丁水蘭，劉 遠，余 剛,

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轎車內(nèi)甲醛凈化的數(shù)值模擬研究

丁水蘭1，劉 遠1，余 剛1,2*

(1. 武漢紡織大學 環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430073; 2. 南京航空航天大學 航空宇航學院，江蘇 南京 210016）

車內(nèi)空氣品質(zhì)；數(shù)值模擬；甲醛濃度；凈化；氣流組織

1 引言

隨著室內(nèi)空氣污染越來越得到市民的關(guān)注，車內(nèi)空氣污染影響健康也成為“汽車一族”關(guān)注的重點[1,2]。在中國科協(xié)工程學會聯(lián)合會汽車環(huán)境專業(yè)委員會主辦的“中國首次汽車內(nèi)環(huán)境污染情況調(diào)查活動”中，被檢測的汽車有93.82%的車內(nèi)空氣環(huán)境存在不同程度的污染情況。車內(nèi)污染物主要為甲醛、苯和TVOC等[3]。

由于開空調(diào)的時候車窗緊閉，使車內(nèi)空氣不流暢，導致車內(nèi)人員出現(xiàn)頭暈、困倦、咳嗽的現(xiàn)象，除此之外，還會感到壓抑煩躁、注意力不能集中等不適癥狀?？梢?，汽車空氣污染物已經(jīng)嚴重影響了司乘人員的身體健康，因此需要在車內(nèi)安裝空氣凈化器[4-7]。

一個好的氣流組織方案會使污染物濃度能夠達到標準值[8]，甚至還可使人感覺舒適性很好；反之，對于比較差的氣流組織方案就連最低要求也達不到。很顯然，空氣凈化器的安裝位置對車內(nèi)空氣氣流組織及車內(nèi)空氣污染物的凈化效果有很大影響，因此，在安裝車載凈化器之前需要詳細了解由空氣凈化所形成的空氣速度場及甲醛濃度場，從而制定出最佳的氣流組織方案及合理的凈化器安裝位置。

數(shù)值模擬為我們從事該方面的研究提供了強有力的手段，目前已有一些關(guān)于室內(nèi)氣流組織方式對甲醛分布影響的數(shù)值模擬研究。例如：鄧王平就室內(nèi)氣流組織對甲醛分布的影響進行了模擬研究[9]；劉玉峰等利用CFD軟件模擬計算了兩種氣流組織方式下室內(nèi)甲醛的濃度場，并與傳統(tǒng)計算方法的結(jié)果進行了比較[10]。但是，對于裝有空氣凈化器的汽車內(nèi)的氣流組織對甲醛分布規(guī)律影響的研究卻很少，因此對此情況下汽車內(nèi)甲醛的氣流組織分布情況進行數(shù)值模擬研究就顯得尤其必要。

為了達到更好的空氣凈化效果，需要了解在多種方案下，汽車室內(nèi)的氣流組織分布情況，這主要是通過數(shù)值模擬計算的方式進行的[11]。本文針對汽車室內(nèi)結(jié)構(gòu)，采用CFD數(shù)值方法，研究通過改變氣流組織分布方式，以達到對汽車室內(nèi)的空氣污染物的稀釋凈化效果，從而找到最佳凈化效果。

2 分析方法

2.1 基本假設(shè)和數(shù)學模型

汽車內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)復雜，人體形狀各異，計算資源大，實際的內(nèi)氣流分布情況受到結(jié)構(gòu)的影響復雜多變。

在不影響模擬結(jié)果的情況下，本文通過汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實際大小尺寸，截取汽車中段的一部分。

（1）幾何簡化。對壁面、座位以及人體模型均進行了簡化處理：汽車內(nèi)的氣流組織模擬研究主要是針對汽車內(nèi)壁面所形成空間內(nèi)的模擬研究，所以物理模型只留有內(nèi)壁面部分，形成一個封閉的汽車內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，將此空間壁面作為模擬的物理邊界條件，忽略汽車內(nèi)側(cè)壁面的厚度、窗口以及其他小部件的影響，轉(zhuǎn)向盤體積相對較小, 計算中予以忽略, 簡化儀表板的細微結(jié)構(gòu)，并假設(shè)各個表面光滑；考慮到在汽車室內(nèi)狹小的空間內(nèi)，內(nèi)壁面和座椅及人體模型的復雜程度，為了保證計算網(wǎng)格的可行性，對室內(nèi)的座椅及人體模型進行最大程度的合理簡化，去除不必要的倒角、碎面和碎線，對人體進行標準化建模，以長方體來模擬。如果后續(xù)有條件的話，研究工作需要建立更加貼近座艙結(jié)構(gòu)和人體外形的幾何物理模型。簡化物理模型最大長度3229mm，最大寬度為1898mm，最大高度為1655mm。

（2）物理簡化 為了簡化問題作如下假設(shè):

a. 室內(nèi)空氣為不可壓縮流體，且符合Boussinesq假設(shè)，即認為流體密度變化僅對浮升力產(chǎn)生影響；

b. 流動為穩(wěn)態(tài)湍流；

c. 忽略固體壁面間的熱輻射，車室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)；

d. 假設(shè)流場具有高Re數(shù)性，即認為流場為各向同性湍流；

e. 氣流為低速不可壓縮流動，可忽略由流體的黏性力做功所引起的耗散熱。

2.2 流體性質(zhì)和各邊界條件

通過FLUENT進行數(shù)值模擬計算開始之前，必須要定義流體性質(zhì)和邊界條件，邊界條件包括邊界的位置信息和具體的計算參數(shù)信息。邊界條件定義是否合理，將直接影響整個數(shù)值模擬過程及模擬結(jié)果的正確性，所以要認真確定邊界條件的類型及相關(guān)計算參數(shù)。

本文中數(shù)值模擬的流體性質(zhì)和各邊界條件：

（1）艙內(nèi)空氣性質(zhì)：定義為不可壓縮流體。由于車內(nèi)的氣流速度均在2m/s以下，屬于低速流動，在此速度范圍內(nèi)空氣的壓縮性可以忽略不計；

（2）壁面設(shè)置：模型結(jié)構(gòu)表面定義為固體壁面，忽略避面厚度；

（3）不同供氣方式下的供氣口：均定義為速度入口（velocity-inlet），設(shè)定邊界入口上的速度。速度入口邊界條件在邊界之外的流動默認為均勻流動，適用于不可壓縮流體。

（4）人體口鼻位置：定義為速度入口（velocity-inlet），模擬人體呼吸產(chǎn)生二氧化碳過程。設(shè)定人體呼吸產(chǎn)生二氧化碳濃度為0.005L/S，呼吸的氣流速度為0.15m/s，二氧化碳含量為2.8%；

（5）空氣排氣口：定義為流量出口（outflow）,出口處的速度及壓力信息均由內(nèi)部區(qū)域傳遞得到，不需人為指定；

（6）座椅外表面，座間儲物板四周外表面，儀表盤外表面以及手套箱外表面：作為甲醛污染源定義為質(zhì)量入口（mass-flow-inlet），質(zhì)量流量為7.4e-11kg/s，甲醛組分參數(shù)為1.1e-07。

2.3 網(wǎng)格劃分

為了使后期的fluent軟件模擬計算得更精確，對汽車座椅，車內(nèi)前部，座間儲物板，還有剩余的空間分別進行網(wǎng)格劃分；對汽車座椅，車內(nèi)前部和座間儲物板附近進行了較密的網(wǎng)格劃分。采用混合型風格，網(wǎng)格數(shù)123萬。

3 數(shù)值模擬研究方案

為了研究汽車內(nèi)的空氣品質(zhì)，先設(shè)置好相應(yīng)的邊界條件，然后模擬汽車內(nèi)的氣流組織情況。

為此，把車載凈化器分別放在2個不同的地方來研究汽車內(nèi)的氣流組織的不同情況，從而形成兩種不同的方案：方案一，手套箱的上面；方案二，駕駛席的座椅靠背后。

對汽車室內(nèi)將選取5個具有代表性的截面來考察車載凈化器的效果，從而找到最優(yōu)位置，其五個截面分別為：

（1）前排人員正前方20mm處（x=-945mm），離身體表面及口鼻呼吸范圍最近，此處氣流組織可直觀反映人員周圍的空氣環(huán)境好壞；

（2）后排人員正前方20mm處(x=450mm)，同樣也可直觀反映乘客周圍的空氣環(huán)境好壞；

（3）駕駛席和后排形成的縱向截面(y=569.4mm)，可直觀反映乘客前后污染物濃度；

（4）副駕駛席和后排形成的縱向截面(y=-569.4mm)，同樣可直觀反映乘客前后污染物濃度；

（5）物理模型中乘客口鼻高度的截面圖(z=222.5mm)，此高度截面的污染物濃度，最直接反映人員所處環(huán)境空氣品質(zhì)的健康程度。

4 計算結(jié)果和分析

4.1 方案一

圖1-圖3分別是方案一時，X=450mm, Y=569.4mm和Y=-569.4mm處各截面所在的甲醛濃度分布圖。

甲醛濃度場:

圖1 為X=450mm處斷面的甲醛濃度場

圖2 為Y=569.4mm處斷面的甲醛濃度場

由圖1-圖3所示的甲醛濃度場可以看出，甲醛的濃度在車內(nèi)的濃度分布受供氣口的的影響。在供氣口附近區(qū)域，甲醛濃度顯著會偏低；遠離供氣口處，甲醛濃度會逐漸上升。這說明，速度場可以加劇氣流組織的擾動，增大送風速度，可以有效降低室內(nèi)污染物的平均濃度。各截面的甲醛濃度場分布圖與流速場基本耦合。

由圖1-圖3，沿著地板向上的方向來看，甲醛濃度逐漸降低，在遇到障礙物的時候，發(fā)生回流現(xiàn)象。

由上面各處截面可看到，人呼吸處的甲醛濃度大致在3.9×10-9~4.0×10-9kmol/m3左右，高于室內(nèi)甲醛濃度的標準值（3.3×10-9kmol/m3）。

圖3 為Y=-569.4mm處斷面的甲醛濃度場

圖4 為X=450mm處斷面的甲醛濃度場

4.2 方案二

圖4-圖6分別是在方案二的情況下，X=450mm, Y=569.4mm和Z=222.5mm處各截面所在的甲醛濃度分布圖。

甲醛濃度場：

該方案是車載凈化器的排氣口在司機的座椅背后，凈化后的空氣從駕駛席背面引入到車內(nèi)，形成渦旋的速度氣流場，對污染物的濃度場形成一定的影響。當車載凈化器開啟后，時間足夠長，污染物濃度達到基本穩(wěn)定時，甲醛濃度從車頂朝車底呈現(xiàn)波浪振蕩式下降趨勢。由圖5可看到，座椅背后的甲醛濃度明顯降到了1×10-9kmol/m3,在駕駛席座椅的四周的甲醛濃度由1×10-9kmol/m3逐漸升高，最高上升到了4.2×10-9kmol/m3。各截面的甲醛濃度場與速度場基本耦合。由圖6可以看到，人員所處的高度處的甲醛濃度大致在3.2×10-9kmol/m3左右，低于室內(nèi)甲醛濃度的標準值。

圖5 為Y=569.4mm處斷面的甲醛濃度場

圖6 為Z=222.5mm處斷面的甲醛濃度場

4.3 各截面處的不同方案下甲醛平均濃度分布圖

圖7為汽車后排座位的X截面處Z軸方向上所在的甲醛平均濃度分布圖；圖8為汽車前排座位的X截面處Z軸方向上所在的甲醛平均濃度分布圖；圖9為汽車Z截面高度處的Y軸方向上甲醛平均濃度分布圖。

圖7 汽車后排座位X截面的甲醛濃度分布圖

圖8 汽車前排座位X截面的甲醛濃度分布圖

圖9 汽車Z截面高度的甲醛濃度分布圖

圖7分別反應(yīng)了兩種方案的甲醛濃度分布圖。在0.2225m處左右，即為人員口鼻呼吸處，此處可直觀反應(yīng)車內(nèi)人員呼吸處的空氣品質(zhì)，在該處，第二種方案的甲醛濃度大致為3.11×10-9kmol/m3，低于室內(nèi)甲醛濃度的標準值；而第一種方案的甲醛濃度大致為3.81×10-9kmol/m3，高于室內(nèi)甲醛濃度的標準值。從該圖的整體來看，第二種方案的甲醛濃度會比第一種方案的甲醛濃度要低，相差最多可達1.6×10-9kmol/m3左右。

從圖8很直觀地看到，第二種方案比第一種方案的甲醛濃度要低。同樣地，在0.2225m處左右，可直觀地反應(yīng)出車內(nèi)前排人員所處的環(huán)境的空氣品質(zhì)，第二種方案的甲醛濃度在此處大概是3×10-9kmol/m3，而第一種方案的甲醛濃度在此處大約是3.96×10-9kmol/m3。

由圖9可看到，在Y=-569.4m附近的地方，第一種方案和第二種方案的甲醛濃度相差不大；而在Y=569.4m附近的地方，第二種方案明顯比第一種方案的甲醛平均濃度要低，低達2.8×10-9kmol/m3。

5 結(jié)論

以上分別對兩種方案進行了數(shù)值模擬分析，分別為當車載凈化器放在副駕駛席前面的手套箱的面板上和當車載凈化器放在駕駛席的的座椅靠背后。通過分析得出以下結(jié)論：

（1）適當?shù)卦龃筌囕d凈化器送風速度，可以有效降低車內(nèi)甲醛的濃度。

（2）甲醛濃度分布受車內(nèi)氣流組織紊流強度影響，在送風口，回風口以及紊流強度較強的區(qū)域，會促進甲醛濃度分布降低；而在其它紊流強度較小的地方，則會導致甲醛濃度大量匯集。

（3）通過比較，對于車載凈化器放在駕駛席座椅靠背后面會比放在副駕駛席前面的手套箱的上面要好，能夠促進車內(nèi)甲醛有效地降低，從而達到凈化的目的。

[1] Riediker M, Williams R, Devlin R, et al. Exposure to particulate matter, volatile organic compounds, and other air pollutants inside patrol cars[J]．Environmental science & technology, 2003, 37(10): 2084-2093．

[2] Spengler J D, Chen Q. Indoor air quality factors in designing a healthy building[J]．Annual Review of Energy and the Environment, 2000, 25(1): 567-600.

[3] 付鐵強, 陸紅雨, 張仲榮, 等．車內(nèi)污染物組分檢測研究[J]．汽車工程, 2011，(12): 1097-1101.

[4] Gan G, Awbi H B．Numerical simulation of the indoor environment[J]．Building and Environment, 1994, 29(4): 449-459．

[5] 尤可為，葛蘊珊．車內(nèi)污染及其檢測技術(shù)[J]．汽車工程，2006，28(5)：495-498．

[6] 鄧大躍，陳雙基．汽車內(nèi)空氣污染研究綜述[J]．北京聯(lián)合大學學報：自然科學版，2004，18(2)：52-59．

[7] 鄧大躍，陳雙基．汽車內(nèi)的空氣污染(二)[J]．環(huán)境科學動態(tài)，2004，(3)：46-47．

[8] 劉偉偉，姚志良．室內(nèi)甲醛污染及其凈化技術(shù)研究進展[J]．廣州化工，2012，40(19)：8-10．

[9] 鄧王平．室內(nèi)氣流組織對室內(nèi)甲醛分布影響的模擬研究[D]．西安：西安科技大學，2010．

[10]劉玉峰，許永清．房間氣流組織對污染物空間分布的影響[J]．山東科技大學學報（自然科學版），2004，23（2）：104-107．

[11]肖紅林，李洪亮，王遠，等．轎車座艙內(nèi)流場的數(shù)值模擬研究[J]．汽車工程，2011，33(1)．

The Research of Numerical Simulation about Purifying Formaldehyde in the Car

DING Shui-lan1, LIU Yuan1, YU Gang1,2

(1. School of Environment Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China; 2. College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangshu 210016, China)

In-car air Quality; Numerical Simulation; the Formaldehyde Concentration; Purification; Air Flow Organization

余剛（1971-），男，教授，博士，研究方向：環(huán)境控制與流體機械.

湖北省優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團隊計劃資助（T201207）.

X131.1

A

2095－414X(2014)06－0073－05