可消毒静压箱板电极结构优化的数值模拟研究

乔 彬,孙丽颖,金星河,黄梦琪,李程珂

(哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

2019年底,新型冠状病毒肺炎爆发并在全球蔓延。严重影响了人民的生命安全和正常社会活动。研究表明,新冠病毒的主要传播途径是经呼吸道飞沫传播,由于病毒在空气中传播扩散性很好,在人数较多、通风不佳的空间内易发生聚集性感染[1]。因此,保持室内常态化消毒通风十分重要。然而空调开启时经常关闭门窗以达良好控温效果,这会导致空气流动性变差,不利于病毒细菌的消杀[2]。因此,研发出一种可以应用于空调通风的消毒装置对病毒防控具有重要意义。

静压箱在空调通风系统中起着减少动压,增加静压,稳定气流和减少气流振动的作用,是空调通风系统的必要配件,能够提高通风系统的综合性能[3]。国内外学者对于各式静压箱研究有很多:严辉等人采用实验和CFD方法,分析了贴附式静压箱出口速度和内流场分布并确定内部结构对流场的影响[5];钱雨鲲等人分析了静压箱在不同输入下的出口温度场情况[6];Halibart,J等人研究了静压箱内部空气流动不对称时的解决优化方案[7]。但显然,国内外学者的研究都聚焦于静压箱的结构和内外流场特性,并没有探究其兼顾消杀工作的可能性。

现在市面上的空气净化设备有很多,常见的净化方式有吸附,光催化,等离子过滤等[8]。新冠病毒在不同材质组成的表面可保持感染性长达2 h至9 d,再加上新冠病毒的热敏感性,暴露在紫外线下或处于56 ℃的高温环境下30 min可达到灭活效果[10]。兰贵天等人根据新冠病毒的生理特性,设计出了基于热耦合电晕放电技术的空气消毒装置,通过采用阵列线-板电极结构实现电晕放电,并采用极板内嵌发热丝实现集中加热,能够有效提高病菌杀灭效果[11]。

因此,本文针对静压箱和基于热耦合电晕技术的空气消毒装置进行结构优化设计,提出一款可以进行病菌消杀的静压箱,在对气流进行分流的同时杀菌消毒,进而取得较好的空气净化效果。

1 模型简介

1.1 可消毒静压箱模型

本文取风量为300～500 m3/h的静压箱为研究对象,为减少静压箱占用的吊顶空间高度,其尺寸长×宽×高设计为370 mm×370 mm×180 mm,由不锈钢板构成。其物理模型如图1所示。静压箱1是一个带有进风口、出风口的箱体结构,可用于连接进入房间的水平送风支管与顶送送风口。进风口5的尺寸为160 mm×140 mm(宽×高),出风口6的尺寸为200 mm×200 mm。

图1 可消毒静压箱模型:(a)轴测图(b)俯视图(c)侧视图

1.2 空气消毒装置模型

静压箱中设置文献6中提出的空气消毒装置,主要由阵列线-板电极组成,如图1中所示。

阵列板电极主要起收集和集中加热消杀处理的作用,采用厚度为2 mm的铝片制成,根据处理气量、集尘效率等参数计算出阵列板电极总面积为0.109 m2。其模型如图1中所示。

阵列线电极主要通过电晕放电产生等离子体和臭氧,对病毒进行初次消杀,采用直径为2 mm的钨丝材料制成,钨丝材料耐高温腐蚀,可以长时间的稳定电晕,杀菌效果稳定,线电极结构根据板电极的不同而不同,线电极的数量比板电极少一,长度与板电极的板宽相同,其模型如图1中所示。

送风过程中,气流从进风口吹向消毒装置,并从出风口吹出,从而达到杀菌消毒的作用。

2 板电极结构优化的数值模拟

2.1 板电极结构对比研究方案

本文主要针对空气消毒装置主要由阵列线电极和阵列板电极组成,阵列的线电极和板电极之间的间距均为10 mm,线板电极之间的间距设置为25 mm,并交错排布。

阵列板电极由于阵列方式和板面尺寸不同会形成不同的结构形式,本文根据研究的静压箱尺寸,选取板电极不同板数、板型、尺寸进行对比研究,进而提出板电极结构优化设计方案,使其在静压箱中发挥良好净化效果的同时又不会影响静压箱的稳压性能。

(1)阵列板电极板数、板型

在保证板电极总面积不变的情况下,选取图2所示的四块板、五块板、六块板和七块板四种板数进行对比研究,板面为正方形,每种板数均分析平板、1/4圆形弯板两种板型,如图3所示。

图2 阵列板电极的板数对比方案(以平板为例)

图3 阵列板电极的板型对比方案(以六块板电极为例)

改变阵列板电极的板数、板型共形成8种对比工况如表1所示。

表1 板电极阵列方式对比工况

(2)阵列板电极的板面尺寸

阵列板电极的板面尺寸以正方形板面宽度为基准,依次改变板面宽度为正方形板的71%、83%、100%、120%、140%,共有五种板面形状,板宽由小到大排列如图4所示。

图4 阵列板电极的板面尺寸对比方案(以六块弯板电极为例)

选择板数、板型的最优工况并改变其板面尺寸可形成4种对比工况,如表2所示。

表2 板电极尺寸对比工况

2.2 边界条件

本文利用CFD方法对静压箱内部流场进行数值模拟,研究静压箱内的压力、速度等参数分布,对比不同工况下可消毒静压箱的稳压和消毒效果,进而探究静压箱中板电极结构的最佳设计参数。

在各工况的模拟中,将静压箱的进风口设置为速度入口,送风风速为5 m/s,送风温度为16 ℃。静压箱出风口设置为压力出口,出口边界为环境压力。静压箱内壁面条件设置为绝热壁面。

2.3 评价指标

为对比板电极结构对静压箱稳压和消毒效果的影响,本文采用下列性能评价指标对不同工况进行对比分析。

2.3.1 速度不均匀系数

在静压箱中设置阵列板电极会对送风气流有一定的阻挡,板电极对气流分布的影响可用出风口“速度不均匀系数”指标来评价。静压箱在通风系统中起稳定气流的作用,室内送风的速度不均匀系数εv越小,说明送风口的气流分布越均匀。

速度不均匀系数计算方法如下

(1)

式中εv——速度不均匀系数;

σv——静压箱出风口处各测点的速度均方根偏差;

2.3.2 静压箱压降

静压箱压降ηt指静压箱进风口和出风口的静压差,其值越小说明静压箱的稳压效果越好。计算公式如下

(2)

式中ηt——静压箱压降/Pa;

pi——进风口的静压/Pa;

2.3.3 板电极接触率

在静压箱中未灭活的病毒将在板电极处进行富集,利用极板发热进行消杀,从而取得很好的空气净化效果。可以认为极板表面压力越大,空气粒子在板面停留的时间越长,则板电极的表面利用率越高,此时消毒效果更好,因此本文采用板电极接触率来评价阵列板电极的消毒效果。

将板电极表面等分成若干个面进行研究,板电极接触率δ表征各个分割面上的静压值与极板表面静压最大值的差异程度。δ值越大,表示板电极的使用率越高。δ值的计算方法如下[13]

(3)

式中δ——板电极接触率;

pmax——板电极最大静压值/Pa;

pi——板电极各面静压/Pa;

n——板电极分割面数。

2.3.4 综合评价指标

综合评价指标是指静压箱的板电极接触率与送风口速度不均匀系数和静压箱压降乘积的比值,其值越大说明此时静压箱能同时满足通风和净化的效果越好,计算公式如下

(5)

3 模拟结果和分析

3.1 板电极板数、板型的对比分析

采用不同板电极板数、板型时的静压箱评价指标模拟结果如图5所示。

图5 各工况评价指标

从图5中可以看出,在板数相同的条件下,弯板的板电极接触率普遍比平板要高,对比图6(a)(b)可以看出,装有弯板消毒装置静压箱的稳压效果要强于平板静压箱的稳压效果,静压箱压降远小于平板的压降。此外,二者的速度不均匀系数和板电极接触率相差不大,因此,板型为弯板各工况的综合评价指标要高于同等板数下平板的综合评价指标。当板数变化时,板数为六的工况6综合评价指标最优,在板电极接触率高达88%时,静压箱压降仅为4.27 Pa,该工况的消毒和稳压通风效果优于其他工况。

图6 (a)工况5气流迹线与静压分布;(b)工况6气流迹线与静压分布

3.2 阵列板板电极面尺寸的对比分析

根据上节中的结论,选取最优工况6的板面板数和板型,按照表2设计阵列板板电极面尺寸,进行仿真得到各工况的评价指标如图7所示。

图7 各工况评价指标

从图7中可以看出,各工况评价指标的变化要远小于图5所列各工况评价指标的变化,说明板面尺寸变化对于装置的影响要小于板数、板型变化时的影响。从图5、图7中可以看出,在对比研究的12种工况中,工况11的综合评价指标最高,虽然其速度不均匀系数略高,但有最小的静压箱压降和最大的板电极接触率,说明其在稳压和消毒的综合效果优于其他各工况。

图8分别为工况11的速度迹线图,静压迹线图,板电极温度图和纵向对称面的静压等高图。可以看出:最优工况下静压箱的稳压和通风的作用并没有收到太大的影响,而电极板表面的温度大多维持在60 ℃左右,完全满足新冠病毒的消杀温度要求。因此,该工况下的静压箱完全可以实现通风和消毒的双重功能。

图8 工况11:(a)速度迹线图;(b)静压迹线图;(c)板电极表面温度图;(d)纵剖面静压等高图

4 结论

本文以静压箱和基于热耦合电晕放电技术的空气消毒装置为基础,提出了一种应用于空调通风系统中的可消毒静压箱,为通风系统中空气的消毒净化提供了新的思路。在此基础上,模拟了不同结构及尺寸板电极对静压箱稳压和消毒的影响,研究结果表明:

(1)板电极数量也会对静压箱综合评价指标产生影响,对于风量为300～500 m3/h的正方形静压箱,针对四块板、五块板、六块板和七块板四种板数进行对比研究,板电极数为六块时的消毒和稳压通风效果优于其他块数。

(2)阵列板电极的极板数量、形状和尺寸均会对可消毒静压箱的稳压消毒效果产生影响。极板剖面形状为1/4圆形弯板的综合评价指标高于平板,说明阵列弯板电极在静压箱中稳压消毒效果优于平板。

(3)对于风量为300～500 m3/h的正方形静压箱,板电极数为六块时,发现当消毒装置的板电极由宽为114 mm,厚为2 mm,间距为10 mm的1/4圆形阵列金属板组成时,静压箱综合评价指标为0.870,最能兼顾消毒和通风的要求。