1、西北防风沙空气净化窗台设计及数值模拟摘 要：针对西北地区沙尘季节天气，目前房屋的窗台采取的是密封，杜绝风沙的侵袭。为达到既能有效防止风沙进入室内，又可以秉承通风功能。根据流体动力学原理和气固两相流，初步对窗台进行建模。并基于 FLUENT 软件对模型的进行参数模拟，得出窗台设计的合理性，从而为以后改善带防风沙和空气净化功能窗台设计提供参考。 关键词：防风沙 空气净化 窗台设计 数值模拟 The window design and numerical simulation of the northwest wind and sand air purification Zhu maosheng L
2、v mengmeng Yang zhengwen Ma cong Liu youqiang Tian hua Zhang jiankui （Northwest University for Nationalities， Lanzhou， 730124） Abstract： Sand and dust weather in the northwest of the season， the current housing window is taken by the seal， to prevent the invasion of sand. In order to achieve not onl
3、y can effectively prevent the sand into the interior，and uphold the ventilation function. According to the principle of fluid dynamics and gas-solid two-phase flow，the initial modeling of the window. Based on the FLUENT software for parameter simulation model， the rationality of window design， so as
4、 to improve with wind and sand and air purificationfunction window design reference. KeyWords： against sandstorm air purification Window design numerical simulation 目前楼房的通风系统主要是窗户，无论城市或者农村，西北地区进入沙尘季节后，可吸入粉尘颗粒严重危害了人体的健康。室内的空气净化主要依靠空气净化器，空调等设备，无法采取自然通风对空气进行净化。针对目前状况，设计既可以自然通风，又可以防止风沙入侵的窗台具有现实意义。 一、窗台设
5、计 何国福1机车通风系统及防风沙结构改进设计中，指出空气净化适宜采用多级过滤系统，铝合金瓦楞+旋风结构百叶窗+滤网的效果很好。防风沙及空气净化窗台设计采用类似结构，如图 1 所示。 本窗台对推拉窗进行改造。过滤系统分四级。初级过滤：瓦楞式百叶窗 a，可以调节叶片控制进风量以及入风角度，可以错开风沙的入射角。二级过滤：单层防尘网，流通的沙尘空气（强风） ，经过防尘网后，抑尘效果可达 6585%。三级过滤：活性碳网，活性炭过滤网具有更优良的气体动力学性能，体积密度小，比表面积大、吸附效率高，风阻系数小。具有活性炭高效的吸附性能，空气阻力小，能耗低，可在一定风量下除臭、除异味，净化环境，具有很好的净
6、化效果，可广泛用于各种通风系统，同时兼备除尘和除臭功能，有效改善室内空气品质。四级过滤：解丽英，苍宏伟2文中指出 HEPA 过滤网，中文意思为高效空气过滤器，达到 HEPA 标准的过滤网，对于 0.1 微米和 0.3 微米（风沙尘直径在0.250.05 毫米）的有效率达到 99.998%，HEPA 网的特点是空气可以通过，但细小的微粒却无法通过。它对直径为 0.3 微米以上的微粒去除效率可达到 99.7%以上，是烟雾、灰尘以及细菌等污染物最有效的过滤媒介。经过几级滤网的过滤，通过窗台的空气，已经达到了居家的环境要求。 图 1 二、数学模型的建立 1.标准 模型 采用标准 模型3，求解湍流动能和
7、耗散率。因为标准 模型适合一湍流的流动过程模拟。标准 模型的湍动能 和和耗散率 方 程的形式如下： 式中，Gk 表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生；Gb 表示由于浮力影响引起的湍动能生；YM 表示可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响。湍流粘性系数 式中，C1=1.44，C2=1.92，C3=0.09，湍动能 与耗散率 的湍流普朗物数分别为 ， 。 2.Eulerian 模型 Eulerian 是复杂流多相模型，它建立了含有多个动量方程和连续相方程来解每一相，其中的压力项和各界面交换系数是耦合在一起，可以应用颗粒悬浮这情况。 HEAP 滤网的阻力主要由滤料（风沙）阻力和过滤器结构（滤板）阻力两
8、部分组成。滤网的净化总阻力方程为： u 为面速，通过截面的风速， 为入口速度 m/s， 为通道空气速度m/s，H 为滤层孔厚（介质的厚度）m， 是纤维直 m， 为纤维开系数 1； 为气体密度 kg/m3，L 为过滤器的长度 m；d 为风道的当量直径， 为变化填充率； 为滤层也隙率。 三、几何模型 根据不同的要求用 GAMBIT 建立了 ABC 三个模型，并且对较为复杂的模型，进行了简化。同时对流体进行了如下假设：流体密度不大，为不可压缩的流体。入口速度均匀。HEPA 过滤网等以多孔介质模拟模型，其动量议程中增加了消耗源项，分别是黏性损失项和内部损失项。 式中： 为渗透系数； 为内部阻力因子。
9、模型如图 2 所示 图 2 1.A 模型数值模拟结果 1.1 压力场分析 进口风速分别为 2m/s、3m/s、5m/s、7m/s、9m/s 的静压分布图如图3 所示。 入口速度不同，但是压力分布情况相似，模型中间的压力最小，且变化值较小。在模型的入口角端压力较大，变化值明显，风沙容易沉积造成堵塞因此我们可以提高窗户的上下两端的最外缘，进行有效阻止急速的风沙。窗户中间通风道压力由入口到出口减弱，有利于空气稳定的流通。在 5 个规格相同截面上，入口速度增大，压力梯度逐渐增大，气流稳定性降低。 1.2 速度场分析 进口风速分别为 2m/s、3m/s、5m/s、7m/s、9m/s 的速度分布图如图4
10、所示。 速度的分布特点是窗户的通道上下两壁的速度由入口到出口逐渐减小，然后处于稍微离两壁离一点的地方最大，离出口的地方速度较大。通过对比，在 5 个截面上，入口速度增大，速度变化梯度相同，差值0.04m/s。设置 HEPA 过滤网，有利于减缓较大的风速，同时保证良好的通风。上下两壁为固定滤网板框，低风速有利于风沙粉尘的沉降，以及清理粉尘工作。 2.B 模型数值模拟结果 模型边界条件参数为：压力基求解器，稳态时间运算，可现实现 湍流模型，入口风速 2m/s，水力直径 0.3m，湍流强度 10%，出口边界类型是出流，离散相模型开。 压力场分布如图 5 所示 图 5 压力场分布情况 体积分布如图 6
11、 所示 图 6 气相、固相的体积分布 混合相湍流动能及耗散率如图 7 所示 图 7 混合相湍流动能及耗散率分布 B 模型总结 在三个压力场中，气相的压力小于固相的压力，三个压力场中都有明显的断层，这是由于中间有一模拟滤网的多孔介质，在通道的右上角产生了较小的涡流。体积分布图中可以看出，多孔介质上黏附着部分粉尘，使得中间有明显一道高明亮的线。从混合相湍流动及耗散率图可以看出，湍流动能经过多孔介质后，前后形成了明显的对比。这是由于多孔介质的阻隔作用，导致两相不能顺畅地通过造成的。在窗户的通风道在过滤系统中，处于中间过滤网对于气固两相的压力以及湍流动能影响较大，过滤风沙时，活性碳过滤网的吸附能力明显
12、。通过了 HEPA 过滤网后，可以看出有少量的体积。经过三层过滤浓度明显降低。 3.C 模型数值模拟 残差收敛值如图 8 所示 图 8 残差收敛图 压力场分析如图 9 所示 图 9 压力分布 C 模型中，通过四个截面的压力差可以反映出，入口与出口的压力非常接近。在第二截面上，压力最大，这是由于二级过滤网，起到了风阻作用较强。第三四五截面上压力有所增大，说明三四级过滤网，通风性增加，有利于了净化空气进入室内。 实验室模拟参数 半径等于 0.15m，长 0.3m，通风圆管，离入风口0.1m、0.12m、0.14m 设置三层滤网，分为窗纱、防尘网以及活性碳网。采用连续鼓风方式，入口风速 2m/s，粉
13、尘材质滑石粉，浓度检测器是粒量 PM2.5 实时监测仪。得到的实验数据如图 10 所示。 图 10 粉尘过滤前后浓度 四、总结 能过多级过滤模型可能降低风沙粉尘的浓度，但是同时也使得通风阻力有所增大。采用活性碳网及简化的 HEPA 滤网，采用 FLUENT 软件的标准 模型及多孔介质模块仿真，得到多个压力场及通风气流场。风速越大，压力梯度变化增大，气流越不稳定，滤网边角位置出现涡流，HEPA滤网可以提高气流的稳定性。窗户通道底部有较小的颗粒的沉积，滤网上有黏附的粉尘，需要不定时进行滤网的清理工作。多孔介质的开孔率不同使得风沙粉尘经过后两个多孔介质时，压力场的变化不大，气流相对稳定。由于现实中风
14、沙起风风速不稳定，可能在出口处出现气流叠加效应，因此，增大出口截面积，并且距离多孔介质适中过滤效果更佳。史程瑛、张士忠4采用低熔点聚合物和高熔点聚合物双组份皮芯纺织而成，添加抗菌、净化、导电等助剂，制备的新型多功能空气过滤网，也可以适宜于防风沙与空气净化过程中。这些数值模拟分析有助于初步构建具有防风沙并具有空气净化功能的窗台设计。 参考文献 1何国福.出口苏丹机车通风系统及防风沙结构的设计.J.内燃机车.2008，10：25-26 2解丽英，苍宏伟.浅谈空气过滤器.J.华章.2011，03：286. 3周俊波，刘洋等.FLUENT6.3 流场分析从入门到精通.北京.机械工业出版社.2012. 4史锃瑛，张士忠.新型多功能空气过滤网.中美国际过滤与分离技术研讨会论文集.2009，11：193-194.
