车内甲醛浓度及其动态分布数值仿真分析

何莉萍 ，辛宇航 ，夏凡 ，杨金 ，原江鑫

（1.湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙 410082；2.湖南大学 机械与运载工程学院，湖南 长沙 410082）

车内空间小且构成复杂，是一种特殊的室内微环境.相关数据显示，人们一天待在车内的时间长达115 min［1］.汽车内饰零部件会散发挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs），这些污染物通过呼吸系统进入人体，从而对乘员健康安全产生威胁.在以往的车内气体污染物相关研究中，主要是通过实验测试方法分析静态下整车检测点甲醛、三苯的质量浓度及其影响因素［2-4］.其中甲醛因高致病率和高致癌性，成为各国环境组织重点关注的污染物之一.为此，相关研究机构与学者开展了大量与室内及车内甲醛质量浓度相关的研究［5］.张烨［6］提出了基于气相色谱仪的室内甲醛质量浓度检测方法，结果表明，气相色谱法具有较高的灵敏性以及更加高效等特点；Reddam 等［7］测试了静态条件下整车检测点的甲醛质量浓度，并评估了甲醛对乘员致癌的风险.这些研究主要是针对甲醛质量浓度的测试分析方法以及静态模式下甲醛对人体健康的影响.

采用实验方法检测车内甲醛质量浓度的时间较长、成本较高，并且测试分析车内甲醛分布的难度大.数值仿真为模拟复杂问题和预测车内挥发性有机污染物的质量浓度及分布提供了有效手段［8-9］.为此，一些学者基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）理论开展了高速列车、客车等车厢内VOCs 质量浓度及其分布研究.张倍瑜［10］基于CFD 原理，采用Fluent 软件对高速列车车厢内苯、甲苯的质量浓度与分布进行了仿真分析，研究高速列车车厢内苯、甲苯散发位置以及散发速率对乘员呼吸界面上苯、甲苯分布的影响，结果表明，地板对乘员呼吸界面上苯、甲苯质量浓度分布影响最为显著，地板和顶板对列车车厢内苯、甲苯的质量浓度影响随有机挥发物散发速率的变化呈非线性变化；Qin等［11］分析了长途客车车厢内的空气流速及其对车厢内甲醛质量浓度分布的影响.然而，乘用车与客车、高速列车的结构、尺寸大小不同，其内部零部件种类、数量和布局也完全不同.因此，开展乘用车内甲醛气体的动态研究显得十分重要.Tong 等［12］基于CFD理论，模拟静态下太阳辐射时乘用车内TVOC的空间分布特征，发现仪表板以及后置物台附近区域的TVOC 质量浓度高于其他区域.Rodak 等［13］采用Fluent 软件模拟乘用车前/侧窗通风口、仪表板通风口以及驾驶员脚部通风口单独工作时车内正戊烷和甲苯质量浓度分布特征.针对高污染、高危害的甲醛在乘用车内通风条件下的动态分布特征及规律的研究相对缺乏，亟待开展相关研究，有针对性地改进乘用车构造相关设计（如通风口位置设计、零部件材料的遴选等），以提高乘用车内空气质量.

本文依据CFD 理论，采用Fluent 软件建立了车内甲醛浓度及其分布仿真模型，并验证其有效性及可靠性.在此基础上，以温度、通风速率以及通风模式等因素为变量，基于车内空气流场分析率先研究了乘用车内重要污染物甲醛质量浓度分布及其动态变化规律，首次系统研究了温度、通风速率和通风模式对驾驶员、乘员呼吸关键点位（与人体健康密切相关）甲醛质量浓度分布及其变化规律，为进一步开展降低车内甲醛质量浓度的整车绿色正向设计提供依据.

1 模型建立及可靠性验证

1.1 几何模型

采用CATIA 软件建立与某车型对应的乘用车空气域几何模型，以便后续开展相应的实验验证.其空气域尺寸为2.50 m×1.25 m×1.10 m，如图1（a）所示.为便于仿真计算，对车内空气域几何模型进行简化，不设置门窗.计算域网格数量为761 806，如图1（b）所示.

图1 车内空气域几何模型与网格划分Fig.1 Geometric model and meshing of the car

1.2 数学模型

本文基于CFD理论，构建乘用车车内VOCs浓度及分布仿真模型，并基于能量守恒定律开展数值模拟仿真分析；由于车内空气流动状态属于湍流，所以模拟仿真中选用标准k-epsilon 方程作为控制方程；车内甲醛的扩散采用组分运输方程［14］.数学模型从略.

1.3 仿真边界条件

徐永新等［15］研究结果指出：车内甲醛主要来源于汽车座椅、地毯以及顶棚.因此，本文仿真作如下假设：①车内甲醛污染主要来自座椅、地毯和顶棚，设置座椅、地毯和顶棚的平面为甲醛散发源头；②车内混合空气是理想的不可压缩气体；③空气中甲醛质量浓度为0.

本文通过某款汽车的鼓风机功率参数，得到4个挡位下的通风速率.其中，送风量的计算公式如下：

式中：Q为送风量，m3/h；P为鼓风机功率，kW；η0为风机内效率；η1为机械效率；p为风机全风压，本文取1 000 Pa［16］.通风速率是送风量与通风口面积的比值.基于对应车型鼓风机功率、风机内效率、机械效率和通风面积计算获得的不同挡位下的送风量和通风速率，如表1所示.

表1 不同挡位下的送风量和通风速率Tab.1 Air supply volume and ventilation rate at different gears

计算最低挡位的通风速率为0.5 m/s，最高挡位的通风速率为4.0 m/s.将其大致按等差数列分为4个挡位，分别为0.5 m/s、1.6 m/s、2.8 m/s、4.0 m/s，将其设置为仿真边界条件中的不同通风速率.

为了确定仿真边界条件中各零部件的甲醛散发速率，本文依据公式（2）和公式（3），以文献［15］中各零部件散发甲醛的浓度值Ci作为数据（i=1，2，3，代表零部件种类），求出各零部件散发甲醛的平均散发速率vi，其中：

式中：Mi为时间t内第i个零部件散发甲醛的总质量；Ci为第i个零部件散发甲醛的浓度值；V为采样袋体积；vi为第i个零部件散发甲醛的平均散发速率；t为散发时间.以25 ℃条件下座椅的甲醛散发速率计算为例.

边界条件设置如表2 所示.依据实车通风模式设置，本文设置如图2 所示的不同通风口，不同通风模式是不同通风口的组合，如表3所示.

表2 边界条件Tab.2 Boundary conditions

表3 通风模式设置Tab.3 Ventilation modes setting

图2 通风口位置示意图Fig.2 Schematic diagram of ventilation locations

模式1 为仪表板两侧通风口2、中控台后方通风口3 以及驾驶员脚部通风口5 开启；模式2 为仪表板两侧通风口2、中控台后方通风口3、后排B柱通风口4 以及驾驶员脚部通风口5 开启；模式3 为仪表板中间及两侧通风口1 和2、中控台后方通风口3 以及驾驶员脚部通风口5开启.

本文为研究车内甲醛质量浓度及其动态分布，将驾乘人员呼吸位置与人体健康密切相关的位置作为研究的关键点位，整车检测点为国家标准检测位置［17］.本文设置两个特征截面，其中横截面包含3 个采样点的驾乘人员呼吸平面，垂直面为驾驶员侧部截面.截面、采样点和采样线的位置示意图如图3 所示.截面、采样点、采样线的坐标如表4所示.

表4 截面、采样点、采样线的坐标Tab.4 Coordinates of sampling point，line and section

图3 截面、采样点及采样线的位置示意图Fig.3 Schematic diagram of location of cross-section，sampling points，and sampling lines

1.4 模型可靠性验证

为验证本文建立的车内VOCs 浓度及其分布仿真模型的有效性和可靠性，采用Fluent 软件开展了乘用车内整车检测点甲醛、乙醛、甲苯及乙苯质量浓度的仿真分析，仿真边界条件设置与德国PV3938 标准［18］实验条件一致：环境温度为65 ℃，保持整车静止状态，即通风速率为0.验证仿真的参数设置如表5所示.

表5 验证仿真的参数设置Tab.5 Parameter setting of the simulation for verification

文献［15］中的实验采用德国PV3938 标准，对整车检测点VOCs各组分质量浓度进行测试，具体实验步骤如下：①将整车静止、密闭地放置在恒温恒湿标准测试环境中；②使用红外灯同时照射车内不同部位使其表面温度达到65 ℃；③封闭16 h 后采集车内整车检测点各VOCs 组分样品.采样设置示意图如图4所示.

图4 采样设置示意图Fig.4 Sampling setting diagram

为了验证仿真分析，本文将仿真结果与文献［15］中测试的车内甲醛、乙醛、甲苯以及乙苯质量浓度实验结果进行对比，如图5所示.

图5 整车检测点VOCs质量浓度仿真值与实验值对比Fig.5 Simulation result of VOCs concentration at vehicle detection point compared with the experimental result

由图5 可见，整车检测点甲醛、乙醛、甲苯以及乙苯的实验值和仿真值误差均小于6.00%，其中甲醛质量浓度误差为5.33%，乙醛质量浓度误差为4.58%，甲苯质量浓度误差为5.11%，乙苯质量浓度误差为2.70%，说明本研究构建的仿真模型具有一定的有效性和可靠性，可用于后续整车各关键位置甲醛质量浓度的相关仿真分析.

2 结果与讨论

2.1 温度对车内甲醛浓度及分布的影响

相关研究表明，车内温度对甲醛质量浓度的影响效果最明显［19-20］.本文在通风速率为1.6 m/s 和通风模式3 的条件下，研究在25 ℃和65 ℃ 2 种不同温度下，甲醛的质量浓度及分布特征.不同温度下车内甲醛浓度及分布云图如图6 所示，其中不同颜色代表的甲醛浓度不同，如表6所示.

表6 图6中不同颜色代表的甲醛浓度值Tab.6 Formaldehyde concentration represented by different colors in the diagram 6

图6 不同温度下车内甲醛浓度及分布云图Fig.6 Cloud diagram of formaldehyde concentration and distribution in car at different temperatures

由图6与表6可知，65 ℃时车内各区域甲醛质量浓度平均比25 ℃时甲醛质量浓度高出1 个数量级.相比25 ℃，65 ℃时车内甲醛高浓度区域呈扩大趋势，且车内甲醛质量浓度分布更加均匀，这主要是由于高温加快了车内零部件甲醛散发，在通风条件不变的情况下，车内甲醛积累速度越快，从而造成车内严重的甲醛污染.因此，要重点控制车内温度，防止车内高温的出现.

2.2 通风速率对车内甲醛浓度及分布的影响

2.2.1 不同通风速率下整车空气流场及甲醛分布

本研究在25 ℃和通风模式3 条件下，探究不同通风速率对车内甲醛质量浓度及分布的影响.车内通风速率的差异对空气流场及甲醛质量浓度分布云图的影响不大.因此，以通风速率1.6 m/s 为例，整车空气流场及车内甲醛浓度分布云图如图7 所示.不同颜色代表的甲醛浓度值如表7所示.

表7 图7中不同颜色代表的甲醛浓度值Tab.7 Formaldehyde concentration represented by different colors in the diagram 7

图7 整车空气流场及车内甲醛浓度分布云图（v=1.6 m/s）Fig.7 Cloud diagram of formaldehyde concentration and air flow in a car（v=1.6 m/s）

从图7以及表7可以看出，整车空气流场中存在涡旋，从而对车内VOCs 的质量浓度分布产生影响，具体影响效果见后述.在通风速率1.6 m/s 以及通风模式3 的条件下，车内顶部区域的甲醛质量浓度远低于底部区域，特别是后排座椅表面甲醛质量浓度最高，高于顶部区域甲醛质量浓度5 个数量级.并且后排座椅空间甲醛浓度比前排座椅空间高.

2.2.2 不同通风速率下横截面甲醛分布及空气流场

为探究通风速率对车内甲醛质量浓度分布的影响，以y=0（中控台上方）处的甲醛质量浓度作为基准，分析典型采样线上甲醛质量浓度分布及变化趋势，如图8所示.

图8 不同通风速率下采样线1和采样线2甲醛质量浓度分布及变化趋势Fig.8 Distribution and variation trend of formaldehyde concentration on sampling line 1 and 2 under different ventilation rates

从图8 可以发现，前排乘员呼吸位置连线的甲醛质量浓度分布较为均匀，由于涡旋影响，后排乘员呼吸位置连线中间区域的甲醛质量浓度低于靠近后排车门处的甲醛质量浓度.在不同通风速率条件下，甲醛质量浓度分布变化趋势不同，当通风速率低于1.6 m/s时，采样线1沿着y轴方向的甲醛质量浓度分布呈“双曲线”型；当通风速率大于1.6 m/s时，其分布逐渐变为“驼峰”型，即前排座椅正前方的甲醛质量浓度高于中控台上方甲醛质量浓度.而采样线2 沿着y轴方向的甲醛质量浓度分布始终呈“双曲线”型，这是因为前排座椅前方以及后排空间靠近车门处存在涡旋，见图7（a）和图9，通风速率越大，涡旋中的甲醛越难排出，从而导致此区域甲醛质量浓度升高.因此，在未来汽车通风系统设计时，应增加后排靠近车门处的通风，以减少后排乘员呼吸位置甲醛污染.

图9 横截面空气流场Fig.9 Air flow of horizontal plane

2.2.3 不同通风速率下垂直面甲醛分布及空气流场

以x=1（驾驶员呼吸位置）处的甲醛质量浓度作为基准，分析采样线3 上甲醛质量浓度分布及变化趋势，如图10所示.

图10 不同通风速率下采样线3甲醛质量浓度分布及变化趋势Fig.10 Distribution and variation trend of formaldehyde concentration on sampling line 3 under different ventilation rates

由图10 可知，前、后排的甲醛分布特征存在明显差异.前排区域的甲醛质量浓度沿着x轴方向呈先升高后降低的趋势，而后排区域的甲醛质量浓度沿着x轴方向呈先降低后升高的趋势.随着通风速率增大，前排区域甲醛质量浓度逐渐升高，且甲醛质量浓度最高点逐步向车头方向移动.前排座椅后方的甲醛质量浓度相比座椅前方高，这是由于前排座椅的阻碍，导致前排座椅后方的气流强度不大，并且前排座椅后方也存在气流涡旋，从而导致该区域的甲醛堆积，如图11所示.

图11 垂直面空气流场Fig.11 Air flow of vertical plane

为探究通风速率对驾乘人员呼吸位置甲醛质量浓度变化的影响，以0.5 m/s 时各采样点甲醛质量浓度为基准，分析不同通风速率下各采样点甲醛质量浓度变化曲线.

从图12 可以明显看出，随着通风速率增加，不同采样点甲醛质量浓度变化趋势不同.驾驶员呼吸位置的甲醛质量浓度随通风速率增加而增加，当通风速率≤1.6 m/s时增长速率为16.5%，通风速率＞1.6 m/s后增长速率下降为3.6%；整车检测点的甲醛质量浓度随通风速率增加呈线性增长，增长率约为10.8%；后排乘员呼吸位置的甲醛质量浓度随通风速率的增大几乎以11.9%的下降率降低.当通风速率从0.5 m/s增加至1.6 m/s 时，驾驶员呼吸位置以及后排乘员呼吸位置甲醛质量浓度变化较大；而当通风速率大于1.6 m/s 时，甲醛质量浓度随通风速率的增大变化相对不明显.

图12 不同通风速率下各采样点甲醛质量浓度变化曲线Fig.12 Curves of formaldehyde concentration at sampling point under different ventilation rates

2.3 通风模式对车内甲醛浓度及分布的影响

在25 ℃、通风速率1.6 m/s 条件下，探究不同通风模式对车内甲醛质量浓度及分布的影响.图13 为不同通风模式下车内甲醛浓度及分布云图，图中不同颜色代表的甲醛浓度值参照表7.

图13 不同通风模式下车内甲醛浓度及分布云图Fig.13 Cloud diagrams of formaldehyde concentration and distribution in car under different ventilation modes

由图13 可知，在通风速率1.6 m/s 的条件下，与通风模式1 相比，通风模式2 与通风模式3 时车内后排空间甲醛质量浓度有略微降低，通风模式2 时中控台上方甲醛质量浓度明显降低，从5.91 μg/m3降至3.66 μg/m3，降低了38.1%；通风模式3 时前排空间靠近前排座椅区域的甲醛质量浓度大幅降低，从10.17 μg/m3降至6.36 μg/m3，降低了37.5%.表明仪表板中间部分通风口对降低驾驶员呼吸位置的甲醛污染有很大作用；在B 柱上设置后排空间通风口能够有效减少后排乘员呼吸位置以及整车检测点位置的甲醛污染.

3 结论

1）温度对车内甲醛质量浓度影响显著.65 ℃时车内各区域甲醛质量浓度平均比25 ℃时甲醛质量浓度高出1 个数量级，且车内甲醛高质量浓度区域呈扩大趋势.因此控制车内温度，防止车内高温是降低车内甲醛污染物质量浓度的有效途径.

2）在通风条件下，前排空间甲醛质量浓度低于后排空间，后排空间甲醛质量浓度呈中间低、边缘高的特征.因此需要加强后排空间通风，尤其是靠近后排车门区域，增加空调送风量，将有助于减少后排乘员呼吸位置的甲醛污染，保障乘员健康.

3）不同通风速率条件下，车内甲醛质量浓度由于涡旋流场而呈现“双曲线”和“驼峰”型不同分布特征.当通风速率低于1.6 m/s 时，前排驾乘人员呼吸位置连线沿着y轴方向的甲醛质量浓度分布呈“双曲线”型；当通风速率大于1.6 m/s 时，其分布逐渐转变为“驼峰”型，即前排座椅正前方的甲醛质量浓度高于中控台上方甲醛质量浓度.而后排驾乘人员呼吸位置连线沿着y轴方向的甲醛质量浓度分布始终呈“双曲线”型.

4）通风口设置位置对车内甲醛质量浓度影响较大.通风模式2 时中控台上方甲醛质量浓度明显降低，从5.91 μg/m3降至3.66 μg/m3，降低了38.1%；通风模式3 时前排空间靠近前排座椅区域的甲醛质量浓度大幅降低，从10.17 μg/m3降至6.36 μg/m3，降低了37.5%.表明仪表板中间部分通风口对降低驾驶员呼吸位置的甲醛污染有很大作用，而在B 柱上设置后排通风口能够有效减少后排乘员呼吸位置以及整车检测点的甲醛污染.

该研究可望为降低车内微环境污染物质量浓度和控制其分布提供解决方案，为提升车内空气质量提供理论依据.