基于仿真模型的空气净化器性能试验关键影响因素研究.pdf

2023.26 科学技术创新基于仿真模型的空气净化器性能试验关键影响因素研究赵明（龙岩市产品质量检验所，福建 龙岩）引言近年来，随着我国社会经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，人们对生活品质的要求也在不断提升，特别是对空气质量的要求也越来越严格1。虽然，我国大气环境质量已得到有效治理，但室内环境空气质量还需要进一步改善，空气净化器作为改善室内空气质量的有力产品，对保护人体健康发挥着重要作用，近年来备受消费者的青睐，已被广泛应用于医疗、商业、居家等众多领域，也促使空气净化器产品市场得到迅速发展2。目前，常见的空气净化器产品根据净化原理分类，主要包括：过滤式、静电式、催化式、等离子式、物理或化学吸附式、臭氧式、复合式等，其基本原理均是通过一系列的物理和化学方法，去除空气中的颗粒物和气态污染物等目标污染物，从而达到净化空气的目的3-4。虽然消费市场中空气净化器产品品种繁多，但产品质量却参差不齐。洁净空气量（CADR）作为空气净化器的关键性评价指标，可用于衡量该产品的整体性能质量5。在对该产品性能试验过程中，循环风扇风量、产品摆放位置、产品摆放朝向、新风量等关键试验因素均可能对洁净空气量（CADR）评价指标产生较大影响。综上所述，本文通过构建试验舱仿真模型，分析试验舱内气流组织分布和颗粒物浓度分布情况，并通过对比试验研究和验证循环风扇风量、产品摆放位置、产品摆放朝向、新风量等关键试验因素影响，指导优化试验条件，以期达到最佳试验效果，获得准确可靠的洁净空气量（CADR）评价指标试验数据。1仿真模型1.1研究目的通过构建仿真模型，研究循环风扇风量、产品摆放位置、产品摆放朝向、新风量等关键试验因素对空气净化器性能试验的影响，指导优化试验条件，获取最佳试验效果。1.2研究方法1.2.1模型简化及假设为简化问题及模型，在试验舱仿真过程中进行如下假设：（1）试验舱内为绝热环境、全封闭环境，并忽略舱壁热辐射影响；（2）试验舱内以恒定速率生成颗粒物，粒径大小统一为 2 m，流体为不可压缩、稳态流动；（3）搅拌风扇转动速度恒定，忽略启动和关闭阶段影响；（4）空气净化器、循环风扇及搅拌风摘要：本文通过构建 30 m3标准试验舱仿真模型进行数值模拟，并依据 GB/T 18801-2022 空气净化器标准要求，对空气净化器性能开展对比试验，结合仿真分析结果与对比试验数据综合研究循环风扇风量、产品摆放位置、产品摆放朝向、新风量等关键试验因素对空气净化器性能试验的影响，以指导优化试验条件，获取最佳试验效果。研究结果表明：循环风扇风量和产品摆放位置对气流组织分布影响较大，产品摆放朝向影响较小，新风量影响可忽略。最佳采样区域可优先选取“相对试验舱地面高度 0.5 m耀1.0 m，离墙壁距离应大于 0.7 m，避开循环风扇和空气净化器新风口”。关键词：仿真模型；空气净化器；性能试验中图分类号院TM925.16文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤26-0029-06作者简介：赵明(1966-)，男，大专，工程师，研究方向：环保产品质量检验与技术研究。29-科学技术创新 2023.26扇的细部复杂结构简化，忽略发、散热作用；（5）因送风口和排风口在性能试验过程中均处于关停状态，忽略其影响。1.2.2三维模型及网格划分以 30 m3标准试验舱为仿真对象，根据实际尺寸建立 1:1 三维模型，如图 1 所示。试验舱内主要布置有循环风扇及其吊杆、搅拌风扇及其吊杆、空气净化器及其桌面、香烟输送管、送风口及排风口等部件。采用结构化和非结构化网格相结合的方法对试验舱三维模型进行网格划分，且对循环风扇、搅拌风扇、空气净化器和香烟输送管等部件进行加密处理6，网格总数量约为 664 万，如图 2 所示。1.2.3数学模型试验舱内气流流动需满足质量守恒、动量守恒、能量守恒和组分守恒7，根据试验过程中颗粒物的能量变化、运动情况和相互作用力，构建三种数学模型进行数值模拟计算，主要包括：采用标准 k-双方程湍流模型来模拟气流的湍流流动；采用离散型（DPM）模型来模拟颗粒物的运动及作用力；采用多参考系（MRF）模型来模拟搅拌风扇的旋转运动8。1.2.4边界条件在空气净化器性能试验过程中，试验舱内流动采用稳态、纯气相流求解，香烟输送管出口采用No-slip-wall 边界条件；循环风扇采用 fan 边界条件，循环风量根据设定压力值控制；搅拌风扇静止；空气净化器为开启状态，其送风口采用 Velocity-inlet 边界条件，排风口采用 Pressure-outlet 边界条件。1.2.5监视位置及评价变量在空气净化器性能试验过程中，为观察试验舱内的流场分布及变化情况，选取三个方向的中轴面（x=0m、y=0 m、z=1.25 m）作为监视面，如图 3 所示。同时，根据 GB/T 18801-2022 空气净化器 标准要求“避开进出风口，离墙壁距离应大于 0.5 m，相对试验舱地面高度 0.5 m1.5 m”9，选取了 z=0.5 m、0.75 m、1.0m、1.25 m、1.5 m 五个高度截面中离墙大于 0.5 m 的区域作为监视面。采用空气龄（）评价变量来评估试验舱内的空气新鲜程度。空气龄是指空气质点自进入房间至到达室内某点所经历的时间，是用于评价室内空气品质的重要指标，可反映室内空气的新鲜程度，体平均的空气龄越小，说明室内空气整体上来看越新鲜，室内某一点的空气龄越小，说明在该点污染物的停留时间越短，即该点的污染物浓度越低。在本研究中，假设(12.5%)p的区域代表试验舱内的平均颗粒物浓度位置，即最佳测试采样位置，p为平均空气龄，由仿真模拟获得。图 1试验舱三维模型图图 2试验舱网格划分图图 3监视面示意图2对比试验2.1试验目的及依据依据 GB/T 18801-2022 空气净化器 标准要求，对空气净化器性能开展对比试验，研究验证循环风扇风量、产品摆放位置、产品摆放朝向、新风量等关键试验因素对空气净化器性能指标的影响，指导优化试验条件，获取最佳试验效果。2.2试验参数及照片依据 QB/T 5364-2019 空气净化器测试用试验循环风扇搅拌风扇空调排风口空气净化器香烟输送管风口空调送x=0 mz=1.25 my=0 m30-2023.26 科学技术创新舱技术要求和评价方法 标准要求10，空气净化器性能试验用标准试验舱参数如表 1、图 4 所示，现场试验照片如图 5 所示。表 1空气净化器性能试验用标准试验舱参数图 430 m3标准试验舱示意图图 5空气净化器性能现场试验3仿真结果与对比试验综合分析3.1循环风扇风量影响因素综合分析通 过 设 置 循 环 风 扇 风 量 Q循=100 m3/h、200m3/h、300 m3/h、400 m3/h、500 m3/h、600 m3/h，空气净化器置于舱内正中心，新风朝向+Y 及新风量 Q净=195 m3/h，进行模拟仿真分析，获取各监视面气流组织分布情况和最佳采样区域情况，如图 6、图 7 所示。同时，进行现场对比试验，设置 Q循=500 m3/h，其他设置条件与上述相同，采样点布置如图 8 所示，试验数据如表 2 所示。结果表明，当 Q循500 m3/h 时，试验舱内的气流主要受循环风扇的影响，气流组织分布状态已达到基本一致，Q循增大造成湍流速度增大，加快试验舱内置换时间，减小了空气龄，除循环风扇和净化器新风送风口外，高度在 0.5 m1.0 m 的区域，可适合作为采样区域。现场对比试验数据显示洁净空气量 CADR 值基本相同，试验数据与仿真结果情况一致。图 6不同循环风量气流组织分布图图 7不同循环风量最佳采样区域图图 8现场对比试验采样点布置示意图项目项目 条件条件 参数参数 几何尺寸 长 3.4 m、宽 3.5 m、高 2.5 m 30 m3标准试验舱舱体 实验条件 温度 23、相对湿度 50%密封门 几何尺寸 长 0.8 m、宽 2 m 几何尺寸 长 16 cm、宽 16 cm 送风口 实验条件 恒温、恒湿 排风口 几何尺寸 长 16 cm、宽 16 cm 几何尺寸 安装位置距顶部 46 cm、叶片数量 3 叶 搅拌风扇 实验条件 转动方向顺时针、转速280 r/min 几何尺寸 安装位置距顶部 100 cm、形状尺寸 20 cm20 cm 循环风扇 实验条件 风量500 m3/h、转速 3 000 r/min 风扇循环采样点 1净化器位置 1采样点 2采样点 31-搅拌风扇；2-净化循环风机；3-样品；4-污染物检测装置；5-污染物发生装置；6-空气过滤器；7-混合度送样口；8-废气排放；9-混合度取样口；10-采样口；11-循环风扇；12-试验舱门；13-净化风道。6111213452831097131-科学技术创新 2023.263.2产品摆放位置影响因素综合分析通过设置循环风扇风量 Q循=500 m3/h，空气净化器置于三种摆放位置，如图 11 所示，新风朝向+Y 及新风量 Q净=195 m3/h，进行模拟仿真分析，获取各监视面气流组织分布情况和最佳采样区域情况，如图 9、图 10 所示。同时，进行现场对比试验，设置条件与上述相同，采样点布置如图 11 所示，试验数据如表 3 所示。结果表明，不同摆放位置对试验舱内气流组织分布产生一定影响，位置 3 时偏向于形成更大范围和更高湍流速度的涡流区，位置 2、3 在高度 0.5 m1.0 m处存在部分区域不适合采样，空气净化器摆放位置应优先选取位置 1 且高度在 0.5 m1.0 m，距离墙壁大于 0.7 m，并避开新风口朝向的区域，可适合作为采样区域。现场对比试验数据中采样点 1、5 的洁净空气量CADR 值出现不一致，试验数据与仿真结果情况一致。图 9不同摆放位置气流组织分布图图 10不同摆放位置最佳采样区域图图 11现场对比试验采样点布置示意图表 3摆放位置影响因素现场对比试验数据3.3产品摆放朝向影响因素综合分析通过设置循环风扇风量 Q循=500 m3/h，空气净化器置于舱内正中心，新风朝向+X、-X、+Y、-Y 及新风量 Q净=195 m3/h，进行模拟仿真分析，获取各监视面气流组织分布情况和最佳采样区域情况，如图 12、图13 所示。同时，进行现场对比试验，设置条件与上述相同，采样点布置如图 14 所示，试验数据如表 4 所示。结果表明，新风朝向不会影响试验舱内气流组织分布的总体状态，主要影响的是新风出口局部区域的表 2循环风量影响因素现场对比试验数据 采样点采样点 坐标坐标 循环风量（循环风量（Q循循）洁净空气量（洁净空气量（CADR）采样点1-1.05 m，0.5 m，0.5 m 500 m3/h 190.62 m3/h 采样点2-0.75 m，0 m，0.75 m 500 m3/h 190.26 m3/h 采样点3-0.75 m，-0.5 m，1 m 500 m3/h 190.98 m3/h 采样点采样点 坐标坐标 摆放位置摆放位置 洁净空气量（洁净空气量（CADR）采样点 0-1.05 m，0.5 m，1 m 净化器位置 1 193.32 m3/h 采样点 0-1.05 m，0.5 m，1 m 净化器位置 2 193.14 m3/h 采样点 0-1.05 m，0.5 m，1 m 净化器位置 3 193.68 m3/h 采样点 1-1.25 m，0.5 m，1 m 净化器位置 2 185.04 m3/h 采样点 2-1.05 m，0.5 m，1 m 净化器位置 2 193.14 m3/h 采样点 3-0.75 m，0.5 m，0.75 m 净化器位置 2 193.68 m3/h 采样点 4-1.05 m，0.5 m，0.5 m 净化器位置 2 194.04 m3/h 采样点 5-1.05 m，0.5 m，1.5 m 净化器位置 2 174.96 m3/h 采样点 1 采样点2 采样点3净化器位置 1风扇循环净化器位置 2净化器位置 3采样点 0风扇循环净化器位置 2采样点 2采样点 4采样点 5风扇循环净化器位置 2OX700500 200 300YOXY32-2023.26 科学技术创新气流分布，新风朝向+X、-X、-Y 在高度 0.5 m1.0 m处存在部分区域不适合采样，空气净化器新风朝向应优先选取+Y 且高度在 0.5 m1.0 m，距离墙壁大于0.7 m，并避开新风口朝向的区域，可适合作为采样区域。现场对比试验数据显示洁净空气量 CADR 值基本相同，试验数据与仿真结果情况一致。图 12不同摆放朝向气流组织分布图图 13不同摆放朝向最佳采样区域图图 14现场对比试验采样点布置示意图表 4摆放朝向影响因素现场对比试验数据3.4新风量影响因素综合分析通过设置循环风扇风量 Q循=500 m3/h，空气净化器置于舱内正中心，新风朝向+Y 及新风量 Q净=150m3/h、195 m3/h、240 m3/h，进行模拟仿真分析，获取各监视面气流组织分布情况和最佳采样区域情况，如图15、图 16 所示。同时，进行现场对比试验，设置条件与上述相同，采样点布置如图 17 所示，试验数据如表 5所示。结果表明，不同新风量条件下试验舱内气流组织分布基本相近，新风量 150 m3/h、240 m3/h 时高度0.5 m1.0 m 处仅存在边缘较小部分区域不适合采样，影响很小，不同新风量条件下，高度在 0.5 m1.0m，距离墙壁大于 0.7m，并避开新风口朝向的区域，可适合作为采样区域。现场对比试验数据显示洁净空气量 CADR 值基本相同，试验数据与仿真结果情况一致。图 15不同新风量气流组织分布图图 16不同新风量最佳采样区域图图 17现场对比试验采样点布置示意图风扇循环采样点 2采样点 3净化器位置采样点 1 采样点采样点 坐标坐标 摆放朝向摆放朝向 洁净空气量（洁净空气量（CADR）采样点 1-1.05 m，0.7 m，0.7 m+X 191.88 m3/h 采样点 2-1.05 m，0.7 m，0.7 m-X 191.52 m3/h 采样点 3-1.05 m，0.7 m，0.7 m+Y 191.16 m3/h 采样点 4-1.05 m，0.7 m，0.7 m-Y 192.60 m3/h 风扇循环净化器位置 1+X采样点33-科学技术创新 2023.26表 5新风量影响因素现场对比试验数据Research on Key Factors of Air CleanerPerformance Test Based on Simulation ModelZhao Ming（Longyan Institute of Quality Inspection for Products,Longyan,China）Abstracts:The 30 m3standard test chamber simulation model was constructed for numerical simulation,and air cleaner performance comparative test were carried out in accordance with the requirements of GB/T18801-2022.By combining simulation analysis results with comparative test data,the key factors such as airvolume of circulation fan,placement position,orientation,and fresh air volume were comprehensive studiedin order to optimize the test conditions and obtain the best test effects.The results show that air volume ofcirculation fan and placement position have a significant impact on the air distribution,orientation has littleimpact and the impact of fresh air volume can be ignored.The optimal sampling area can be prioritized as 0.5 m1.0 m relative to the ground height of the test chamber,more than 0.7 m away from the wall,andavoiding the circulation fan and the fresh air outlet of air cleaner.Key words:simulation model;air cleaner;performance test4结论综上所述，通过构建 30 m3标准试验舱仿真模型进行模拟仿真分析，并依据 GB/T 18801-2022 空气净化器 标准要求，对空气净化器性能开展对比试验，以研究循环风扇风量、产品摆放位置、产品摆放朝向、新风量等关键试验因素对空气净化器性能试验的影响，指导优化试验条件，获取最佳试验效果。研究结果表明：（1）循环风扇风量和产品摆放位置对气流组织分布影响较大，产品摆放朝向影响较小，新风量影响可忽略。循环风扇风量 Q循应至少为 500 m3/h 以上，产品摆放位置应置于舱内正中心，产品摆放朝向可优先选取+Y 方向；（2）最佳采样区域可优先选取“相对试验舱地面高度 0.5 m1.0 m，离墙壁距离应大于 0.7 m，避开循环风扇和空气净化器新风口”。参考文献1胡月琪,王琛,邬晓东,等.固定源细颗粒物监测技术现状分析与思考J.环境科技,2016,29(1):69-74.2许高杰,刘朋亮,宋苏杭,等.空气净化器主流技术综述及发展趋势J.绿色科技,2018(18):78-79.3刘锡尧,龚国汉,张红飙,等.我国空气净化器标准体系建设的思考J.环保科技,2015,21(2):33-39.4赵爽，朱焰，张晓，等.GB/T 18801-2015 空气净化器国家标准修订若干关键技术研究 J.家电科技,2022,1(414):32-36.5李泽文.空气净化器颗粒物净化能效测量结果不确定度评定研究J.河南科技,2022,41(6):121-124.6李鹏飞,徐敏义,王飞飞.精通 CFD 工程仿真与案例实战M.北京:人民邮电出版社,2011.7周正贵.计算流体力学基础理论与实际应用M.南京:东南大学出版社,2008.8赵明.基于 CFD 仿真的室内空气净化器性能检测研究J.计量与测试技术,2022,49(11):13-17.9GB/T 18801-2022 空气净化器S.10QB/T 5364-2019 空气净化器测试用试验舱技术要求和评价方法S.采样点采样点 坐标坐标 新风量（新风量（Q净）洁净空气量（洁净空气量（CADR）采样点 1-1.05 m，0.7 m，0.5 m 195 m3/h 183.06 m3/h 采样点 2-1.05 m，0.7 m，0.7 m 195 m3/h 182.52 m3/h 采样点 3-1.05 m，0.7 m，1.0 m 195 m3/h 182.88 m3/h 34-