基于Fluent的空氣監測裝置內流場仿真研究

任凱軒 王 震 邱好奇 謝炳楠

（河南晟合軒智能科技有限公司）

隨著我國城市的不斷發展，城市內的居民生活、 工業生產及交通尾氣等污染源與日俱增，影響人的健康［1,2］。人類向自然界排放的空氣污染物已經超過了自然環境的自愈能力。 城市空氣污染問題日益得到重視，目前已經建立了全國空氣質量指數發布平臺， 實時發布各個城市的空氣質量。 這就對空氣質量監測技術和空氣監測點位布置提出了更高的要求。

我國政府為推動生態環境改善工作，以監測先行、監測靈敏、監測準確為導向，推出新舉措，認真完成全國生態環境監測各項任務，加快建立完善現代化生態環境監測體系，深入打好污染防治攻堅戰。 但與此同時對監測數據弄虛作假、監測站點人為干擾環境質量監測站點等問題時有發生。

為強化環境質量監測站點保障工作，確保生態環境監測數據真實、準確，計劃設置空氣監測流動站。 空氣監測流動站可作為代替站，或當發現固定站不合理時，作為靈活的增設站，發生緊急污染時，作為機動的臨時站，在設置固定站前，它還可協助污染普查。

目前根據《環境空氣質量監測點位布設技術規范》的要求，城市環境空氣質量監測點可分為：城市點、區域點、背景點、污染監控點和路邊交通點5 類，這5 類均為固定點。 近些年隨著共享單車的普及，筆者設計了一款可安裝于共享單車上的空氣監測裝置，在共享單車處于騎行狀態下進行空氣采集監測。 由于其為流動采集數據，可作為固定點采集數據的強力補充，能較好地反映城市空氣質量［3］。

1 設計方案

1.1 設計說明

筆者設計的空氣監測裝置安裝于共享單車前車筐的底部，當共享單車處于騎行狀態時可進行空氣監測。 由于監測過程為在路面上的流動監測，而非在某一固定點進行，因此其數據更有代表性。 且共享單車分布于城市各個角落，不易受人為因素干擾，其所采集的數據可靠性更高。

空氣監測裝置的安裝如圖1 所示。 首先，將監測裝置本體通過支架固定于共享單車車筐底部，其安裝方式主要為上部固定的吊裝。 通過調整安裝位置，使空氣監測裝置的前進氣口、后排氣口不受遮擋，方便前后方向的空氣流通，減少監測過程中可能存在的干擾，優化氣流場。 本裝置與車筐的連接采用固定鈑金件和異形螺栓，具有一定防拆功能，保護其不被人為破壞。

圖1 空氣監測裝置安裝示意圖

監測裝置內的核心設備為空氣監測傳感器（圖2）， 傳感器內置有風扇安裝于傳感器的排氣口進行抽風。 傳感器安裝使用時要求避免周圍有氣流干擾，其技術要求外部氣流方向與傳感器內部氣流方向保持垂直。

圖2 空氣監測傳感器示意圖

根據傳感器對空氣流向的技術要求，設計的裝置內部布局如圖3 所示。 采集腔體做了氣體流動處理，空氣在自行車前進的推力下，由進氣口進入氣體監測腔體，在腔體內進行垂直于傳感器進氣口的流動，當傳感器開始工作后，即可抽取腔體內流動的氣體進行采樣分析，這樣提取的空氣質量更具代表性。 外殼的進氣口、排氣口都做了45°傾角的防雨水、防灰塵措施，減少其他的環境干擾，極大地保證了監測數據的準確性。

圖3 空氣監測裝置內部布局圖

1.2 內流場建模

為確定空氣監測裝置內部流體分布均勻，符合要求，應對腔體內部流場進行仿真計算。 根據空氣監測裝置的設計方案建立空氣流場模型，為后期做流體仿真分析做準備。 簡化后的流場仿真模型如圖4 所示。

圖4 簡化后的流場模型

由圖4 可以清晰地看出，進氣口與排氣口都有45°傾角，進氣口、排氣口的厚度為1.5 mm，間隔也是1.5 mm，初步設計進氣口、排氣口分別為4 排。

2 內流場仿真

2.1 內流場網格劃分

內流場模型建好后， 將其導入ANSYS 中進行網格劃分，由于模型進氣口、排氣口最小尺寸為1.5 mm，所以設置網格的最小尺寸為0.5 mm，且單元格為六面體。 劃分好的網格如圖5 所示。

圖5 內流場網格劃分

2.2 內流場初步仿真結果

將劃分的網格導入Fluent 中進行流體力學仿真，定義材料、邊界條件等參數。 查找數據可知： 共享單車騎行的速度一般為10～20 km/h，在城市道路騎行速度超過20 km/h 的情況很少。 而流場內的流速越高，流場越不容易達到層流狀態， 如果流場在流速達到20 km/h 時保持為層流狀態， 則當速度低于20 km/h 時流場必然為層流狀態。 所以本次仿真以入口速度為5.4 m/s 進行計算。仿真后得到的速度云圖如圖6 所示。

圖6 流場速度仿真云圖

從圖6 可以看到， 腔體的上部流速較高，下部流速較低， 整個腔體內氣體分布差別較大，層流與紊流交雜，不能夠為傳感器采集提供一個穩定的流場。 初步判斷這與流體進氣口的位置有關，調整進氣口位置，將進氣口向下移動，查看仿真結果是否分布更加均勻［4,5］。

進氣口下移后流場速度仿真云圖如圖7 所示，可以看出進氣口下移對于流場內氣體的均勻分布有一定作用，但是流場內氣體上下差別還是較大。 通過改變進氣口、出氣口的位置，改善效果依然不大，不能達到預期的層流狀態［6］。

圖7 調整進氣口位置后的流場速度仿真云圖

2.3 內流場改進優化

流體狀態可分為層流和紊流兩種狀態。 層流是指流體在運動過程中，各質點完全沿著管軸方向直線運動，質點之間互不摻混、互不干擾。 若運動著的質點不僅沿著管軸方向直線運動，還伴有橫向擾動，質點之間彼此混雜，流線雜亂無章，這樣的流動狀態稱為紊流。

本項目所設計流場在紊流狀態下分子間擾動強烈，不利于空氣質量監測的準確性，所以需要調整流場設計， 使其達到穩定運行的層流狀態。 而判斷流場是處于層流還是紊流狀態需要用到雷諾數（Re）的概念，雷諾數物理上表示慣性力和粘性力量級的比。 雷諾數較小時，粘滯力對流場的影響大于慣性，流場中流速的擾動會因粘滯力而衰減，流體流動穩定，為層流；反之，雷諾數較大時，慣性對流場的影響大于粘滯力，流體流動較不穩定，流速的微小變化容易發展、增強，形成紊亂、不規則的紊流流場。 雷諾數計算公式如下［7,8］：

式中 L——流場的當量長度；

v——流場的特征速度；

ρ——流體密度；

μ——動力粘性系數。

當流場流通截面為圓形時L為圓形的直徑，當流場流通截面為矩形時L=ab/（a+b），a、b為矩形截面的兩個邊長［9,10］。

利用雷諾數可判定流體的流動是層流還是紊流。雷諾數小于2 300 的流動是層流，雷諾數在2 300～4 000 之間時為過渡狀態， 雷諾數大于4 000時是紊流［11,12］。

本項目的研究對象需要流場內形成層流狀態，也就是需要流場內的最大雷諾數小于2 300。通過式（1）可以得到當量長度L 的數值。 各仿真參數值如下：

ρ 1.29 kg/m3

μ 1.79×10-5Pa·s

v 5.4 m/s

Re 2 300

L 5.9 mm

經過計算，當流場當量長度小于5.9 mm 時，該流場的內部雷諾數也小于2 300， 滿足層流的判定條件。 設計流場截面矩形的兩個邊長為5、50 mm 時，其當量長度為4.54 mm，計算雷諾數為1 769，滿足設計層流需求。

根據計算所得尺寸數據重新設計該內流場的空間布局； 調整進氣口與排氣口的位置和尺寸，進氣口由原來的4 片增加至6 片。 與此同時，為使腔體內上部氣體與下部氣體也均勻分布，在腔體內增設導流板， 用以引導氣體的流向和分布。 流場內的尖角理論上用圓角替代較為合適，但考慮尖角變圓角對流場影響有限，且圓角加工成本較高，所以最終保持尖角。 優化后的流場模型如圖8 所示。

圖8 優化后的流場模型

2.4 優化后的模型仿真

Fluent 仿真保持流場的參數設置不變。 對其進行仿真分析運算， 運行后得到的結果如圖9所示。

圖9 優化后的流場速度仿真云圖

通過速度云圖可以看到，氣體流場的平均速度約為5 m/s，部分速度較高的區域約為7.5 m/s，速度較低區域為3 m/s，上下偏差不超過50%，速度分布較為均勻。

優化后的流場壓力仿真云圖如圖10 所示。可以看到， 氣體流場的平均壓力約為120 Pa，其中上部壓力較高的區域約為170 Pa，下部壓力較低的區域約為60 Pa，上下壓力差不大，分布較為均勻。 這就表示流場內部流體分布較為均勻，滿足傳感器采集的需求。

圖10 優化后的流場壓力仿真云圖

2.5 內腔體最終模型

根據仿真結果設計流場內部結構，設計好的流場內部結構剖面如圖11 所示， 通過增加導流板，調整當量尺寸，使得流場內部達到層流狀態。

圖11 流場結構剖面圖

3 結束語

將雷諾數作為判定層流、紊流的特征值，結合流體仿真技術設計的空氣監測裝置內流場符合實際需求， 即空氣傳感器采集的氣體流場應為穩定的層流狀態，采集數據才準確可靠。通過調整進氣口、排氣口位置，增加進氣空間，在腔體內增加導流板等措施使得腔體內的氣體分布更加均勻。