基于Fluent的空气监测装置内流场仿真研究

任凯轩 王 震 邱好奇 谢炳楠

（河南晟合轩智能科技有限公司）

随着我国城市的不断发展，城市内的居民生活、 工业生产及交通尾气等污染源与日俱增，影响人的健康［1,2］。人类向自然界排放的空气污染物已经超过了自然环境的自愈能力。 城市空气污染问题日益得到重视，目前已经建立了全国空气质量指数发布平台， 实时发布各个城市的空气质量。 这就对空气质量监测技术和空气监测点位布置提出了更高的要求。

我国政府为推动生态环境改善工作，以监测先行、监测灵敏、监测准确为导向，推出新举措，认真完成全国生态环境监测各项任务，加快建立完善现代化生态环境监测体系，深入打好污染防治攻坚战。 但与此同时对监测数据弄虚作假、监测站点人为干扰环境质量监测站点等问题时有发生。

为强化环境质量监测站点保障工作，确保生态环境监测数据真实、准确，计划设置空气监测流动站。 空气监测流动站可作为代替站，或当发现固定站不合理时，作为灵活的增设站，发生紧急污染时，作为机动的临时站，在设置固定站前，它还可协助污染普查。

目前根据《环境空气质量监测点位布设技术规范》的要求，城市环境空气质量监测点可分为：城市点、区域点、背景点、污染监控点和路边交通点5 类，这5 类均为固定点。 近些年随着共享单车的普及，笔者设计了一款可安装于共享单车上的空气监测装置，在共享单车处于骑行状态下进行空气采集监测。 由于其为流动采集数据，可作为固定点采集数据的强力补充，能较好地反映城市空气质量［3］。

1 设计方案

1.1 设计说明

笔者设计的空气监测装置安装于共享单车前车筐的底部，当共享单车处于骑行状态时可进行空气监测。 由于监测过程为在路面上的流动监测，而非在某一固定点进行，因此其数据更有代表性。 且共享单车分布于城市各个角落，不易受人为因素干扰，其所采集的数据可靠性更高。

空气监测装置的安装如图1 所示。 首先，将监测装置本体通过支架固定于共享单车车筐底部，其安装方式主要为上部固定的吊装。 通过调整安装位置，使空气监测装置的前进气口、后排气口不受遮挡，方便前后方向的空气流通，减少监测过程中可能存在的干扰，优化气流场。 本装置与车筐的连接采用固定钣金件和异形螺栓，具有一定防拆功能，保护其不被人为破坏。

图1 空气监测装置安装示意图

监测装置内的核心设备为空气监测传感器（图2）， 传感器内置有风扇安装于传感器的排气口进行抽风。 传感器安装使用时要求避免周围有气流干扰，其技术要求外部气流方向与传感器内部气流方向保持垂直。

图2 空气监测传感器示意图

根据传感器对空气流向的技术要求，设计的装置内部布局如图3 所示。 采集腔体做了气体流动处理，空气在自行车前进的推力下，由进气口进入气体监测腔体，在腔体内进行垂直于传感器进气口的流动，当传感器开始工作后，即可抽取腔体内流动的气体进行采样分析，这样提取的空气质量更具代表性。 外壳的进气口、排气口都做了45°倾角的防雨水、防灰尘措施，减少其他的环境干扰，极大地保证了监测数据的准确性。

图3 空气监测装置内部布局图

1.2 内流场建模

为确定空气监测装置内部流体分布均匀，符合要求，应对腔体内部流场进行仿真计算。 根据空气监测装置的设计方案建立空气流场模型，为后期做流体仿真分析做准备。 简化后的流场仿真模型如图4 所示。

图4 简化后的流场模型

由图4 可以清晰地看出，进气口与排气口都有45°倾角，进气口、排气口的厚度为1.5 mm，间隔也是1.5 mm，初步设计进气口、排气口分别为4 排。

2 内流场仿真

2.1 内流场网格划分

内流场模型建好后， 将其导入ANSYS 中进行网格划分，由于模型进气口、排气口最小尺寸为1.5 mm，所以设置网格的最小尺寸为0.5 mm，且单元格为六面体。 划分好的网格如图5 所示。

图5 内流场网格划分

2.2 内流场初步仿真结果

将划分的网格导入Fluent 中进行流体力学仿真，定义材料、边界条件等参数。 查找数据可知： 共享单车骑行的速度一般为10～20 km/h，在城市道路骑行速度超过20 km/h 的情况很少。 而流场内的流速越高，流场越不容易达到层流状态， 如果流场在流速达到20 km/h 时保持为层流状态， 则当速度低于20 km/h 时流场必然为层流状态。 所以本次仿真以入口速度为5.4 m/s 进行计算。仿真后得到的速度云图如图6 所示。

图6 流场速度仿真云图

从图6 可以看到， 腔体的上部流速较高，下部流速较低， 整个腔体内气体分布差别较大，层流与紊流交杂，不能够为传感器采集提供一个稳定的流场。 初步判断这与流体进气口的位置有关，调整进气口位置，将进气口向下移动，查看仿真结果是否分布更加均匀［4,5］。

进气口下移后流场速度仿真云图如图7 所示，可以看出进气口下移对于流场内气体的均匀分布有一定作用，但是流场内气体上下差别还是较大。 通过改变进气口、出气口的位置，改善效果依然不大，不能达到预期的层流状态［6］。

图7 调整进气口位置后的流场速度仿真云图

2.3 内流场改进优化

流体状态可分为层流和紊流两种状态。 层流是指流体在运动过程中，各质点完全沿着管轴方向直线运动，质点之间互不掺混、互不干扰。 若运动着的质点不仅沿着管轴方向直线运动，还伴有横向扰动，质点之间彼此混杂，流线杂乱无章，这样的流动状态称为紊流。

本项目所设计流场在紊流状态下分子间扰动强烈，不利于空气质量监测的准确性，所以需要调整流场设计， 使其达到稳定运行的层流状态。 而判断流场是处于层流还是紊流状态需要用到雷诺数（Re）的概念，雷诺数物理上表示惯性力和粘性力量级的比。 雷诺数较小时，粘滞力对流场的影响大于惯性，流场中流速的扰动会因粘滞力而衰减，流体流动稳定，为层流；反之，雷诺数较大时，惯性对流场的影响大于粘滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的紊流流场。 雷诺数计算公式如下［7,8］：

式中 L——流场的当量长度；

v——流场的特征速度；

ρ——流体密度；

μ——动力粘性系数。

当流场流通截面为圆形时L为圆形的直径，当流场流通截面为矩形时L=ab/（a+b），a、b为矩形截面的两个边长［9,10］。

利用雷诺数可判定流体的流动是层流还是紊流。雷诺数小于2 300 的流动是层流，雷诺数在2 300～4 000 之间时为过渡状态， 雷诺数大于4 000时是紊流［11,12］。

本项目的研究对象需要流场内形成层流状态，也就是需要流场内的最大雷诺数小于2 300。通过式（1）可以得到当量长度L 的数值。 各仿真参数值如下：

ρ 1.29 kg/m3

μ 1.79×10-5Pa·s

v 5.4 m/s

Re 2 300

L 5.9 mm

经过计算，当流场当量长度小于5.9 mm 时，该流场的内部雷诺数也小于2 300， 满足层流的判定条件。 设计流场截面矩形的两个边长为5、50 mm 时，其当量长度为4.54 mm，计算雷诺数为1 769，满足设计层流需求。

根据计算所得尺寸数据重新设计该内流场的空间布局； 调整进气口与排气口的位置和尺寸，进气口由原来的4 片增加至6 片。 与此同时，为使腔体内上部气体与下部气体也均匀分布，在腔体内增设导流板， 用以引导气体的流向和分布。 流场内的尖角理论上用圆角替代较为合适，但考虑尖角变圆角对流场影响有限，且圆角加工成本较高，所以最终保持尖角。 优化后的流场模型如图8 所示。

图8 优化后的流场模型

2.4 优化后的模型仿真

Fluent 仿真保持流场的参数设置不变。 对其进行仿真分析运算， 运行后得到的结果如图9所示。

图9 优化后的流场速度仿真云图

通过速度云图可以看到，气体流场的平均速度约为5 m/s，部分速度较高的区域约为7.5 m/s，速度较低区域为3 m/s，上下偏差不超过50%，速度分布较为均匀。

优化后的流场压力仿真云图如图10 所示。可以看到， 气体流场的平均压力约为120 Pa，其中上部压力较高的区域约为170 Pa，下部压力较低的区域约为60 Pa，上下压力差不大，分布较为均匀。 这就表示流场内部流体分布较为均匀，满足传感器采集的需求。

图10 优化后的流场压力仿真云图

2.5 内腔体最终模型

根据仿真结果设计流场内部结构，设计好的流场内部结构剖面如图11 所示， 通过增加导流板，调整当量尺寸，使得流场内部达到层流状态。

图11 流场结构剖面图

3 结束语

将雷诺数作为判定层流、紊流的特征值，结合流体仿真技术设计的空气监测装置内流场符合实际需求， 即空气传感器采集的气体流场应为稳定的层流状态，采集数据才准确可靠。通过调整进气口、排气口位置，增加进气空间，在腔体内增加导流板等措施使得腔体内的气体分布更加均匀。