室内空气净化器气流组织的数值模拟研究

2013-06-22李喜玉刘伟龙

家电科技 2013年5期

李喜玉刘伟龙

（珠海格力电器股份有限公司家电技术研究院广东珠海 519070）

0 引言

空气净化器的目的是为了更好地净化空气中的有害物质，洁净空气量、净化效果和室内的流场分布有很大的关系。

设计一款同类型的空气净化器时，需要根据房间面积(A)确定空气净化器的送风量，而目前送审的联合企业标准中已有根据房间面积确定洁净空气量（CADR）的标准：A=0.1×CADR，需要洁净空气量与送风量之间的关系，这样就可以由房间面积来设计合适风量的空气净化器，因CADR值是一个和室内气流组织分布有直接关系的参数，室内气流组织的分布目前还缺乏一种定量合理的评价体系，本文以速度不均匀系数评价室内气流组织，所以，本文旨在建立洁净空气量和速度不均匀系数的关系曲线，根据该曲线可以得到相应的CADR值所需要的K值，然后我们根据房间大小建立模型，给定一系列的风量数值，用AIRPAK仿真得到该K值下所需要的风量数值，即是所需的空气净化器风量值[1-2]。

1 AIRPAK简介

AIRPAK是Fluent Inc.公司推出的专门针对HVAC(暖通空调)领域开发的一款CFD软件，专门为暖通专业设计，内置了许多模型，如房间、墙、风口、人员、热源等，能够自动网格化，能生成报表、动画、功能虽然没有Fluent全面，但比Fluent专业；其界面较粗糙，仍采用Fluent作为求解器。对于比较规则的建筑物的模拟比较精确，对于特殊外形的建筑物建模过程比较繁琐，可以准确地模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题[6]。本文是应用AIRPAK软件对空气净化器室内气流组织进行仿真，并输出室内各节点的速度数值，运用Matlab软件进行编程，计算出室内流场分布的速度不均匀系数，从而指导空气净化器的方案定制。

2 评价标准和设计方案

2.1 室内气流组织的评价标准

设计一款空气净化器时，需要根据房间的面积确定空气净化器的送风量，而目前已送审的联合企业标准中已经有根据房间面积确定洁净空气量的标准：A=0.1×CADR，需要洁净空气量与送风量之间的关系，这样就可以由房间面积来选定合适风量（Q）的空气净化器，而如何把CADR与Q联系起来，就需要找和CADR、Q均有关系的合理的中间桥梁—速度不均匀系数（k）[3]。

洁净空气量和房间体积、衰减系数有关，而深层次的应该是由空气净化器的净化性能、室内气流组织分布有关，对于一款净化部件确定的空气净化器来说，就仅与室内气流组织分布。而风量也与室内气流组织分布具有直接的关系，k即是评价室内气流组织的参数。

流场的评价指标：

2.2 设计思路[4-5]

这样我们在设计一全新空气净化器之前可以根据以下的思路来制定这款空气净化器的方案：

（1）针对一款固定净化类型的空气净化器建立CADR和速度不均匀系数k之间的关系，建立CADR和k曲线，这种关系是通过实验和仿真共同得到的。

（2）设计所针对的户型（即房间面积S）根据A=0.1×CADR 得到CADR值，根据（1）得到相应的k值，最后利用AIRPAK及其仿真结果得到数据曲线进行估算，从而得到送风量Q。

3 实验

3.1 实验仪器

实验准备：空气净化器：待测风量、CADR；

制冷研究院风量实验室：用于空气净化器风量测试

尘埃粒子计重仪 YFB-036：CADR测试仪器；

图3 Matlab计算程序

实验舱：测洁净空气量

室内尘埃初始浓度约10mg/m3

3.2 CADR实验方法

在一个放置空气净化器的标准3.5m×3.4m×2.5m实验舱内，发生尘埃粒子的初始浓度为10mg/m3，开启空气净化器最强档，并分别调节电源电压为140V、160V、200V、220V、240V、260V，用尘埃粒子计重仪YFB-036对室内总衰减率、自然衰减率进行测试，并根据公式（2）自动计算出CADR值。

洁净空气量：表征空气净化器净化能力的参数，用单位时间提供洁净空气的量值表示

其中：

CADR—洁净空气量，单位为立方米每小时（m3/h）；

V—测试房间的体积（m3）；

ke—总衰减率（min-1）；

kn—自然衰减率（min-1）。

3.3 实验数据(表1所示)

4 仿真

测试舱的内部容积为30m3，内部尺寸为3.5m×3.4m×2.5m，用AIRPAK仿真建模如图1所示，选取一系列不同送风量，用AIRPAK对室内流场进行仿真；Matlab编程计算室内流场分布的不均匀系数，得到送风量与速度不均匀系数。

从图2上，肉眼感官很难定性定量的来衡量气流组织的分布，本文，把AIRPAK计算出的室内各个节点的速度值输出文件，并借助Matlab自行编程，一次求取室内平均流速、速度方差和速度分布不均匀系数；计算程序如图3。

5 结论与分析

把上述风量、洁净空气量、速度不均匀系数等数据汇总，并绘制关系曲线，分析各种曲线之间的相互关系；各参数之间的关系曲线如图4-图7所示。

（1）从图4送风量与洁净空气量的关系曲线可见，随着过滤式空气净化器送风量的增加，该空气净化器的洁净空气量也相应增大，但是随着风量增大到一定程度时，洁净空气量的增加趋势逐渐减弱，由此可见洁净空气量与送风量呈正相关的趋势。

（2）从图5室内流场速度不均匀系数与送风量的关系曲线可见，随着送风量的增加，室内流场不均匀系数先增加，在送风量达到200m3/h的时候，速度不均匀系数达到最大值，约为4.9×107，然后，随着送风量再继续增加的时候，速度不均匀系数呈下降趋势。

（3）由图6～图7综合起来把室内速度不均匀系数与洁净空气量相关联，得到速度不均匀系数与洁净空气量的关系曲线（图4）；本实验是在KJG300A空气净化器的强档工作状态下把电压从140V—240V的情况下测试的，相应的空气净化器的送风量从132m3/h—294m3/h ，洁净空气量从64m3/h—149m3/h，在此范围内，速度不均匀系数是随空气净化器送风量的增加先增大，再逐渐减小，随着CADR洁净空气量的增加，室内流场不均匀系数先增加，在送风量达到90m3/h的时候，速度不均匀系数达到最大值，约为4.9×107，然后，随着送风量再继续增加的时候，速度不均匀系数呈下降趋势。