基于CFD 的空气净化器流场分布仿真分析

蔺勇智， 刘东海， 陈双扬， 张 敖

（1.无限极（中国）有限公司， 广东 广州 510663； 2. 广州安世亚太信息科技有限公司， 广东 广州 511400）

0 引言

随着国民经济的快速发展， 人民的生活水平及健康意识也逐步提升， 经济的高速发展也同时伴随着一些环境问题的产生，如室外空气污染问题、室内装修材料及家具的甲醛超标问题等一直备受消费者关注， 特别是突如其来的新冠疫情，给人民的生活、工作增添了不少麻烦。

2020 年初，新冠病毒疫情爆发，消费者开始意识到，空气净化器不仅具有除雾霾的功能， 还具有过滤净化包括细菌、病毒在内的多种空气污染物的功能。 当前，消费者对于空气净化设备能否过滤病毒极为关注。

空气净化器作为有效的室内空气净化处理设备一直被专家学者们验证及认可。 需要指出的是，空气净化器铭牌上标称的CADR 值，即洁净空气量是依据GB/T 18801-2015《空气净化器》在标准的实验舱测试得出[1]，但CADR值无法呈现出在某一空间环境中经过空气净化器处理后的洁净空气的流场分布状态， 即空气净化器在适用面积空间内的实际净化路径及效果， 因此相关研究也成为众多专家学者的重要研究内容及方向[2-5]。 其中郭云枝，李擎等[3-4]通过计算机仿真技术，针对空气净化器摆放位置对流场及污染物净化效果的影响做了深入研究；王欢等[5-6]通过彩色时序粒子轨迹测量方法（CSPSV），实现了对真实房间尺寸下的净化器周围气流的三维非接触式测量和对比研究。 彩色时序粒子轨迹测量方法适合于房间尺度的三维速度场测量，并可以在较大范围内保持高精度，但其测试方法需要较复杂的CSPSV 系统布置， 以及后续的数字图像处理方法相配合得出分析结果。

对于不同风道结构的空气净化器， 其送风方式及空气流场分布状态也存在差异。 以验证空气净化器在适用面积空间内的实际净化路径及效果为目的， 本文以采用离心风机的空气净化器作为研究对象，通过CFD 仿真分析技术， 针对空气净化器在限定尺寸空间内运行时的状态进行了动态仿真分析， 较为有效的捕捉到空气净化器在适用面积空间内运行时空气的流场分布状态及流线轨迹，具有一定的参考意义。

1 室内空气流场分布仿真分析

1.1 净化器性能及室内空间尺寸参数设定

1.1.1 净化器性能参数设定

净化器性能参数设定： ①优化前滤网方案：PCADR=550m3/h；②优化后滤网方案：PCADR=660m3/h；优化前后两种滤网方案均适用同一空气净化器，其结构采用前端两侧进风，离心风机组件位于过滤网后方，出风口位于机体后侧上部，风机蜗壳组件基于阿基米德螺旋线原理设计。

1.1.2 室内空间尺寸参数设定

依据GB/T 18801-2015《空气净化器》附录F 关于净化器去除颗粒物污染物适用面积的计算方法， 即S=（0.07～0.12）Q， 其中Q 为净化器去除颗粒物的洁净空气量（PCADR），得出享优乐牌空气净化器优化前、后的适用面积分别为S1=（38.5～66） m2、S2=（46.2～79.2）m2，房间高度h=2.4m[1]。 为了验证空气净化器的最佳净化效果，对S1、S2的最小适用面积平均后取整，即S≈40m2。

1.2 室内流场建模及简化处理

针对室内空气流场分布进行计算机仿真分析， 需要将净化器3D 模型放置在40m2， 层高2.4m 的建模空间内。 图1（a）为结构模型，为了确保得到较高质量的网格，首先使用ANSYS DM 的几何清理工具， 对结构模型中较小的细节进一步处理。 得到如图1（b），最终简化后的净化器模型。

图1 净化器结构模型及简化后的模型图

其次建立室内空气流体区域为S=40m2，房间为边长X=6.32m，房间高度h=2.4m 的正方体空间组成，空气净化器摆放在室内一墙边中心位置，距离墙边尺寸Y=3.16m，且机器出口距离后侧墙壁200mm，见图2，通过布尔操作求差，得到室内流体域。

图2 室内流体域及净化器放置位置图

后续计算需要保留净化器内部流道， 以及叶轮旋转区域，同时在净化器内部和外部流道的交界处使用Interface 进行连接。 如图3 所示为空气净化器内部流道区域。

图3 空气净化器内部流道区域

1.3 分区域划分网格

模型清理后，需要对整体模型进行网格划分。为降低非必要的运算量， 本文采用的网格划分思路是分区域进行网格划分，即对室内进一步划分区域，在净化器周围划分了一个0.7m×1m×1m 的加密区域。

经处理，整体网格如图4（a）所示，总网格数量达920万，空气净化器放置处剖面网格如图4（b）所示，可见不同区域的网格大小差异。

图4 室内空气流场整体及局部剖面网格划分图

1.4 滤网阻力模型计算及设置

在空气净化器中， 各层滤网起到对空气中污染物的不断过滤和净化作用，其结构存在较大的空气阻力，所以在净化器流场的分析中，滤网空气阻力必须要考虑。经过对滤网优化前后流量压降性能的实际测试数据进行提取及拟合，分别得出滤网优化前后压降-流速关系图，详见图5 所示。

图5 优化前和优化后滤网压降-流速关系图

根据图5（a），得到优化前的HEPA 滤网压降p1与速度v1呈线性关系：p1=41×v1；优化前的气味滤网压降p2与速度v2呈2 次关系：p2=11×v2+23.5×v22；根据图5（b），得出优化后的HEPA 滤网压降p1’与速度v1’呈2 次关系：p1’=33.6×v1’+15.8×v1’2；优化后的气味滤网压降p2’与速度v2’呈2 次关系：p2’=6.1×v2’+5.6×v2’2； 再根据得出的拟合曲线与公式（1）对比计算，其中公式（1）为多孔介质压降与速度的经验关系式， 其中△p—压降，△m—多孔介质厚度，v—流速，μ—空气粘度系数，1/α—粘性阻力系数，C2—惯性阻力系数。

可令拟合曲线和式（1）右侧的一次项系数和二次项系数分别相等，计算结果详见表1，得出具体系数后在软件中进行设置，并开始进行仿真分析。

表1 仿真用关键系数计算表

1.5 仿真分析

鉴于安装优化前后滤网方案的空气净化器的空气流场分布仿真过程是一样的， 仅是在相同时间下净化效果有所不同，因此为节省篇幅，以下关于空气净化器运行时空气流场分布的计算机仿真过程主要以优化前的滤网方案为主， 以优化前后的滤网方案在仿真过程中的某一关键时间点净化效果对比为辅作为示例展开。 图6（a）所示为室内空气流场稳定后， 流经空气净化器出口的净化空气流场分布， 由结果可见洁净空气能够基本达到室内各个区域， 从而带动其所覆盖区域的空气源源不断的向空气净化器的吸风口处移动，直至被循环净化。将仿真结果进一步放大，如图6（b）可更清楚看到净化器附近的空气流场分布情况，经过叶轮转动，使得气流加速，到出口半米距离的风速都高于5m/s，同时出口气流方向偏向一侧，沿着流动方向，射流宽度不断扩大及辐射散开，最终与墙壁碰撞并分散开，与基于彩色时序粒子轨迹测量方法测试的相同或类似结构空气净化器的结果描述趋势基本一致[6]。 为了对整个空间的速度分布有更加直观的判断，可以继续通过CFD-Post 对仿真空间空气流速分布进行渲染。

图6 室内空间及净化器周围空气流场分布图

进一步仿真分析室内空气流动的速度， 分别对坐标轴三个方向截取平面，显示相应的速度分布。 见图7（a）、图7（b）、图7（c）所示，分别为位于X（-2，0，2），Y（0.5，2），Z（0.5，2.5，4.5）方向截面的速度云图，速度越大（即颜色越浅）的区域，空气流通越好。

图7 X、Y、Z 截取平面速度分布图

在仿真结果中， 可以根据空间中任一点到达滤网的流线时间来判断空间中任一点净化所需的时间。 如图8（a）表示为50s时仿真空间内被净化的空气流线路径，图8（b）表示为600s 时仿真空间被净化的空气流线路径， 根据空气流场的分布状态，可以看出此时空间内空气基本完成1 次净化。 优化前的净化器 PCADR 为550m3/h， 经过计算得出，在面积S=40m2， 层高h=2.4m 的空间内，空气被完全净化1 次的时间约为628s， 与 空 气 净 化 器 在600s 时仿真结果基本趋于一致，由此可以证明空气净化器在适用面积空间内的空气流场分布状态仿真是非常接近真实效果的。

图8 50s 及600s 时仿真空间内被净化的空气流线图

为更加直观的看到优化前后的空气净化器在仿真过程中的空气流场分布状态对比差异，本文抓取405s 时的仿真结果，其对比结果如图9 所示。

从图9 中可以明显看出， 因为优化后的滤网方案阻力会更小， 其PCADR 值由原来的550m3/h 变为660m3/h，所以仿真状态下，在空气净化器运行405s 时，优化后的空气净化器，其室内空气流场分布范围会更大，空气流速也相应增大，在相同体积环境内，室内空气被完全净化1次的时间会更短，即实际净化效果会更佳。

图9 405s 时优化前后差异对比图

2 结论

通过使用ANSYS CFD 对空气净化器进行计算机仿真分析， 得出空气净化器在常温状态下的限定空间内运行时，其室内空气流场分布状态及流线轨迹。通过该仿真分析方法可以更加直观的判断空气净化器的实际净化效果， 间接的解决了使用者无法感知空气净化器净化效果的问题，具备一定的参考性及演示性。

本文阐述的内容是基于在理想状态下输出的仿真结果及趋势， 受限于实际使用空气净化器的环境中有不同款式的家具、家居用品以及室内不同装修材料等，所以其仿真结果并不能代表空气净化器在实际使用环境中的效果，这也将是本研究后续的另一延展方向。