基于轴流风机的室内通风设计与数值模拟试验

夏侯炳 蔡茂华 申君 张明帮

摘  要：为减少室内新家具释放的甲醛对人体的危害，了解轴流风机通风装置对室内甲醛浓度分布特征的影响，文章采用MRF动参考系模型方法研究了不同风机转速对室内甲醛浓度的分布影响。数值模拟结果表明：轴流风机通风装置能有效降低室内甲醛浓度，供电电源频率50Hz时该装置可将原室内的甲醛浓度降低约75%;通过控制风机的转速能有效调节室内甲醛浓度的数值，轴流风机的供电电源频率与室内甲醛浓度呈Cubic三次曲线方程关系。

关键词：轴流风机;数值模拟;甲醛;室内通风;x2检验。

中图分类号：TU834        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）05-0015-02

1 概述

室内空气质量的好坏与人的健康密切相关，甲醛作为潜在致癌物使其成为室内空气污染与否最重要的指标之一，对其展开室内的释放与扩散规律的研究显得尤其重要。

目前有关室内空气污染气体的通风扩散的研究主要以静参考系模型为主[1-2]，本文采用动参考MRF模型结合组分传输模型的方法，以轴流风机的转速作为仿真的初始条件精确模拟研究轴流风机以不同的转速运行时室内甲醛浓度的变化规律。

2 研究方法

本文的研究方法主要是利用MRF动参考系模型模拟轴流风机的抽风排气，利用组分传输模型模拟室内家具的甲醛释放，通过调节风机的不同转速作为MRF仿真的初始值，从而仿真计算出室内甲醛对应的浓度，最后利用spss统计分析方法拟合出室内甲醛浓度与风机供电电源频率的函数关系。

3 模型的建立

选择典型的某办公室，其长宽高尺寸为6.5m*3.6m*2.6m，室内主要摆放了新购置的6张办公桌，其长宽高尺寸为1.6m*0.7m*0.8m，办公室的前面和侧面分别有3个0.6m*0.8m的窗户，现模拟办公室的顶部安装有轴流风机，其中风扇结构尺寸为：轮毂直径：20cm;叶片长：11.45cm;叶宽度：8.25cm;叶片安装角：31°;叶片数：9;风机出口的直径为45cm。以办公室的中心点为原点，沿长度方向为x轴，宽度方向为y轴，竖直方向为z轴，建立几何模型及网格划分。

边界条件设置：窗口设为压力入口pressure inlet，风机出口设为压力出口pressure outlet;所有家具表面设定为mass flow inlet，墙壁设为wall。在进行数值模拟计算中，进行了如下假设：（1）室内的污染物只有甲醛，无其他污染

物;（2）家具的材料组成均匀，甲醛按恒定的速率释放;（3）室内空气及甲醛的物理性质为定值，且不发生化学反应。（4）室外新风不含污染物。

4 计算结果与分析

4.1 样本的风速矢量分析

风机在工频50Hz运行时办公室内部的风速矢量图见图1。由图1a可以看出，风机扇叶周边的气流速度很大，高速的气流与扇叶及风机内部壁面间的摩擦将产生一定的噪音。由图1b可以看出，即使风机在工频50Hz运行的情况下，室内的气流能总体保持平稳和低速运行，而轴流风机出口处的风速则相对较大，符合轴流风机实际抽风排风运行特点。由图1c可以看出，在轴流风机的带动下，办公室内部的气流得到了较好的交换，所产生的若干个回旋气流最终流向风机出口方向，越接近风机出口风速的矢量越大。

4.2 样本截面的甲醛浓度分布分析

图2为轴流风机在0Hz（不运转）及工频50Hz（运转）时办公室x=0cm截面的甲醛浓度分布图，由图2可以看出，风机工频50Hz运转时x=0cm截面的甲醛浓度明显低于风机在0Hz（不运转）的甲醛浓度，并且风机运转时在办公桌的上方（人活动时及坐下时的主要呼吸区域）的甲醛浓度显著降低，而甲醛浓度相对高的区域主要集中在办公桌的下方，可见风机的运行能有效地降低办公室甲醛浓度，并实现甲醛在办公室内的分布更符合期待的分布效果。

将风机在不同的电源频率下运行的实际转速作为仿真的初始值，经计算，对应不同的电源频率下办公室内甲醛浓度均值如表1所示。f为经变频器输出的电源频率，nm为风机的转速，H表示办公室内的甲醛浓度均值。

由表1可知，轴流风机的供电频率分别为0Hz及50Hz时，室内的甲醛浓度H值分别为0.028mg/m3及0.114mg/m3，可见工频50Hz下轴流风机的运行可将室内甲醛浓度降低约75%。当f在30～50Hz区间调整时，H值在0.026～0.028mg/m3的区间波动;而当f<30Hz时，H值>0.03mg/m3;随着f值的不断减少，H值呈波动式增加趋势。可见，控制f为30Hz時，可较理想地将室内的甲醛浓度控制在较低值的水平，当f<30Hz时，通过调节风机转速（即调整电源频率），可有效调整室内的甲醛的浓度。

利用spss软件进行曲线拟合得F=208.977，sig.=0.0000，说明回归系数显著，结果显示风机的电源频率与室内甲醛浓度呈Cubic三次曲线方程式关系，拟合方程为：y=0.110347-0.007737x+0.000232x2-0.000002x3。

5 结论

利用数值仿真计算的方法，对原有的办公室进行加装轴流风机通风装置并建模，通过调节风机的电源供电频率，进行了办公室甲醛浓度分布规律的数值模拟与分析。

（1）通过控制风机的转速能有效调节室内甲醛浓度的数值，安装该装置后原室内的甲醛浓度降低约75%（供电电源频率为工频50Hz时）。

（2）利用spss进行曲线拟合的方法，得出风机电源供电频率与室内甲醛浓度的函数关系，函数方程式可表示为：y=0.110347-0.007737x+0.000232x2-0.000002x3，为进一步精准控制室内甲醛浓度提供参考。

参考文献：

[1]岳高伟，陆梦华，贾慧娜.室内污染物扩散的通风优化数值模拟[J].流体机械，2014，42（4）：81-85.

[2]杨玉容，龙天渝，刘腊美.室内通风优化的三维数值分析[J].重庆建筑大学学报，2006（03）：78-84.