車載空氣質量監控環流場異型風道除霾裝置及其制造方法與流程

本發明屬屬空氣凈化裝置領域，尤其涉及一種車載空氣質量監控環流場異型風道除霾裝置及其制造方法。

背景技術：

隨著環境污染越來越嚴重，空氣的污染變成了重災區，我國大部分地區的霧霾天數增多，現在不僅是局部室外空氣污染嚴重，城市整體上空的空氣都有嚴重的污染，因此空氣的凈化被人們越發重視了。霧霾，是霧和霾的組合詞。霧霾常見于城市。中國不少地區將霧并入霾一起作為災害性天氣現象進行預警預報，統稱為“霧霾天氣”。霧霾是特定氣候條件與人類活動相互作用的結果。高密度人口的經濟及社會活動必然會排放大量細顆粒物，一旦排放超過大氣循環能力和承載度，細顆粒物濃度將持續積聚，此時如果受靜穩天氣等影響，極易出現大范圍的霧霾。霧和霾相同之處都是視程障礙物。霧與霾的形成原因和條件卻有很大的差別。霧是浮游在空中的大量微小水滴或冰晶，形成條件要具備較高的水汽飽和因素。霧氣看似溫和，里面卻含有各種對人體有害的細顆粒、有毒物質達20多種，包括了酸、堿、鹽、胺、酚等，以及塵埃、花粉、螨蟲、流感病毒、結核桿菌、肺炎球菌等，其含量是普通大氣水滴的幾十倍。與霧相比，霾對人的身體健康的危害更大。由于霾中細小粉粒狀的飄浮顆粒物直徑一般在0.01微米以下，可直接通過呼吸系統進入支氣管，甚至肺部。所以，霾影響最大的就是人的呼吸系統，造成的疾病主要集中在呼吸道疾病、腦血管疾病、鼻腔炎癥等病種上。同時，灰霾天氣時，氣壓降低、空氣中可吸入顆粒物驟增、空氣流動性差，有害細菌和病毒向周圍擴散的速度變慢，導致空氣中病毒濃度增高，疾病傳播的風險很高。目前，普遍采用的空氣凈化裝置雖然在一定程度上解決了除霾問題，但上述裝置普遍存在風道進口風壓小，邊界阻力大，除霾效率不高等問題。

技術實現要素：

本發明旨在克服現有技術的不足之處而提供一種凈化效果理想，風道進口風壓大，邊界阻力小，除霾效率高，適用范圍廣，兼容性強的車載空氣質量監控環流場異型風道除霾裝置及其制造方法。

為解決上述技術問題，本發明是這樣實現的：

車載空氣質量監控環流場異型風道除霾裝置，包括太陽能儲能板、蓄電池、空氣質量監測模塊及除霾模塊單元；所述除霾模塊單元采用5組并接結構；所述除霾模塊單元包括工作倉、擴風口、異型風道、軸流風機、過濾器、離心風機、引風風道及溶液吸收裝置；所述異型風道、過濾器、離心風機、引風風道及溶液吸收裝置固定設于工作倉內；所述離心風機設于引風風道的入口端；所述引風風道的出口端伸入溶液吸收裝置的過濾液體中；所述擴風口的出風口經軸流風機與異型風道的入風口相通；所述過濾器固定設于異型風道的出風口；所述擴風口采用喇叭口結構；所述太陽能儲能板的信號傳輸端口經蓄電池與離心風機的信號傳輸端口相接；所述空氣質量監測模塊包括車載傳感器、移動電話、控制單元、電源變換單元、gps單元及廣域互聯網無線通信單元；所述車載傳感器的信號傳輸端口與移動電話的信號傳輸端口相接；所述移動電話、電源變換單元、gps單元及廣域互聯網無線通信單元的信號傳輸端口分別與控制單元的信號傳輸端口相接。

作為一種優選方案，本發明所述控制單元采用mc68060rc60微處理器；所述電源變換單元包括開關電壓調節器lm2596芯片及ae1509穩壓器；所述gps單元采用skylabgb10；所述廣域互聯網無線通信單元采用gprs模塊。

進一步地，本發明所述異型風道2x,y,z三個方向的剖面閉合曲線高斯擬合函數：

式中待估參數ymax、xmax和s分別為高斯曲線的峰值、峰值位置和半寬度；

將x1軸剖面形成的閉合曲線分為10個特征點，f(x1)、f(x2)、f(x3)、f(x4)、f(x5)及f(x6)為變量坐標；x軸向各個閉合曲線的數學模型：

將y1軸剖面形成的閉合曲線分為8個特征點，g(y1)、g(y2)、g(y3)及g(y4)為變量坐標；y軸向各個閉合曲線的數學模型：

將z1軸剖面形成的閉合曲線分為7個特征點，k(z1)、k(z2)及k(z3)為變量坐標；z軸向各個閉合曲線的數學模型：

上述車載空氣質量監控環流場異型風道除霾裝置的制造方法，采用如下步驟：

a、先完成除霾模塊單元的制造，將異型風道、過濾器、離心風機、引風風道及溶液吸收裝置固定設于工作倉內；離心風機設于引風風道的入口端；所述引風風道的出口端伸入溶液吸收裝置的過濾液體中；將擴風口的出風口經軸流風機與異型風道的入風口相通；在異型風道的出風口處設置過濾器；所述異型風道x,y,z三個方向的剖面閉合曲線采用高斯擬合構建數學模型，并通過solidworks構建出3d模型，在通過cfd計算后，通過fluent模擬出相關測試參數；閉合曲線高斯擬合函數：

式中待估參數ymax、xmax和s分別為高斯曲線的峰值、峰值位置和半寬度；

b、將除霾模塊單元5組并接，將太陽能儲能板置于除霾模塊單元之上，所述太陽能儲能板的信號傳輸端口經蓄電池與離心風機的信號傳輸端口相接；

c、將空氣質量監測模塊設于除霾模塊單元之上。

本發明凈化效果理想，風道進口風壓大，邊界阻力小，除霾效率高，適用范圍廣，兼容性強。

本發明通過調整進風結構，使進來的風可以最大截面積和均勻分布通過過濾。通過前面軸流風輪過來的風，在這個風道中可以達到調整進風結構和附面層，進一步調整進風風向和均態分布，使其能以最小的阻力更大的面積與后面的過濾器交接。對風道進口及其風向調整角進行處理，具有旋流的環流場進風口，使本發明進口風壓增大，同時減少了氣體在風道種的附面層系數(即減小邊界阻力)。由于風進口處為增壓減速區，流體質點受到與主流方向相反的壓差作用；靠近壁面的質點由于流體粘性作用，速度較之主流中心處要小得多；在反向壓差和粘性力的共同作用下，速度逐漸減小，并在處附面層分離，隨后出現與主流方向相反的流動即產生渦旋。對于漸擴管，雷諾數或擴張角愈大，渦旋區范圍愈大，位置愈靠前；對于突擴，雷諾數的大小對渦旋區位置和大小的影響不明顯，起決定性作用的是形狀。因此，優化漸擴段的方法主要是破壞或延遲附面層的分離，并降低它的強度和大小。

計算結果表明：(1)按優化前進口速度8.3m/s時，除霾裝置的處理氣量為0.08kg/s，在同樣的進氣速度下，增加進氣喇叭口，處理氣量增大到0.17kg/s，質量流量增加113％，說明增加進氣擴口有效的放大了裝置的處理氣量；(2)從改進前后的流線分布特征可知，優化前進氣直接沖擊濾料局部，未能充分利用過濾器面積，上部及下部流線均存在空白，同時，在裝置的下部還有較強的局部旋渦，這將導致較大的壓力損失。增設入口散流葉輪以及進氣口異型風道后，進口氣流能夠均布到全部過濾器表面，充分利用了過濾面積，同時消除了局部渦旋，從一定程度上降低了壓力損失。

不同風速下單元模塊通風量、進排氣pm2.5/pm10濃度表

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步說明。本發明的保護范圍不僅局限于下列內容的表述。

圖1為本發明的整體結構示意圖；

圖2-1、圖2-2、圖2-3、圖2-4、圖2-5、圖2-6及圖2-7為本發明異型風道x軸剖面圖；

圖3-1、圖3-2、圖3-3、圖3-4及圖3-5為本發明異型風道y軸剖面圖；

圖4-1、圖4-2、圖4-3及圖4-4為本發明異型風道z軸剖面圖；

圖5為本發明異型風道立體圖；

圖6為本發明除霾模塊單元結構示意圖；

圖7為本發明整體使用狀態圖；

圖8為本發明空氣質量監控電路原理框圖。

圖中：1、擴風口；2、異型風道；3、過濾器；4、軸流風機；5、離心風機；6、引風風道；7、溶液吸收裝置；8、工作倉；9、太陽能儲能板；10、蓄電池；11、基座。

具體實施方式

如圖1、圖6及圖8所示，車載空氣質量監控環流場異型風道除霾裝置包括太陽能儲能板9、蓄電池10及除霾模塊單元；所述除霾模塊單元采用5組并接結構；所述除霾模塊單元包括工作倉8、擴風口1、異型風道2、軸流風機4、過濾器3、離心風機5、引風風道6及溶液吸收裝置7；所述異型風道2、過濾器3、離心風機5、引風風道6及溶液吸收裝置7固定設于工作倉8內；所述離心風機5設于引風風道6的入口端；所述引風風道6的出口端伸入溶液吸收裝置7的過濾液體中；所述擴風口1的出風口經軸流風機4與異型風道2的入風口相通；所述過濾器3固定設于異型風道2的出風口；所述擴風口1采用喇叭口結構；所述太陽能儲能板9的信號傳輸端口經蓄電池10與離心風機5的信號傳輸端口相接；所述空氣質量監測模塊包括車載傳感器、移動電話、控制單元、電源變換單元、gps單元及廣域互聯網無線通信單元；所述車載傳感器的信號傳輸端口與移動電話的信號傳輸端口相接；所述移動電話、電源變換單元、gps單元及廣域互聯網無線通信單元的信號傳輸端口分別與控制單元的信號傳輸端口相接。

本發明所述控制單元采用mc68060rc60微處理器；所述電源變換單元包括開關電壓調節器lm2596芯片及ae1509穩壓器；所述gps單元采用skylabgb10；所述廣域互聯網無線通信單元采用gprs模塊。

本發明所述異型風道2x,y,z三個方向的剖面閉合曲線高斯擬合函數：

式中待估參數ymax、xmax和s分別為高斯曲線的峰值、峰值位置和半寬度；

將x1軸剖面形成的閉合曲線分為10個特征點，f(x1)、f(x2)、f(x3)、f(x4)、f(x5)及f(x6)為變量坐標；x軸向各個閉合曲線的數學模型：

將y1軸剖面形成的閉合曲線分為8個特征點，g(y1)、g(y2)、g(y3)及g(y4)為變量坐標；y軸向各個閉合曲線的數學模型：

將z1軸剖面形成的閉合曲線分為7個特征點，k(z1)、k(z2)及k(z3)為變量坐標；z軸向各個閉合曲線的數學模型：

上述車載空氣質量監控環流場異型風道除霾裝置的制造方法，采用如下步驟：

a、先完成除霾模塊單元的制造，將異型風道2、過濾器3、離心風機5、引風風道6及溶液吸收裝置7固定設于工作倉8內；離心風機5設于引風風道6的入口端；所述引風風道6的出口端伸入溶液吸收裝置7的過濾液體中；將擴風口1的出風口經軸流風機4與異型風道2的入風口相通；在異型風道2的出風口處設置過濾器3；所述異型風道2x,y,z三個方向的剖面閉合曲線采用高斯擬合構建數學模型，并通過solidworks構建出3d模型，在通過cfd計算后，通過fluent模擬出相關測試參數；閉合曲線高斯擬合函數：

式中待估參數ymax、xmax和s分別為高斯曲線的峰值、峰值位置和半寬度；

b、將除霾模塊單元5組并接，將太陽能儲能板9置于除霾模塊單元之上，所述太陽能儲能板9的信號傳輸端口經蓄電池10與離心風機5的信號傳輸端口相接；

c、將空氣質量監測模塊設于除霾模塊單元之上。

進口流體風道增壓設計及優化是本發明的核心，為增加裝置的處理氣量，充分利用過濾有效面積以提高空氣凈化效果，同時考慮到裝置的重心和安裝的協調性，對進風口和風道進行了優化設計。其主要改進是：在原有基礎上進氣口前增加了喇叭口集氣裝置，目的是增大進氣量和進氣風壓；前端采用流線型弧面設計加大迎風面，減低風阻；在進氣口增加一個軸流被動式葉輪，將進氣進行擴散，避免進氣流直接沖擊過濾器局部；進一步加大過濾器傾角至30度以增大有效接觸面積；進氣口設置由圓變方的螺旋狀擴口通道，使氣流直達過濾層，避免過濾腔室內形成湍流和渦流，減少壓力損失。流體風道采用solidworks軟件建立的幾何模型，經導入gambit軟件進行網格劃分，運用ansysfluent仿真軟件對風道流場進行結構優化。

針對x,y,z三個方向的剖面閉合曲線我們可用高斯擬合原理為此風道構建數學模型，并通過solidworks構建出3d模型。在通過cfd計算后，進口速度按照汽車平均時速30km/h進行折算，最終在fluent軟件中進行流場計算通過fluent模擬出相關測試參數，以達到設計要求。

閉合曲線擬合公式為：

設有一組實驗數據(xi,yi)(i＝1,2,3,...)可用高斯函數描述

式中待估參數ymax、xmax和s分別為高斯曲線的峰值、峰值位置和半寬度信息，上式兩邊取自然對數，化為

令

并考慮全部試驗數據，則(3)式以矩陣形式表示為

簡記為

z＝xb(5)

根據最小二乘原理，構成矩陣b的廣義最小二乘解為

b＝(x^tx)^-1x^tz(6)

再根據(6)式求出待估參數ymax、xmax和s，得到(1)式高斯函數的特征參數，求得此曲面的閉合曲線方程。

參見圖2-1、圖2-2、圖2-3、圖2-4、圖2-5、圖2-6及圖2-7所示,圖2-1、圖2-2、圖2-3、圖2-4、圖2-5、圖2-6及圖2-7為從x1到x6依次為流場風道進風口到出風口的x軸向剖面圖。

從正切向看進口的流場有旋流和湍流，而且流速偏低離散型大，逐漸通過此風道流場后旋流和湍流明顯減少，而且局部中心出風口的風壓增加，更加有利于后面各部分過濾器的除霾效果。

根據x軸各個剖面圖，依次針對各個曲面的特性及分布特點，找出相應的特定坐標點，所述x1截面圖由于離進風口最近，基本形狀還是接近于圓形，但由于后面尾部的側旋作用及偏離導致其截面為多曲線環閉而成的異性曲線，其特征曲線分為10個有效的特征點，變量坐標如f(x1)，依次往下形變和側旋而形成了f(x2),f(x3)。

由于流場出口需要偏置后以方形端面，并以正向垂直輸出增壓氣流，從而流道上相關曲面變化而使得風向偏轉從而達到理想輸出要求，依照此要求后面形成了f(x4),f(x5),f(x6)的變量坐標。在根據閉合曲面方程(1),求解得出x軸向各個閉合曲線的數學模型。

x軸剖面圖所描述的曲線為f(x)＝{xi|yi}(i＝0，1,2，……)

參見圖3-1、圖3-2、圖3-3、圖3-4及圖3-5所示，圖3-5為本發明y軸整體剖面圖。圖3-1、圖3-2、圖3-3及圖3-4從y1到y4依次為流場風道從左至右的截面圖。

根據y軸各個剖面圖，依次針對各個曲面的特性及分布特點，找出相應的特定坐標點，所述y1剖面圖為風道最左側面截面圖，向右依次為y2,y3,y4,其形狀是由于前置的軸流風機帶動的風流進入后形成旋流式前進，這樣在通過特性風道的設計可以調整風向和增大風壓，從而可以減少湍流的形成。為此我們將y1軸剖面圖形成的閉合曲線有8個有效特征點，變量坐標如g(y1)，依次往下形變和側旋而形成了g(y2),g(y3)和g(y4)。在根據閉合曲面方程(1),求解得出y軸向各個閉合曲線的數學模型。

參見圖4-1、圖4-2、圖4-3及圖4-4。圖4-4為本發明z軸整體剖面圖。圖4-1、圖4-2及圖4-3為從z1到z3依次為流場風道從上至下的截面圖。

根據z軸各個剖面圖，依次針對各個曲面的特性及分布特點，找出相應的特定坐標點，所述z1剖面圖為風道最頂面截面圖，向下依次為z2,z3。在k(z1)頂部剖面圖上有7個有效特征點，但在(4,5,6)上個點出有明顯的內凹處，其作用可以在旋流時調整風向角，使其可以垂直吹入下一個過濾設備。隨著向下底面向前延伸，使來風能最大面積的與過濾設備相接觸，其閉合曲面坐標為k(z2),k(z3)。在根據閉合曲面方程(1),求解得出z軸向各個閉合曲線的數學模型。

本發明在使用時，外部空氣經擴風口及軸流風機進入異型風道，經過濾器過濾后，由引風風道送入溶液吸收裝置的過濾液體中。

增加喇叭口引風裝置后滯止風壓增加210.4pa，同比增加522％。當出租車時速達到60km/h時，可凈化空氣1177m³/h，進風口滯止風壓可達1017pa；而當出租車在高速上以120km/h的速度定速巡航時，凈化空氣2351m³/h，進風口滯止風壓可達4040pa，凈化空氣效果更加明顯。當然不建議這么做，該裝置在120km/h的速度下的風阻和風噪會非常大。

本裝置為模塊化設計。考慮不額外產生風阻能耗，最大化增強空氣凈化量，本裝置與出租車燈箱正面迎風面積相同，由五組模塊并聯排列組成。沈陽民用汽車保有量超過170萬部。單車在平均時速30km/h情況下，凈化空氣2935m³/h。僅以2萬部出租車推算，在不產生尾氣排放及能耗增加的前提下，日空氣凈化量可達14.08億m³。城區面積185平方公里(1.85億m²)范圍內，高度7.61米以內的空氣得以凈化,效果顯著。考慮到裝置內部的阻力，實際處理風量會比上述計算值偏小。

本發明環流場風道除霾裝置用車載空氣質量監測模塊在工作時，車載傳感器根據需要接通電源，在完成自身啟動初始化并與車載控制單元完成自組網后，采集相應的數據并向控制單元發送；隨后可以根據需要切斷電源進入休眠狀態以節省電池電力；在經過一定的采樣或檢測周期后再次被喚醒進行再次的數據采集和發送。其中，采樣或檢測頻率可根據具體情況和需求而設置并調整。

本發明監控部分位于除霾裝置的進風口，采用激光散射測量法。該方法測量速度快，準確度高。光源采用激光二極管，體積小，發光效率高，能耗低，便于集成。激光束經過霧霾空氣發生散射，通過對散射光強度測量，實現霧霾濃度監測。每個機動車車頂的環流場風道除霾裝置所獲得的數據，傳遞至駕駛員的移動電話，再經過wifi或蜂窩信號傳遞至運營商的基站，通過光纖進入以太網，最終上傳至云計算系統。該系統將各車載裝置上傳的信息(包括位置、時間、濃度)進行大數據分析，不僅能夠實時播報霧霾的空間分布，還能分析出霧霾的形成、發展、變化和消散情況，總結出氣象條件和地理因素對空氣質量的影響，對根本上消除霧霾有重要的作用。

本發明數據采集終端分布于各個行駛中的機動車上，相比于定點監測，其數據源分布更廣；相比于遙感探測，其數據來源更直接，準確性高誤差小。行駛中的機動車，其位置不斷變化，車與車之間形成隨機的組網結構，可實現空氣質量的實時動態監測。

盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等同物限定。