1、0 引 言 在进行空气净化器的结构设计中， 风道的结构形式对风量有重要的影响。 离心风机经过风道的风量进口速度与出口速度的大小影响了智能控制系统中气敏传感器与粉尘传感器的灵敏特性， 从而影响异味与烟感浓度的大小。浓度变化时，气敏传感器的敏感度也会发生变化，而 PIC16C73 中的异味采样子程序中的软件控制方法就是利用敏感度的大小去判断室内空气的污染程度，再通过 K 值与 S 值去控制离心风机。其中 K 值与 S 值是软件编程中用于控制离心风机的参数：将驱动风机的“ ON/OFF”值定为 K 值，将驱动风机的“弱中强”运转值定为 S 值；同样，风量的大小也会影响到浮游颗粒的浓度大小， 从而会空
2、气净化器风道的计算机仿真 王彦海 （ 中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北 邯郸，056027 ） 摘 要： 在进行空气净化器风道结构的设计中，风道的结构形式对风量起着重要的影响。本文利用ICEPAK 计算机仿真软件在设计阶段对空气净化器的风道进行模拟仿真，建立了风道的仿真模型及建模过程，仿真出风道进口处与出口处的空气流速的变化值，进一步研究离心风机的风量与滤层阻力、流量、流速的影响关系。通过实验比较，在不同滤器种类的情况下，验证了风阻对风量的影响大小，证明了空气净化器风道计算机仿真的正确性。 关键词： 风道设计 ； ICEPAK 仿真软件；仿真模型；滤器种类；风阻 中图分类号： TP39
3、1.9 文献标识码： A Computer Simulation of Air Cleaner Wind Tunnel Wang Yan-hai (The 718th Research Institute of CSIC, Handan 056027, China) Abstract: In the design of the structure of the air cleaners wind tunnel, the structural form has significant influence on the air volume. This paper employs the ICEP
4、AK computer simulation software in the design stage to simulate the air cleaners wind tunnel, to build its simulation model, and to describe the process of the simulation and the change value of the air flow at the simulated entrances and exits of the wind tunnel, so as to research the influence of
5、the centrifugal fans wind over the resistance of the filter, and the amount and the speed of wind flow. By means of the comparison of experiments, the paper also tests the degree of the air resistances influence on air volume in different types of filters and proves the correctness of the simulation
6、 calculation of the air cleaners wind tunnel. Key words： Design of wind tunnel, ICEPAK computer simulation software, Simulation model, Types of filters, Air resistance 舰 船 防 化 2009年第 3期， 3439 CHEMICAL DEFENCE ON SHIPS No.3, 3439 导致粉尘传感器软件控制子系统的定时间隔采样周期的变化，室内空气洁净程度的级别也会发生变化。因此，在生产净化器原型机之前，利用计算机仿真技术研究
7、风道的结构形式与风量大小的关系， 为智能控制系统的软硬件设计提供理论依据。 综上所述，在进行风道的结构设计中，先研究空气净化器内部风道的结构形式， 再进行软硬件的编程设计。风道设计的过程控制流程图如图 1 所示。 利用 Icepak 仿真软件，在离心风机的入口处，设置离心风机不同的风速， 仿真软件就会仿真计算出入口与出口的风速， 并能够计算出在风道各个点的流速的轨迹图。 这样， 可以在空气净化器还没有制造之前，对风道的结构设计起到指导的作用。 净化器风道结构示意图见图 2。 本文的研究思路为利用 Icepak 仿真软件， 首先建 立空气净化器风道的结构模型， 结构模型建立完毕后 2009 年第
8、 3 期 空气净化器风道的计算机仿真 35 叶轮外壳 叶轮 风机 固定架 光催化板活性炭蜂窝滤器 高效过滤器 初效 滤布 风道的结构形式 风量的强弱 传感器敏感度的大小 离心风机的K、 S 值 浮游颗粒的浓度 软件定时间隔采样周期 影响 影响 软件控制 影响 影响 修改 图 1 风道设计的过程控制流程图 Fig.1 Process control diagram of the wind tunnel design 图 2 空气净化器风道结构示意图 Fig.2 Structure of the air cleaners wind tunnel 再加载初始边界条件，设定离心风机的特性参数，然后进行
9、网格生成，检查整个模型的气流并求解计算，最后分析输出的结果。 Icepak 仿真软件的流程框图见图 3。 1 Icepak 软件简介 Icepak 是一个专业的电子设备热分析及热仿真软件，它能够解决系统级、部件级、封装级的热分析问题。在系统模拟、电子设备机箱、通信设备、芯片封装、 PCB 板、散热器、风洞等有着广泛的工程应用1。 Icepak 软件具有如下的特点： 建模方便： 利用现成的模型库可方便的为所求解的问题建立模型，并且可从其它 CAD、 CAE 软件包输入模型。 物理模型丰富： 用户可模拟自然对流、 强迫对流、混合对流、热传导、热辐射、流 固的耦合换热、层流、湍流、稳态、非稳态等流动
10、现象。 灵活的网格生成：采用非结构化网格，能够针对复杂的几何外形生成三维四面体、 六面体的非结构化网格。 强大的求解功能：采用 FLUENT 计算流体力学求解器，应用有限体积法求解结构化与非结构化网格，保证工程应用的计算精度。 可视化后处理功能： 分析结果可以通过视图的形式输出，包括速度矢量图、等值面图、粒子轨迹图、网格图、切面云图、点示踪图及各种 AV I、 MPEG、FLI、 GIF 等动画格式。 2 空气净化器风道的仿真过程 2.1 建立模型 空气净化器的外形尺寸为 L W H 840mm400mm 280mm；利用模型库中的 cabinet 命令建立求解域， 然后根据其组成的几何尺寸应
11、用 block、 plate命令拼接成风道；再根据模型库中的 opening 命令建立空气净化器的风道开口、 建立离心风机模型的定位尺寸及特性等参数，完成后的风道模型图见图 4，离心风机的特性曲线见图 5。 36 舰 船 防 化 2009年第 3 期 建立风道的计算机模型 加载初始条件设定离心风机的参数 网格生成 检查气流并求解计算 分析并输出结果 加载 设定 建 立生成 检查 修改 图 3 Icepak 仿真软件的流程框图 Fig.3 Flow diagram of the Icepak simulation software 图 4 空气净化器的风道模型图 Fig.4 Model of a
12、ir cleaners wind tunnel 图 5 离心风机的特性曲线图 Fig.5 Diagram of Centrifugal fans peculiarities 2.2 初始条件及边界条件的设置 在建立模型的同时， 在相应的参数面板中加载初始条件和边界条件，首先修改 Problem setup/Basic parameters 中的参数设置，主要设置如下： 气流：稳态、紊流； 设置流体：空气； 加入重力加速度的影响： Y 方向上为 -9.8m/s2； 环境空气温度： 25； 大气压强： 1.01 105Pa。 2.3 网格生成 直接建立结构化网格。点击 Model/Generate
13、 Mesh。一般情况下，软件会根据模型尺寸给出最大网格尺寸，在此基础上，选择“ Nomal”命令做细化网格的处理，以提高求解精度。设置完成后，执行“ generate mesh” （生成网格）命令，软件提示为： NODES: 1989222 HEXAS: 1922654 PENTAS: 6667 PYRAS: 1080 TETRAS: 432 QUADS: 148591 TRIS: 507 FACES +SOLIDS : 49 2.4 检查气流 在进行求解计算之前， 应首先估算一下 Reynolds（雷诺）数和 Peclet（佩克莱）数来验证先前给定的初始条件是否正确。运行 Solution
14、settings/Basic settings，点击“ Reset”按钮，在“ Message”窗口里得到如下的信息： Reynolds 数和 Peclet 数分别为90098.2 和 63835.1； 说明计算出的雷诺数在紊流范围内，与初始设置的条件相符。 2.5 求解计算 Icepak 软件采用迭代法进行计算，执行“ Solve/Run solution”命令， Icepak 开始求解，当迭代次数达到 100 次时，残差收敛曲线已经完全收敛，计算完成，如图 6 所示。 图 6 残差收敛曲线 Fig.6 Curve diagram of Residual convergence 2.6 检查
15、结果 Icepak软件的后处理功能强大，计算的结果可以通过视图来显示，图 7是离心风机的入口及出口处生成的气流流速的速度矢量图和速度的迹线分布的云图。 通过计算机的仿真结果可知： 离心风机在高速运转的状态下，出口处的风速在 3.30462m/s 4.40616m/s 之间，与实际测量的结果基本相符。 3 试验结果与讨论 3.1 风量测试 2009 年第 3 期 空气净化器风道的计算机仿真 37 图 7 入口及出口处的速度矢量图及速度迹线图 Fig.7 Velocity vectorgraph and velocity trace graph at inlet and outlet 处理风量是空
16、气净化器性能的重要指标， 其大小确定了净化器性能的优劣。通过实验，测试出风口的风速及风量的数值，测试点分布如图 8 所示。 12345图8 出风口采样点示意图 Fig.8 Diagram of the sampling point at air outlet 其中，出风口面积： 0.02m2。采样点按照国标GB/T 18801-2002 的要求，在图 8 中的 1， 2， 3， 4，5 点各布置一个2。测试结果如表 1 所示。 表 1 风量测试数据表 Table 1 Air Flow Test Data Table 运转 情况 1 2 3 4 5 平均值 风量（ m3/h）高速（ m/s） 3
17、.32 3.62 4.48 4.58 4.26 4.05 292 中速（ m/s） 2.70 2.43 2.88 3.20 2.86 2.81 202 低速（ m/s） 1.47 1.60 1.48 1.75 1.90 1.64 118 从表1的实测数据可知，离心风机在高速的档位时，仿真的出风口速度与测试的数据相近似。 风机、吸附滤器、高效滤器的风量、风压、迎风面积等试验数据见表2。 表2 不同滤器的风阻与风量（离心风机的三个档位） Table 2 Air resistance and air volume of different filter (Centrifugal fan of the
18、 three situations) 风阻（ Pa） 风量（ m3/h） 滤器种类 高速 中 速 低速 高速中速低速无滤器 23 10 3.5 311 234 154初效滤布 25 17 10 292 224 132高效过滤器 50 44 17 264 192 11425mm活性炭蜂窝滤器 24 16 10 280 217 12350mm活性炭蜂窝滤器 57 42 20 153 121 84光催化板 25 15 5 294 231 150初效滤布 +高效过滤器+活性炭蜂窝滤器（ 25mm） +光催化板66 50 20 244 187 106初效滤布 +高效过滤器+活性炭蜂窝滤器（ 50mm）
19、+光催化板99 70 30 150 115 77注：初效滤布：厚5mm；高效滤器：0.5 m ，95%；活性炭滤器：煤质炭直径0.9mm。 3.2 讨论 由表 2可以看出，初效滤布的阻力比较小，高效滤器的阻力中等，活性炭滤器的阻力比较大。活性炭滤器厚度减半后阻力只降低 19%，阻力改善并不明显。三种滤器组合后，阻力的主要影响因素是活性炭蜂窝滤器。 活性炭蜂窝滤器的阻力在增加高效滤器后的阻力并没有可观测到的增加 （微压差表的分辨率为5 Pa）。因此，活性炭蜂窝滤器是改善滤器阻力的关键因素。 在初效滤器、高效滤器、活性炭蜂窝滤器组合后的风量在测试风机的最大风量下只有 244 m3/h，相应的滤器迎
20、风面积为 0.3m2，要想提高风量，必须从风机、滤器迎风面积、滤器阻力等方面着手，即加大风 38 舰 船 防 化 2009年第 3 期 机风量、增加滤器迎风面积、降低滤器阻力，尽量降低风阻。 4 结 语 通过计算机仿真， 在设计空气净化器风道的前期阶段对其具有重要的理论指导作用， 减少了设计的重复性及试验的次数，从而提高了工作效率。 参 考 文 献 1 Icepak Version 4 练习教程M北京：天源科技，2007：15 2 GB/T18801-2002，空气净化器S 作者简介： 王彦海（1972 ），男，工程师，工程硕士，从事机械结构设计及电子设备的热设计等工作。 派瑞空气净化器产品介
21、绍（四） 企业简介 中国船舶重工集团公司第七一八研究所是国内专业的环境净化设备研究所，建所四十多年来，研制开发出大量密闭环境用空气净化的材料、设备和检测仪器，广泛用于“神舟”飞船等领域。 近年来，我所响应国家“军转民”号召，利用成熟军工技术，特别是“神舟”飞船上使用的常温催化净化技术，研制了系列民用空气净化产品，可用于家庭、会议室、办公场所、医院、宾馆、汽车等场所。能够迅速净化甲醛、氨气、苯、二甲苯、一氧化碳、 TVOC（总挥发有机物）及可吸入颗粒物、细菌等有害物质，具有净化效率高、作用范围广的特点。 经国内知名专家鉴定，认为我所研制的产品 技术先进，净化效率高，总体技术处于国内领先 水平，其
22、中常温催化技术达到国际领先水平。人民日报、经济日报、科技日报、中国高新技术产业导报等十几家媒体对本产品进行了报道。 净化原理 派瑞空气净化器主要由 HEPA 过滤器、吸附剂、负离子发生器、光催化系统等几种功能组件组合而成。采用过滤、氧化、催化、吸附等原理对空气中的有害气体成分进行清除。其分级净化原理如图 1 所示。污染的空气经过 HEPA 过滤器后，会过滤掉 0.3m 以上的微尘、气溶胶等固体颗粒物，然后化学吸附层吸附有机物、氨气、甲醛等有害气体，最后负离子发生器和紫外光催化组件会杀掉空气中的细菌等微生物，并释放出活性氧。 产品优势 和市面上同类产品相比，派瑞（PERIC）系列空气净化器具有三大技术创新： 1常温催化净化技术： “神舟”飞船用净化技术，常温下可迅速催化分解甲醛、一氧化碳。 2改性碳滤料专利技术：利用大容量军用碳为载体，经专利技术处理，可有效吸收常见的污染物氨气、苯、甲苯、二甲苯及其他挥发有机物。 3智能控制技术：通过多种传感器对环境污染情况进行实时监测，实现自动报警和智能运行，并为用户提供友好的操作界面。 2009 年第 3 期 空气净化器风道的计算机仿真 39 图 1 分级净化原理图
