新型雙艙連續流動測試系統CFD分析及性能評價

關紅艷 周建 張晶晶 劉未杰 賈祺 寧占武 郭中寶

（1中國建材檢驗認證集團股份有限公司，北京 100024；2北京市勞動保護科學研究所，北京 100054）

我國市場上功能性建材產品污染物凈化性能評價過程主要存在以下問題[1-7]：①如何模擬實際使用環境，在持續的動態污染環境下評價建材產品的實際污染物凈化性能尚無法實現；②檢測裝置研發以經驗為主，缺乏計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）對裝置內部氣流均勻性、空氣流速等指標的科學性指導。目前，在國外的空氣凈化材料污染氣凈化能力表征方法體系中，連續流動反應裝置主要在紫外光/可見光激發的光催化材料領域應用較多，通過艙體進口和出口污染氣的濃度變化表征污染物去除效率和去除量。在吸附/吸收類空氣凈化材料的凈化性能表征中，標準ISO 16000-23[8]和ISO 16000-24[9]提出將該裝置用于凈化容量的表征。然而，在我國市場上單純的吸收/吸附型空氣凈化材料的應用并不廣泛，多數為多孔吸附材料負載紫外光/可見光激發納米光催化材料的復合型空氣凈化材料，針對其凈化容量表征方法體系的研究尚屬空白。本文提出的連續流動反應裝置的優勢在于充分考慮了污染氣不斷產生、樣品實際使用過程中表面空氣流動等因素的影響。連續的動態吹掃氣可將反應產物及時吹走，最大化地發揮空氣凈化材料的凈化作用。

基于此，本研究旨在通過雙艙連續流動-氣流仿真模擬耦合技術，研究艙體內部內艙尺寸、進氣與出氣口相對位置、進氣流速、風扇轉速和是否使用格柵等參數對雙艙連續流動測試系統內部氣流組織的影響，以及它們之間的耦合作用對艙內氣流均勻性的影響機制，建立復合型空氣凈化材料的凈化容量表征方法。本研究完善了空氣凈化材料的凈化能力表征方法，具有其科學意義和實際應用價值。

1 試驗

1.1 雙艙連續流動測試系統的設計

為模擬功能性建材產品實際應用過程中其表面氣流的真實情況，本文設計了圖1所示的雙艙連續流動測試系統。試驗過程中樣品放置于內艙，污染氣直接通入外艙，通過內艙下方的風扇將外艙的氣體送入內艙中樣品表面，以使污染氣與樣品充分發生作用。

圖1 雙艙連續流動測試系統

1.2 測試艙內部氣流場模擬

本文結合計算流體力學方法對雙艙連續流動測試系統的艙體結構進行模擬優化。基于SolidWorks軟件對建立測試艙建立物理模型，并在ANSYS FLUENT軟件中選擇標準k-ε方程（k為湍動能，ε為耗散率）對測試艙壁面處湍流流動和艙室內部氣體流動狀態進行模擬，標準k-ε模型輸送方程式如下，用2個相互分離的傳送公式求解：

式中：

Gk—由層流速度梯度產生的湍流能項；

Gb—由浮力產生的湍動能項；

Ym—在可壓縮流動中湍流脈動膨脹到全局流程中對耗散率的貢獻項；

C1，C2，C3-常量；

σk，σε-k方程和ε方程的湍流Prandtl數；

Sk，Sε-用戶定義的湍流耗散源項。

雙艙連續流動測試系統內部氣流組織擬合過程中的邊界條件如下：

①內艙尺寸：

200mm*200mm*180mm，251mm*251mm*222mm；

②出入口相對角度：0o，90o，180o；

③入氣流速：120mL/min，160mL/min，200mL/min；

④風扇轉速：0.2m/s，0.3m/s，0.4m/s；

⑤內艙氣流出口處是否使用格柵。

2 艙體結構模擬優化

本文通過計算流體力學分析，模擬不同內艙尺寸、進氣與出氣口相對位置、進氣流速和風扇轉速，及是否使用格柵時艙體內的氣體流場速度云圖、流線圖及矢量圖，進而推測最佳測試條件，為合理表征復合型空氣凈化材料的凈化容量提供理論支持。

2.1 不同內艙尺寸下艙內氣體流場分析

設置內艙尺寸分別為200mm*200mm*180mm和251mm*251mm*222mm，在風扇轉速為0.3m/s，進氣流速160mL/min條件下，對艙體內部流場仿真模擬，分析氣體在其內部運動形態和軌跡。以SolidWorks軟件建立的三維實體模型為基礎，運用FLUENT軟件對氣體流場模擬，選擇標準k-ε模型，物性參數設置流體材料為空氣，粘性系數為1.7894×10-5Pa·s；選擇靜止壁面類型，無滑移邊界條件，Simple算法，速度為基本求解變量，計算測試艙內部流場。氣體流速云圖、流線圖和矢量圖如圖2所示。

由圖2可見，內艙尺寸對艙內氣體流場具有較大影響，內艙尺寸為200mm*200mm*180mm時，艙內的左下角存在渦流，內艙底部存在較大湍流，且僅有部分外艙氣體進入內艙，不利于污染物在艙室內的輸送、反應，影響功能性材料評價效果；當內艙尺寸為251mm*251mm*222mm時，艙體內氣體流場、流線均勻性較好。

圖2 不同尺寸測試艙內氣流均勻性模擬

2.2 內外艙出氣口相對位置對艙內氣體流動狀態的影響

設置相對角度分別為0o，90o，180o，在風扇轉速為0.3m/s，進氣流速160mL/min，內艙尺寸為251mm*251mm*222mm條件下，對艙體內部流場模擬，設置邊界條件同2.1。模擬流速云圖和矢量圖如圖3所示。其中，如云圖所示，三個角度艙體的內部氣流除進氣口和出氣口區域外均處于勻速緩慢狀態；從速度矢量圖可以看出，當相對角度為0o時氣體進入內艙較充分，且貼近壁面，能更好與材料表面發生置換；流線圖中當角度為0o時，內外艙的風速和風量最均勻，而90o，180o時氣流主要集中在外艙底部和壁面區域，不利于材料表面污染物釋放和采集，因此，內艙出氣口與外艙出氣口相對位置0o為最優條件。

圖3 不同相對角度的內部氣體流動狀態

圖4為不同角度下艙內氣體流線圖，模擬顯示0o時氣體在艙體內流動更均勻。

圖4 不同角度的內艙出氣口與外艙出氣口相對位置艙內氣體流動分析

2.3 進氣口氣流速度對艙內流場分布的影響

設置進氣口氣流速分別為120mL/min，160mL/min，200mL/min，在進氣和出氣口相對角度分別為0o，進氣流速160mL/min，風扇轉速0.3m/s，內艙尺寸251mm*251mm*222mm條件下，對艙體內部流場模擬，設置邊界條件同2.1，結果如圖5所示。云圖和速度矢量圖顯示，不同的進氣口流速對艙室內氣流場影響不大，內外艙整體氣體流動均勻且緩慢，內艙氣體置換效果較好；流線圖顯示，當進氣口流速為120mL/min時，氣體在進入內艙之前形成較大渦流，不利于內外艙氣體循環交換，當流速分別為160mL/min和200mL/min時，氣體可以很快進入內艙，但200mL/min時氣流在外艙近壁面處形成較大渦流，影響了艙內氣體循環的穩定性，因此選取進氣口流速為160mL/min作為雙艙連續流動測試系統的工作條件之一。

圖5 不同進氣口氣流速度條件下艙內流場分析

2.4 風扇轉速對艙內氣流均勻性的影響

設置風扇轉速分別為0.2m/s，0.3m/s，0.4m/s，在進氣和出氣口相對角度分別為0o，進氣流速160mL/min，內艙尺寸251mm*251mm*222mm條件下，對艙體內部流場模擬，設置邊界條件同2.1，結果如圖6所示。云圖和速度矢量圖顯示，不同的風扇轉速條件下艙室內外艙整體流場均勻，且有較好置換效果；由流線圖可以看出，當風扇轉速為0.2m/s時，氣體流動主要集中在內艙底部，并形成較復雜渦流，氣體向上運動動力不足，當風扇轉速分別為0.3m/s和0.4m/s時，艙內氣流場呈現均勻分布，均未見渦流和死角存在，從節約能耗角度考慮，本研究選取風扇轉速為0.3m/s作為雙艙連續流動測試系統的工作條件之一。

圖6 不同風扇轉速對艙內流場的影響分析

2.5 是否使用格柵對艙內氣流均勻性的影響

本研究在內艙出口處設置格柵板，在進氣和出氣口相對角度分別為0o，進氣流速160mL/min，風扇轉速為0.3m/s，內艙尺寸251mm*251mm*222mm條件下，對艙體內部流場模擬，設置邊界條件同2.1，結果如圖7所示。由云圖和速度矢量圖可以看出，艙室內部流場與相同條件下未安裝格柵相比整體均勻性更好；流線圖顯示，安裝格柵后在進氣口相近區域渦流情況加劇，推測為格柵增加了艙體內部阻力，影響了氣體的推動效果，但整體流線呈現更加規則流暢的分布。

圖7 安裝格柵板前后艙室流場模擬圖

綜上，根據雙艙連續流動測試系統的測試艙內氣體流場模擬結果，選擇最佳系統結構和工作參數分別為：內艙尺寸251mm*251mm*222mm，內外艙相對位置為0o，風扇轉速為0.3m/s；氣流速度120～200mL/min之間無顯著差異；格柵存在有利于氣流在內艙樣品表面的均勻性和穩定性。

3 測試艙性能評價

3.1 測試艙背景濃度評價

為確保本文研發的雙艙連續流動測試系統背景污染物不會對試驗產生陽性干擾，采用液相色譜法(HPLC)對艙體背景甲醛進行測試，采用熱解吸-氣相色譜-質譜聯用法（TD-GCMS）對艙體背景TVOC及單一VOC進行測試。結果如表1所示，甲醛和所有單一VOC的濃度均小于2ug/m3，TVOC濃度小于20ug/m3。

表1 艙內本底濃度結果匯總

3.2 測試艙應用效果評價

本文通過雙艙連續流動測試系統模擬室內一般條件下溫度、相對濕度、通風速率等條件，測試了在持續通入甲醛污染氣的條件下，石膏板等材料在1～28d內的甲醛凈化效率、單位面積降解率和單位面積等效通風率，以及累積凈化容量。

調節入口氣甲醛濃度在0.10～0.12mg/m3之間，氣體流速為150mL/min，在第1d、3d、7d、14d和28d時采用液相色譜法測試艙體出口處的甲醛濃度，進而計算樣品單位面積降解率、單位面積等效通風率、凈化效率和凈化容量。結果如表2所示。

表2 不同品牌石膏板樣品的甲醛凈化性能評價結果

由于測試周期限制，品牌1和品牌2的凈化效率在28d達到了半衰期，即凈化效率為初始凈化效率的一半。品牌3和品牌4并未達到其半衰期，但考慮到試驗周期過長等因素，停止試驗，僅以所有降解掉的甲醛質量來計算其凈化容量。從數據可見，品牌3和品牌4的凈化性能明顯優于品牌1和品牌2，對產品的凈化容量的區分度較好。

4 結論

針對目前國內功能性建材產品對污染物的凈化評價主要依賴靜態艙法的現狀，研發了低本底低吸附的雙艙連續流動測試艙系統，涵蓋了光源系統、溫濕度控制系統、氣路控制系統等組件，艙體TVOC和單一VOC本底分別達到小于20μg/m3和2μg/m3的要求，且對污染氣的回收率達到70%～90%。結合CFD技術對雙艙連續流動測試系統的氣流組織模擬，得到艙體最優結構參數為：內艙尺寸251mm*251mm*222mm 優 于200mm*200mm*180mm，內外艙相對位置為0o，風扇轉速0.3m/s；氣流速度在120～200mL/min之間無顯著差異；使用格柵有利于氣流在內艙樣品表面的均勻性和穩定性。通過本文研發的設備對不同石膏板產品的甲醛凈化效率和凈化容量進行評價顯示，其在動態條件下對不同產品的凈化效果具有較好的區分度。