室內(nèi)空氣凈化器氣流組織的數(shù)值模擬研究

1、室內(nèi)空氣凈化器氣流組織的數(shù)值模擬研究李喜玉劉偉龍(珠海格力電器股份有限公司家電技術(shù)研究院廣東珠海519070)摘要：用AIRPAK軟件模擬室內(nèi)流場(chǎng)分布，并以速度不均勻系數(shù)為判據(jù)來(lái)分析各種情況下的流場(chǎng)；建立室內(nèi)速度不均勻系數(shù)與潔凈空氣量的關(guān)系。關(guān)鍵詞：AIRPAK、速度不均勻系數(shù)、潔凈空氣量NumericalSimulationandResearchofAirflowDistributionfortheRoomwiththeAirPurifierLIXi-yu,LIUWei-long(HouseholdElectricInstituteofGreeElectricAppliances,Inc.o

2、fZhuhai,519070,Guangdong,China)Abstract:AnairpurifierroomwasnumericalsimulatedusingAIRPAK,andinthesameroomanalysesvariouskindsofvalleydistributionwiththecriterionwhichisestablishedbyasymmetriccoefficientofvelocity.ThepurposeistoestablishancontextbetweenAsymmetriccoefficientofvelocityandCADR.Keywords

3、:AIRPAK>Asymmetriccoefficientofvelocity、CADR0引言空氣凈化器的目的是為了更好的凈化空氣中的有害物質(zhì)，潔凈空氣量、凈化效果和室內(nèi)的流場(chǎng)分布有很大的關(guān)系。設(shè)計(jì)一款同種類型的空氣凈化器時(shí)，需要根據(jù)房間的面積（A）確定空氣凈化器的送風(fēng)量，而目前送審的聯(lián)合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)有根據(jù)房間面積確定潔凈空氣量（CADR的標(biāo)準(zhǔn)：A=0.1*CADR需要潔凈空氣量與送風(fēng)量之間的關(guān)系，這樣就可以由房間面積來(lái)設(shè)計(jì)合適風(fēng)量的空氣凈化器，因CADR1是一個(gè)和室內(nèi)氣流組織分布有直接關(guān)系的參數(shù)，室內(nèi)氣流組織的分布目前還缺乏一種定量合理的評(píng)價(jià)體系，本文以速度不均勻系數(shù)評(píng)價(jià)室內(nèi)氣流組織

4、，所以，本文旨在建立潔凈空氣量和速度不均勻系數(shù)的關(guān)系曲線，根據(jù)該曲線可以得到相應(yīng)的CADR1所需要的K值，然后我們根據(jù)房間大小建立模型，給定一系列的風(fēng)量數(shù)值，用AIRPAK仿真得到該K值下所需要的風(fēng)量數(shù)值，即是所需的空氣凈化器風(fēng)量值1-2。1Airpak簡(jiǎn)介Airpak是FluentInc.公司推出的專門針對(duì)HVAC暖通空調(diào)）領(lǐng)域開發(fā)的一款CFD軟件，專門為暖通專業(yè)設(shè)計(jì)，內(nèi)置了許多模型，如房間、墻、風(fēng)口、人員、熱源等，能夠自動(dòng)網(wǎng)格化，能生成報(bào)表、動(dòng)畫、功能雖然沒有Fluent全面，但比Fluent專業(yè)；其界面較粗糙，仍采用Fluent作為求解器。對(duì)于比較規(guī)則的建筑物的模擬比較精確，對(duì)于特殊外形

5、的建筑物建模過程比較繁瑣，可以準(zhǔn)確地模擬通風(fēng)系統(tǒng)的空氣流動(dòng)、空氣品質(zhì)、傳熱、污染和舒適度等問題。本文是應(yīng)用AIRPAK件對(duì)空氣凈化器室內(nèi)氣流組織進(jìn)行仿真，并輸出室內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的速度數(shù)值，運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行編程，計(jì)算出室內(nèi)流場(chǎng)分布的速度不均勻系數(shù)，從而指導(dǎo)空氣凈化器的方案定制。2評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)方案2.1室內(nèi)氣流組織的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)一款空氣凈化器時(shí)，需要根據(jù)房間的面積確定空氣凈化器的送風(fēng)量，而目前已送審的聯(lián)合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)有根據(jù)房間面積確定潔凈空氣量的標(biāo)準(zhǔn)：A=0.1XCADR需要潔凈空氣量與送風(fēng)量之間的關(guān)系，這樣就可以由房間面積來(lái)選定合適風(fēng)量（Q的空氣凈化器，而如何把CADRWQ聯(lián)系起來(lái)，就需要

6、找和CADRQ均有關(guān)系的合理的中間橋梁一速度不均勻系數(shù)（k）網(wǎng)。潔凈空氣量和房間體積、衰減系數(shù)有關(guān)，而深層次的應(yīng)該是由空氣凈化器的凈化性能、室內(nèi)氣流組織分布有關(guān)，對(duì)于一款凈化部件確定的空氣凈化器來(lái)說，就僅與室內(nèi)氣流組織分布。而風(fēng)量也與室內(nèi)氣流組織分布具有直接的關(guān)系，k即是評(píng)價(jià)室內(nèi)氣流組織的參數(shù)。流場(chǎng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)：kx=CTx/x（1）2.2設(shè)計(jì)思路4-5這樣我們?cè)谠O(shè)計(jì)一全新空氣凈化器之前可以根據(jù)以下的思路來(lái)制定這款空氣凈化器的方案：（1）針對(duì)一款固定凈化類型白空氣凈化器建立CAD濟(jì)口速度不均勻系數(shù)k之間的關(guān)系，建立CAD濟(jì)口k曲線，這種關(guān)系是通過實(shí)驗(yàn)和仿真共同得到的。（2）設(shè)計(jì)所針對(duì)的戶型（即房

7、間面積S）根據(jù)A=0.1XCADR得至ijCADR直，根據(jù)（1）得到相應(yīng)的k值，最后利用AIRPAK及其仿真結(jié)果得到數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行估算，從而得到送風(fēng)量Q3實(shí)驗(yàn)3.1 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：空氣凈化器：待測(cè)風(fēng)量、CADR制冷研究院風(fēng)量實(shí)驗(yàn)室：用于空氣凈化器風(fēng)量測(cè)試塵埃粒子計(jì)重儀YFB-036:CADRi試儀器；實(shí)驗(yàn)艙：測(cè)潔凈空氣量室內(nèi)塵埃初始濃度約10mg/m33.2 CADR實(shí)驗(yàn)方法在一個(gè)放置空氣凈化器的標(biāo)準(zhǔn)3.5mx3.4mx2.5m實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，發(fā)生塵埃粒子的初始濃度為10mg/mi,開啟空氣凈化器最強(qiáng)檔，并分別調(diào)節(jié)電源電壓為140V、160V、200V、220V、240V、260V,用塵埃粒子計(jì)重

8、儀YFB-036對(duì)室內(nèi)總衰減率、自然衰減率進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)公式（2）自動(dòng)計(jì)算出CADFRto潔凈空氣量：表征空氣凈化器凈化能力的參數(shù)，用單位時(shí)間提供潔凈空氣的量值表示CADR60V（ke-kn）（2）CADR-潔凈空氣量，單位為立方米每小時(shí)（m/h）;V測(cè)試房間的體積（m3）;ke總衰減率（min-1）；kn自然衰減率（min-1）。3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1KJG300A凈化倉(cāng)潔凈空氣量實(shí)驗(yàn)電壓/V送風(fēng)量m/h功率WCADRrm/h能效等73160163.446.9701.49180195.357901.58200227.367.21041.55220257.290148

9、1.64240282.3901491.66250293.8941601.704仿真測(cè)試艙的內(nèi)部容積為3003,內(nèi)部尺寸為3.5mX3.4mX2.5m,用AIRPAK仿真建模如下圖所示,選取一系列不同送風(fēng)量，用AIRPAK對(duì)室內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真；Matlab編程計(jì)算室內(nèi)流場(chǎng)分布的不均勻系數(shù)，得到送風(fēng)量與速度不均勻系數(shù)。II'Jr-圖1測(cè)試倉(cāng)、空氣凈化器、進(jìn)出口幾何模型圖2Z=0.48m室內(nèi)截面速度矢量圖從圖2上，肉眼感官很難定性定量的來(lái)衡量氣流組織的分布，本文，把AIRPAK計(jì)算出的室內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的速度值輸出文件，并借助Matlab自行編程，一次求取室內(nèi)平均流速、速度方差和速度分布不均勻系數(shù)；

10、計(jì)算程序如圖3;表3Matlab計(jì)算程序電壓/V送風(fēng)量m3/h速度平均值m/s速度方差108速度不均勻系數(shù)父1071401320.09382.88873.0786160163.40.10883.36413.0927180195.30.12366.0694.9098200227.30.14665.51683.762220257.20.16714.53612.7147240282.30.18692.70371.4466250293.80.19598.70744.4448表2Matlab編程計(jì)算所得速度平均值、速度方差和速度不均勻系數(shù)Ifidbd"dAtJ-txt9;XC招口§句

11、性叫KAltV-54rt(獨(dú)"惴V-law；皿-3NN曜里蓼-will森聲度最小值鍵度直方圖Fifurr£11Mt«(!1,明511,5才才G8笨置Nflails4L01/5工維2多ILWK一立抖I.K2SB.KJli.M75M75D.IFZ%I.UFS«.J嘰1酢%“箏明睥？$，剪蔣，8昨孔*?下nF%的丹都需t.KT5«.«72S九酊丹*1機(jī)15曾C-Jn-t逋度小于某一定值的逋陵直的空閽特布FlfUEwfwr出網(wǎng).31.-3一'，；h«ldMendriiri5結(jié)論與分析把上述風(fēng)量、潔凈空氣量、速度不均勻系數(shù)等數(shù)

12、據(jù)匯總，并繪制關(guān)系曲線，分析各種曲線之間的相互關(guān)系；各參數(shù)之間的關(guān)系曲線如下列圖形所示：140|一.送風(fēng)量與潔凈空氣量的關(guān)系120140160180200220240260280300送風(fēng)量/m3/h7pkeo1f數(shù)系勻均不度速.不同送風(fēng)量卜至內(nèi)流場(chǎng)速度不均勻系數(shù)120140160180200220240260280300送風(fēng)量/m3/h圖3潔凈空氣量隨送風(fēng)量的變化圖4速度不均勻系數(shù)隨送風(fēng)量的變化6080100120CADR/m3/h140160一潔凈空氣量與至內(nèi)流場(chǎng)速度小均勻系數(shù)的關(guān)系70SOOT1D011012013014口190100CADR(ni%J圖5速度不均勻系數(shù)隨潔凈空氣量的變化

13、圖6速度不均勻系數(shù)與空氣凈化器擬合曲線5.1、 從圖3送風(fēng)量與潔凈空氣量的關(guān)系曲線可見，隨著過濾式空氣凈化器送風(fēng)量的增加，該空氣凈化器的潔凈空氣量也相應(yīng)增大，但是隨著風(fēng)量增大到一定程度時(shí)，潔凈空氣量的增加趨勢(shì)逐漸減弱，由此可見潔凈空氣量與送風(fēng)量呈正相關(guān)的趨勢(shì)。5.2、 從圖4室內(nèi)流場(chǎng)速度不均勻系數(shù)與送風(fēng)量的關(guān)系曲線可見，隨著送風(fēng)量的增加，室內(nèi)流場(chǎng)不均勻系數(shù)先增加，在送風(fēng)量達(dá)到200m3/h的時(shí)候，速度不均勻系數(shù)達(dá)到最大值，約為4.9父101然后，隨著送風(fēng)量再繼續(xù)增加的時(shí)候，速度不均勻系數(shù)呈下降趨勢(shì)。5.3、 由圖56綜合起來(lái)把室內(nèi)速度不均勻系數(shù)與潔凈空氣量相關(guān)聯(lián)，得到速度不均勻系數(shù)與潔凈空氣量

14、的關(guān)系曲線（圖3）;本實(shí)驗(yàn)是在KJG300A空氣凈化器的強(qiáng)檔工作狀態(tài)下把電壓從140V240V的情況下測(cè)試的，相應(yīng)的空氣凈化器的送風(fēng)量從132m3/h294m3/h,潔凈空氣量從64m3/h149m3/h,在此范圍內(nèi)，速度不均勻系數(shù)是隨著空氣凈化器送風(fēng)量的增加先增大，再逐漸減小，隨著CADR潔凈空氣量的增加，室內(nèi)流場(chǎng)不均勻系數(shù)先增加，在送風(fēng)量達(dá)到90m3/h的時(shí)候，速度不均勻系數(shù)達(dá)到最大值，約為4.9101然后，隨著送風(fēng)量再繼續(xù)增加的時(shí)候，速度不均勻系數(shù)呈下降趨勢(shì)。5.4、 圖6是用MATLA6巴室內(nèi)速度不均勻系數(shù)與潔凈空氣量的關(guān)系擬合得到的二次方程曲線，該二次方程為（3）:y=-9.9e-0

15、11*x2+2e-008*x-5.7e007（3）式中：x：潔凈空氣量，m3/h;y：室內(nèi)速度不均勻系數(shù)圖7速度均值、方差、不均勻系數(shù)隨送風(fēng)量的變化5.5、 由上圖7來(lái)解釋速度不均勻系數(shù)的變化規(guī)律：由室內(nèi)流場(chǎng)速度不均勻系數(shù)的公式kx=仃/x可知，不均勻系數(shù)是室內(nèi)所取各點(diǎn)的方差與平均速度之比，隨著空氣凈化器送風(fēng)量的增大，室內(nèi)平均速度逐漸增大，而對(duì)于室內(nèi)各點(diǎn)速度的方差來(lái)說，當(dāng)空氣凈化器送風(fēng)量較小的時(shí)候，隨著送風(fēng)量的增加，室內(nèi)各點(diǎn)的速度大小差別比較大，各點(diǎn)速度變化劇烈，所以，此時(shí)方差的影響占主要因素，方差的變化幅度大于速度平均值的變化幅度，故速度不均勻系數(shù)減??；當(dāng)空氣凈化器送風(fēng)量增大到一定值，室內(nèi)各點(diǎn)速度的方差值不會(huì)繼續(xù)增加，而改為逐漸下降的趨勢(shì)，故速度不均勻系數(shù)逐漸減小。參考文獻(xiàn)1劉希女申江楊永安鄒同華吳雙.Airpak