通过粒子增强沉积模型对负离子发生器去除室内颗粒物的数值模拟

《Journal of Building Engineering》：Numerical simulation of indoor particle removal by negative air ionizer through a particle enhanced deposition model

本研究提出基于欧拉框架的粒子增强沉积模型，分析负空气离子（NAI）浓度、电压及衰减系数对颗粒物去除的影响，实验验证显示NAI可使0.03-1μm颗粒的沉积衰减系数提高1.5-8.5倍呈V型分布，电压从2.5kV增至10kV时衰减系数变化小于4%，而NAI衰减系数从0.1增至0.9时去除效率提升4.7%-31.3%。该模型为负离子发生器优化设计提供理论支撑。

　　

费立|杨成文|梁浩明|周斌|冯壮波|赵卫芳|曹晓东

南京工业大学城市建筑学院，中国南京210009

摘要

负离子发生器是一种广受关注的空气净化技术。然而，目前对该技术的研究主要集中在实验层面，描述负离子（NAIs）去除颗粒的理论模型尚未完善。本研究在欧拉框架内建立了一个颗粒增强沉积模型，用于研究NAIs去除颗粒的机制，其中提出了一个沉积增强因子，以描述其与NAIs浓度和颗粒大小之间的关系。通过有无NAIs的颗粒衰减实验对模型进行了验证。基于该模型，分析了颗粒大小、NAIs发生器电压和NAIs衰减系数对颗粒去除的影响。结果表明，NAIs可以显著加速颗粒沉积，0.03–1 μm范围内颗粒的衰减系数大约是自然衰减条件下的1.5到8.5倍，并呈现出V形分布。当NAIs发生器电压从2.5 kV增加到10 kV时，不同大小颗粒的衰减系数变化不大。0.03 μm颗粒的衰减系数下降了3.9%。此外，NAIs衰减系数从0.1增加到0.9会对颗粒去除产生显著影响，其减少幅度在4.7%到31.3%之间。本研究为负离子设备在实际应用中的优化设计提供了理论基础。

引言

近年来，负离子发生器净化技术受到了广泛关注。负离子发生器通过高压放电产生大量负离子，这些负离子（NAIs）会附着在颗粒物表面，导致颗粒沉降或聚集，从而降低室内环境中的颗粒物浓度[1]。此外，一些研究表明，NAIs还能消除空气中的微生物，如细菌和病毒[2]、[3]、[4]。因此，探索和开发室内负离子发生器去除颗粒的分析模型对于该技术的应用和改善室内空气质量至关重要。

NAIs与室内颗粒物之间的相互作用是一个复杂的过程，涉及电场分布、NAIs传输与衰减以及颗粒运动和沉积的耦合模拟。因此，许多研究侧重于实验测量与分析。Pushpawela等人[5]研究了实验室内超细颗粒的去除效率，发现NAIs在15分钟内可去除70%的颗粒，并且在较大空间内负离子发生器的效果优于空气过滤器。Yu[6]研究了湍流强度和颗粒介电性质对负离子增强亚微米颗粒沉积的影响，发现较低的湍流和较高的颗粒介电常数能显著提高其性能。Wu等人[7]系统研究了不同墙体材料对NAIs净化效果的影响，发现木质和PVC材料更有利于颗粒物沉降。实验表明，NAIs在30分钟内可去除30 nm和300 nm颗粒的60%-80%。Weng[8]开发了一种基于纳米尖端碳纤维电极的低压负氧离子发生器，在密封透明玻璃室内实验中证明该发生器在低电压下可产生大量负离子且不产生臭氧，30分钟内颗粒去除效率超过99%。

除了实验室内研究外，还有一些研究通过实地采样探索了NAIs在办公室中的潜在应用。Cheng[9]研究了不同通风模式下NAIs去除室内颗粒物的效率，发现置换通风条件下的去除效率最高，超过80%；混合通风和地板下空气分布条件下的去除效率也在60%以上。Wang等人[10]使用环境室模拟了办公楼，确认温度、湿度、负离子浓度和负离子传播距离对PM_2.5净化效率有协同作用。Romay等人[11]在空置办公室进行的实验表明，单极离子发生器可使房间墙壁上的颗粒沉积速率加倍，而双极离子发生器的影响较小。上述研究在实验实验室或办公环境中分析了NAIs去除颗粒的某些特性。尽管大量实验证实了NAIs技术的有效性，但这些结果往往具有特殊性，缺乏普遍适用且计算效率高的理论基础。

在颗粒与NAIs相互作用机制的建模方面，方法主要分为三类：欧拉法、集总参数法和拉格朗日法。Ren等人[12]采用欧拉模型研究了NAIs去除颗粒的过程，考虑了室内NAIs和颗粒的空间分布。然而，他们的模型未考虑负离子浓度的衰减，而在实际应用中这一因素不可忽视。Fletch等人[13]和Mayya等人[14]也开发了理论模型来研究室内环境中NAIs与颗粒物的关系，但这些模型假设NAIs和颗粒均匀混合，忽略了它们的空间分布差异。Feng等人[15]采用拉格朗日模型研究了颗粒轨迹，考虑了NAIs分布的空间异质性和颗粒充电动态。然而，该模型主要用于静电除尘器中的颗粒过滤，计算资源需求较高。

为克服以往研究的局限性，本研究提出了一个考虑颗粒沉积增强和NAIs衰减的颗粒增强沉积模型。与现有模型相比，该方法具有多个优势：首先，它纳入了NAI浓度的动态衰减过程；其次，在欧拉框架内提出了沉积增强因子，定量描述了局部NAI浓度与颗粒去除增强之间的基本关系，从而弥合了经验观察与实际建模之间的差距。Zhao等人的研究[16]比较了欧拉法和拉格朗日法在模拟污染物扩散和沉积方面的性能，发现两种模型都能提供相对准确的数值预测；第三，通过实验室实验验证了所提出的模型，并分别分析了发生器电压和NAIs衰减系数的影响。总体而言，该模型不仅为颗粒与NAIs的相互作用机制提供了新的视角，还为负离子设备在实际应用中的优化设计提供了理论基础。

本文结构如下：第2节建立了NAIs去除颗粒的理论模型；第3节介绍了验证模型准确性的实验；第4节将理论预测与实验数据对比，评估模型的可靠性并分析影响因素。

节选内容

NAIs传输方程

电晕放电释放的高能电子优先与空气中的氧分子结合，这种选择性源于氧分子相比二氧化碳和氮气等气体成分具有更高的电子亲和力。生成的氧负离子吸附在颗粒表面，使其带电并通过沉积从空气中去除。在本研究中，NAIs去除室内颗粒的过程是

实验装置设计

实验在密封的实验室室内进行，如图2所示。室内尺寸为3米（长）× 1.9米（宽）× 2.4米（高），墙壁由接地不锈钢制成，与文献中报道的实验装置一致。实验中选择香烟烟雾作为污染源，并监测了有无NAIs条件下的烟雾浓度衰减情况。香烟烟雾是一种复杂的混合物，包含

CFD模型的实验验证

使用包含114,516、193,572和374,896个结构化网格单元的三种网格对CFD模型进行了网格独立性测试。如图4(a)所示，114,516个单元网格得到的速度分布与其他两种网格密度得到的结果有显著差异；而193,572个单元和374,896个单元网格的结果较为接近

科学贡献与研究意义

本研究填补了室内空气净化技术理论建模的空白。尽管NAIs被广泛应用，但现有的理论框架要么是忽略空间异质性的简化集总参数模型[13]，要么是计算密集型的拉格朗日跟踪模型[15]。本研究的主要创新在于在欧拉框架内开发了一个颗粒增强沉积模型，

结论

本研究开发并验证了一个用于模拟负离子发生器驱动的室内环境中颗粒去除的颗粒增强沉积模型。通过引入从文献数据中归纳得到的沉积增强因子，简化了离子-颗粒充电和静电壁沉积的复杂微观相互作用。研究结论如下：

(1)

建模和实验结果证实，NAIs显著加速了颗粒的沉积

CRediT作者贡献声明

冯壮波：撰写 – 审稿与编辑、软件、资源准备。赵卫芳：可视化、验证、资源准备。曹晓东：撰写 – 审稿与编辑、资源准备、资金获取。费立：撰写 – 初稿撰写、方法论构建、概念化。杨成文：撰写 – 初稿撰写、验证、调查、概念化。梁浩明：可视化、验证、软件准备。周斌：撰写 – 审稿与编辑、资源准备、方法论构建

利益冲突声明

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致谢

本研究得到了中国浙江省自然科学基金（编号LMS26E080023）和中国国家自然科学基金（编号52270178）的财政支持。