污染因素有可吸入颗粒物PM2.5和PM10以及SO2、NO2、甲醛、苯等异味物质．在环境大气质量未有质的改善之前,城市居民对于室内空气净化器仍有着较大的需求,这一现象也促进了空气净化器产业的迅速发展．市面上家用净化器基本分为两种,一种为壁挂式新风空气净化器(以下简称为“新风机”),另一种则为技术较成熟的落地式净化器．

针对降低空气滤清器中噪音的问题,国内外学者做了大量的研究工作．HAO等基于声学理论及要求,在详细设计中,提出一种在低频率下改善声学性能的有效方法[1]．刘景成等专门研究了滤芯的流阻特性以及吸声特性,并且对空气滤清器的噪音特性进行了仿真优化[2]．朱廉洁等通过有限元法计算分析空气滤清器的消声特性,得出空气滤清器的声学有限元处理方法是合理的[3]．在滤芯结构、材料优化方面,李佳等分析了滤清装置中的滤纸尺寸、材质和褶数等各因素对空气滤清器性能的影响规律,研究了滤纸角度对流动性能的影响[4]．THOMAS等研究了数种参数，如空气速度、颗粒大小等对滤芯效率的影响,并开发了一个基于滤清器中区分沉甸颗粒和过滤纤维的模型,可以算出剖面渗透率的下降指数[5]．冯建勇等比较了滤清材料使用前后不同的结构,并研究了多种不同的过滤材料的性能[6]．在功能开发方面,杨乾设计了空气净化器控制系统,开发了基于C语言的软件控制程序,引入多种传感器,实现了根据空气质量实时调节净化效率,并极大地优化了人机交互[7]．

目前,国内外对于空气净化器内部流动问题的研究几乎空白,而新风机空气净化器大多滤芯的利用率存在着比较大的缺陷,导致滤芯的使用寿命缩短．为此,本文将尝试运用Fluent商业软件对空气净化器的空气流动效果进行模拟分析,根据模拟得到的数据比较，探讨不同的结构对净化器内部流体流动的影响,并进一步优化分析优选方案的滤芯结构参数,以达到提高滤芯利用率与使用寿命最大化的目的．

1 新风空气净化器结构

新风机一般包括初效过滤层、静电集尘层、活性炭及光触媒滤层、HEPA滤层(滤芯)4个过滤层,内置风机提供空气循环动力.由于需要连接外部管道以获取室外新风,所以结构与落地式新风机有较大差异．

室外空气由机器内部的风机吸入后依次通过初效过滤层、静电集尘层、活性炭及光触媒滤层,之后通过风机室进入最后的HEPA过滤区,经过最后的HEPA滤层后送入室内,给予室内源源不断的新鲜洁净空气.

由于自风机室之前的结构较为理想,无需改动,本文只截取风室出口至新风机出口这部分结构进行讨论．在不影响结果的情况下,为了便于计算,以传统机型结构为例,在不改变外壳大小、结构的前提下,进行一定的参数简化,提出改进的新风机滤芯与导流结构,传统式新风机滤芯结构如图1(a),(b)所示,新型新风机滤芯结构如图1(c)所示(箭头所示为流体流动方向,关键参数已在图中标出,其中定义滤芯正对入风口的面为迎风面)．

图1中滤芯参数均有注明,A结构为一长方体,规格为360 mm×50 mm×210 mm；B结构中出风面附近的2个滤芯(虚线表示)选择相同大小,四棱柱的长边为190 mm，短边为50 mm，高为210 mm．C结构的滤芯为弧形,其相对空气净化器框架外壳中轴线对称,选取190 mm的半径，宽50 mm，高210 mm．本文将对此3种结构分别进行模拟流动分析,在运用ICEM软件将模型网格划分后,导入Fluent软件计算出结果,并比较各结构的优劣．

2 新风机流动性能计算与优化处理

2.1 物理模型建立及边界条件的选取

选取相同框架大小,相同厚度滤芯,框架大小为500 mm×360 mm×240 mm,壁面厚度为1.5 mm,壁面设置为300-O型铝材,流道内的气体定义为空气.为了简化计算,滤芯取平直面,厚度为50 mm,对于A,B,C 3种结构,算出其迎风面积分别为86 400 mm2，91 200 mm2，100 148 mm2．入口压力为60 Pa,出口设置为0 Pa．运用Fluent计算软件分别对3种结构进行分析,得出不同结构下迎风面质量流率与总质量流率,各检测位置的流速、压力、湍动能以及湍能耗散率等参数．

2.2 数学模型及算法

在空气净化器(新风)内部流动中,雷诺数计算为

(1)

式中:v,ρ,μ分别为流体的流速、密度与黏性系数,d为一特征长度,选取流道对角线长度．

流体在净化器内部流动符合连续性方程和动量方程[8]．连续性方程即质量守恒方程．由单位时间内流出控制体的流体净质量等于时间间隔控制体内因密度变化而减少的质量,导出连续性方程[8]的微分形式为

(2)

式中:ux,uy,uz分别为X,Y,Z3个方向的速度分量,单位为m/s;t为时间,单位s;ρ为密度,单位kg/m3．

动量方程的解释则是给定流体微元,其动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和[8]．动量方程为

(3)

式中:p为微元体上的压强,Pa;S为动量方程的广义源项．

本文采取标准k-ε模型[9],k方程为

(4)

ε方程为

(5)

式中:μ为动力黏度,Pa·s；σk,σε分别为k-ε方程湍流普朗特数；C1ε，C2ε为经验值,是常数；Gk是由平均速度梯度引起的湍动能产生．其中σk=1.0,σε=1.3,C1ε=1.44,C2ε=1.92．

多孔介质模型的建立满足含有动量源向的流体流动方程,遵循达西定律,对于简单的多孔介质,有以下方程[10]:

(6)

方程等式右边前半部是黏性损失项,后半部是惯性损失项．α为多孔介质的渗透性,C2为惯性阻力因子．图2描述了数据计算流程．

图 2 具体计算流程Fig.2 Calculation process

2.3 性能分析与结果讨论

本文针对内部流体流动问题提出以下假设:入口压力均匀,忽略流动时的温度变化,忽略滤芯复杂的结构,将滤芯视作网格化单元体．重点分析滤芯结构改进与添加导流结构之后,流体在新结构下与传统结构下流动状况的不同．滤芯区域设置为层流[11],本文主要目的在于改良滤芯的质量流量均匀度问题,故除了出风口之外不参考滤芯背风面至出口那部分空间的空气流动情况．

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445454648

图3具体计算流程

Fig.3 Calculation process

检测参数方面分别在净化器的结构中选取进风面、出风面、滤芯迎风面(将滤芯迎风面等分为48个面来确定质量流量方差,6行8列,依次编号1～48,各等分面位置如图3,视角方向为进风面至迎风面),并额外在距离出风面200 mm并平行于出风面的竖直平面(下简称为中间面)上等距选取48个监测点(等分面的中点),以静压、质量流量、速度、质量流量方差、湍流性能、湍能耗散率,作为检测参数来评价本文中选取的3种结构．

根据图1中的结构分别构建模型,使用Fluent对3种流道结构中几处关键位置压力、质量流率等参数(面积平均)进行模拟分析．得到数据变化趋势,如图4～6,其中A,B,C分别代表第一、二、三种结构．

图 4 中间面静压监测数据 图 5 迎风面质量流率监测数据 图 6 迎风面静压监测数据Fig.4 Static pressure monitoring data at the middle surface Fig.5 Mass flow rate monitoring data at the windward surface Fig.6 Static pressure monitoring data at the windward surface

所得数据平均值计算方法为

(7)

均方差的计算方法为

(8)

滤芯使用率定义为[12]

(9)

采用上述公式对数据处理过后,得到表1.

表 1 各结构分析结果Table 1 Analysis results under each structure

从表1中的数据及图6可以看出结构的改变已经影响到内部气体的流动状况[13],空气在流腔中的流动被结构引导至边缘区域．表1中总质量流量基本无变化,浮动未超过3%;对于出、入口流体速度的计算结果,3种结构基本无任何变化,湍动能方面;变化亦不是很明显,表明在此流速与结构下,只要多孔介质区域的厚度不变,大致结构不改变,对流体的速度以及湍流性能方面没有影响,更多的则是改变部分流体的流动运动轨迹,改变其轨迹后使之可以更均匀地通过多孔介质即滤芯区域[14]．

表2质量流率情况

Table 2 Situation of mass flow rate g·s-1

结构中央四面中央八面最大值qmax最小值qminA13 8926 363 472 69B13 6725 883 432 75C11 8723 673 012 84

取图4中滤芯中间部位的编号20,21,28,29四个单元面质量流率和,19,20,21,22,27,28,29,30八个单元面质量流率和各单元面最大流率与最小流率,得到表2．

从表2可以看出，无论是A结构还是B结构,流量基本是集中在滤芯的中央区域.A结构下,中央四面与中央八面分别占了总流量的9.62%,18.25%,B结构则为9.46%,17.91%;当改进成C结构后,中央四面质量流量与中央八面占比下降为8.46%,16.88%．而对于各分割面中最大质量流率与最小质量流率差,C结构将此项数据从A的0.78 g/s和B的0.68 g/s降到0.17 g/s．

同理,迎风面质量流量均方差的计算结果和静压均方差表明,C结构中,在不影响总的质量流量情况下,各面之间的流量差缩小很多,将均方差从A结构的0.09和B结构的0.057下降到了0.003 9,静压均方差也从A结构的34.73，B结构的22.70下降到了2.61,更是证明了C结构的优化改进作用．

在对3种不同结构的各种流体参数的分析中可知，A,B两种结构的滤芯使用率比较差,使用此两种结构会导致较大部分流量通过滤芯结构的中间区域,无论在使用寿命还是使用效果上都会受到影响．而对于C结构来说,虽然滤芯结构的改变会丧失少量的质量流量,但流体的流动状况会更加科学,更益于滤芯的使用均匀性．通常情况下,滤芯的某一部分达到纳垢极限时,过滤效果将会大幅下降,滤芯的完整使用时间即所谓的滤芯使用寿命与使用率关系较为复杂,并未有明显的线性关系．同样质量流率下,A,B结构的滤芯中心区域由于质量流率过大会提早达到纳垢极限,C结构的使用寿命会较之A,B两种提高15%,滤芯的使用率会由A结构的76.70%和B结构的77.66%提高至96.99%．因此得出C结构可以明显优化空气净化器内部流体的流动,从而会增加滤芯的使用寿命及使用效果．

2.4 优化处理

对于C结构,进一步通过模拟分析探讨导流结构对于质量流率均匀度以及滤芯使用率的影响．结合仿真结果和设计原则[15],假定滤芯结构不变,对于入口导流结构的曲率半径分别选取1 100 mm,1 200 mm,1 300 mm,1 400 mm,1 450 mm,1 500 mm,1 600 mm,1 700 mm,最终可得到以下质量流率均方差与曲率半径变化趋势数据,如表3.

表 3 不同曲率半径下质量流率方差Table 3 Variance of mass flow rate under different radius of curvature

由表3中数据可以知道,在前文中给出的相关条件下,入口导流结构曲率半径选取1 400 mm～1 500 mm时可以得到最佳的质量流量均匀度．

4 结 论

文中研究了空气净化器不同内部结构对于流动效果的影响,分别选用了传统的结构,以及改进后的两种结构．通过分析计算,对比质量流率、流量均匀度、湍流性能、流体速度等参数,来评价此三种结构的优劣性．

(1) 提出对空气净化器中流动性能与滤芯使用性能的评估方法,通过把滤芯迎风面分割成单元面并监测其单元面的质量流率与静压对滤芯的使用效果,并在内部设置监测点监测所需参数,对流体的流动状况进行分析．运用上述方法可以有效评估净化器的使用性能．

(2) 提出新型滤芯结构,该结构是在通过改变滤芯形状下,在入口放置导流装置以达成提高流量均匀度的目的,提高滤芯寿命与使用率,改进了市面上的传统净化器结构．从文中计算分析结果对比可以得出,传统的结构会导致滤芯边界区域利用率较低,使用寿命不高的情况．而在新型的结构下,滤芯的边界区域也得以有效利用,滤芯使用率提高了20.2%,而且在改进结构后并未影响到总的质量流量．表明在入口处添加导流结构与改进滤芯为圆弧后,使用性能上将优于传统结构．

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