基于軸流風機的室內通風設計與數值模擬試驗

夏侯炳 蔡茂華 申君 張明幫

摘? 要：為減少室內新家具釋放的甲醛對人體的危害，了解軸流風機通風裝置對室內甲醛濃度分布特征的影響，文章采用MRF動參考系模型方法研究了不同風機轉速對室內甲醛濃度的分布影響。數值模擬結果表明：軸流風機通風裝置能有效降低室內甲醛濃度，供電電源頻率50Hz時該裝置可將原室內的甲醛濃度降低約75%;通過控制風機的轉速能有效調節室內甲醛濃度的數值，軸流風機的供電電源頻率與室內甲醛濃度呈Cubic三次曲線方程關系。

關鍵詞：軸流風機;數值模擬;甲醛;室內通風;x2檢驗。

中圖分類號：TU834? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0015-02

1 概述

室內空氣質量的好壞與人的健康密切相關，甲醛作為潛在致癌物使其成為室內空氣污染與否最重要的指標之一，對其展開室內的釋放與擴散規律的研究顯得尤其重要。

目前有關室內空氣污染氣體的通風擴散的研究主要以靜參考系模型為主[1-2]，本文采用動參考MRF模型結合組分傳輸模型的方法，以軸流風機的轉速作為仿真的初始條件精確模擬研究軸流風機以不同的轉速運行時室內甲醛濃度的變化規律。

2 研究方法

本文的研究方法主要是利用MRF動參考系模型模擬軸流風機的抽風排氣，利用組分傳輸模型模擬室內家具的甲醛釋放，通過調節風機的不同轉速作為MRF仿真的初始值，從而仿真計算出室內甲醛對應的濃度，最后利用spss統計分析方法擬合出室內甲醛濃度與風機供電電源頻率的函數關系。

3 模型的建立

選擇典型的某辦公室，其長寬高尺寸為6.5m*3.6m*2.6m，室內主要擺放了新購置的6張辦公桌，其長寬高尺寸為1.6m*0.7m*0.8m，辦公室的前面和側面分別有3個0.6m*0.8m的窗戶，現模擬辦公室的頂部安裝有軸流風機，其中風扇結構尺寸為：輪轂直徑：20cm;葉片長：11.45cm;葉寬度：8.25cm;葉片安裝角：31°;葉片數：9;風機出口的直徑為45cm。以辦公室的中心點為原點，沿長度方向為x軸，寬度方向為y軸，豎直方向為z軸，建立幾何模型及網格劃分。

邊界條件設置：窗口設為壓力入口pressure inlet，風機出口設為壓力出口pressure outlet;所有家具表面設定為mass flow inlet，墻壁設為wall。在進行數值模擬計算中，進行了如下假設：（1）室內的污染物只有甲醛，無其他污染

物;（2）家具的材料組成均勻，甲醛按恒定的速率釋放;（3）室內空氣及甲醛的物理性質為定值，且不發生化學反應。（4）室外新風不含污染物。

4 計算結果與分析

4.1 樣本的風速矢量分析

風機在工頻50Hz運行時辦公室內部的風速矢量圖見圖1。由圖1a可以看出，風機扇葉周邊的氣流速度很大，高速的氣流與扇葉及風機內部壁面間的摩擦將產生一定的噪音。由圖1b可以看出，即使風機在工頻50Hz運行的情況下，室內的氣流能總體保持平穩和低速運行，而軸流風機出口處的風速則相對較大，符合軸流風機實際抽風排風運行特點。由圖1c可以看出，在軸流風機的帶動下，辦公室內部的氣流得到了較好的交換，所產生的若干個回旋氣流最終流向風機出口方向，越接近風機出口風速的矢量越大。

4.2 樣本截面的甲醛濃度分布分析

圖2為軸流風機在0Hz（不運轉）及工頻50Hz（運轉）時辦公室x=0cm截面的甲醛濃度分布圖，由圖2可以看出，風機工頻50Hz運轉時x=0cm截面的甲醛濃度明顯低于風機在0Hz（不運轉）的甲醛濃度，并且風機運轉時在辦公桌的上方（人活動時及坐下時的主要呼吸區域）的甲醛濃度顯著降低，而甲醛濃度相對高的區域主要集中在辦公桌的下方，可見風機的運行能有效地降低辦公室甲醛濃度，并實現甲醛在辦公室內的分布更符合期待的分布效果。

將風機在不同的電源頻率下運行的實際轉速作為仿真的初始值，經計算，對應不同的電源頻率下辦公室內甲醛濃度均值如表1所示。f為經變頻器輸出的電源頻率，nm為風機的轉速，H表示辦公室內的甲醛濃度均值。

由表1可知，軸流風機的供電頻率分別為0Hz及50Hz時，室內的甲醛濃度H值分別為0.028mg/m3及0.114mg/m3，可見工頻50Hz下軸流風機的運行可將室內甲醛濃度降低約75%。當f在30～50Hz區間調整時，H值在0.026～0.028mg/m3的區間波動;而當f<30Hz時，H值>0.03mg/m3;隨著f值的不斷減少，H值呈波動式增加趨勢。可見，控制f為30Hz時，可較理想地將室內的甲醛濃度控制在較低值的水平，當f<30Hz時，通過調節風機轉速（即調整電源頻率），可有效調整室內的甲醛的濃度。

利用spss軟件進行曲線擬合得F=208.977，sig.=0.0000，說明回歸系數顯著，結果顯示風機的電源頻率與室內甲醛濃度呈Cubic三次曲線方程式關系，擬合方程為：y=0.110347-0.007737x+0.000232x2-0.000002x3。

5 結論

利用數值仿真計算的方法，對原有的辦公室進行加裝軸流風機通風裝置并建模，通過調節風機的電源供電頻率，進行了辦公室甲醛濃度分布規律的數值模擬與分析。

（1）通過控制風機的轉速能有效調節室內甲醛濃度的數值，安裝該裝置后原室內的甲醛濃度降低約75%（供電電源頻率為工頻50Hz時）。

（2）利用spss進行曲線擬合的方法，得出風機電源供電頻率與室內甲醛濃度的函數關系，函數方程式可表示為：y=0.110347-0.007737x+0.000232x2-0.000002x3，為進一步精準控制室內甲醛濃度提供參考。

參考文獻：

[1]岳高偉，陸夢華，賈慧娜.室內污染物擴散的通風優化數值模擬[J].流體機械，2014，42（4）：81-85.

[2]楊玉容，龍天渝，劉臘美.室內通風優化的三維數值分析[J].重慶建筑大學學報，2006（03）：78-84.