在城市客车舱室内甲醛（HCHO）污染问题的研究中，研究团队进行了一项结合现场监测与数值模拟的综合调查。该研究由昆明理工大学的秦道聪、郭兵、周健、成赫明 以及通讯作者陈晓凯（Xiaokai Chen*）共同完成，并于2020年发表在 《Scientific Reports》 期刊上。
随着中国城市化进程的加速，车辆已成为人们工作、购物、旅行、通勤的重要工具，车辆舱室因此成为一个不可忽视的室内环境。然而，车辆舱室内普遍存在的甲醛（HCHO）和挥发性有机化合物（VOCs）污染问题，严重损害了车内空气质量（Indoor Air Quality, IAQ），并对驾驶员和乘客的健康构成风险。尽管中国政府已颁布了相关的车内空气质量标准（如GB/T 17729–2009和GB/T 27630–2011），规定了甲醛的限值（分别为0.12 mg/m³和0.10 mg/m³），但多项监测表明，许多车辆舱内的甲醛浓度仍频繁超标。例如，有研究发现出租车舱内的甲醛平均浓度可达标准限值的10-14倍。甲醛作为一种已知的致癌物，其污染控制刻不容缓。先前的研究已通过实验手段识别出影响舱内甲醛浓度的诸多因素，如车龄、通风模式、舱内材料、温度和湿度等。然而，实验监测难以获取污染物在空间上的分布细节。另一方面，计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）数值模拟虽已成功应用于研究舱内温度、气流速度及其他污染物的时空分布，但针对车内空气中甲醛污染扩散的CFD模拟研究却鲜有报道。因此，本研究旨在填补这一空白，通过结合实验监测与CFD数值模拟，揭示城市客车舱室内甲醛污染的空间分布规律，并评估不同通风条件的影响，从而为控制舱内甲醛污染、优化通风设计和选择环保材料提供科学依据和技术参考。
本研究的详细工作流程主要分为三个核心部分：研究对象的选取与背景调查、甲醛浓度的实验监测与分析、以及基于CFD的舱内甲醛扩散数值模拟。
首先，在研究对象的选取上，本研究关注中国常见的城际长途客车。采样工作于2018年12月在云南省进行，选取了从昆明到丽江（全程517公里，约10小时车程）的运营线路。所研究的客车为中国制造，车龄2.5年，总行驶里程5.9×10⁴公里，配备空调系统，使用汽油燃料，内饰为皮革装饰，共有42个座位。昆明和丽江两地的气候条件（温和气候与暖温带高原山地季风气候）以及旅游旺季繁忙的交通状况，使得客车舱室环境具有代表性。
其次，进行甲醛浓度的实验监测与分析。监测依据中国国家标准《长途客车内空气质量检测方法》（GB/T 27380-2012）进行。采样设备包括双气路空气采样器（QC-2）和带有火焰离子化检测器（FID）的气相色谱仪（GC-6890）。采样时，关闭客车所有门窗和通风口，禁止吸烟。在车厢中心、离地0.5米的高度，使用填充了二硝基苯肼浸渍吸附剂的吸附管，以0.5 L/min的流速采集50 L空气样本。样本在采集后5天内，通过热脱附仪进行处理，并经毛细管柱分离后，由FID检测器进行分析。色谱条件包括：柱温程序升温（50°C至260°C），进样口和检测器温度分别为230°C和260°C，载气（N₂）、氢气（H₂）和空气的流速分别为70、40和450 ml/min。同时，使用气压计（DYM3-1）和温湿度记录仪（AR-807）记录舱外环境的大气压、温度和相对湿度。甲醛浓度通过比对样品色谱峰与标准曲线进行计算，公式为：c = [bₛ × (h - h₀) × V₁] / (Eₛ × V₀)。为确保数据质量，采样前对仪器进行了校准，并设置了空白样品对照。所有监测仪器的精度均符合要求（压力±0.1 kPa，温度±0.1°C，湿度±1.0%）。
最后，开展CFD数值模拟。本研究使用ANSYS软件（19.0版本）进行模拟，具体模块包括SCDM用于几何建模，ICEM CFD用于网格划分，Fluent用于流场求解和组分输运计算，并使用CFD-Post和Tecplot进行后处理。几何模型根据实际客车尺寸（长11.00米、宽2.48米、高2.35米）建立，包含42个座位（尺寸：0.50×0.40×0.90米），并在车顶两侧设置了11个圆形送风口（直径0.06米），在车顶中部设置了一个矩形排风口（1.0×0.6米）。为简化计算，模型忽略了门窗细节，并利用对称性只对一半车厢进行模拟以降低计算负荷。计算域采用非结构化网格划分，并对排风口、送风口及座椅表面等物理参数梯度较大的区域进行了网格细化，网格总数达2315420个，超过89%的网格质量在0.9以上。数学模型基于以下假设建立：1）车厢壁面不释放甲醛且绝热；2）舱内空气为理想、不可压缩流体；3）座椅是唯一的甲醛释放源，其释放速率和扩散系数恒定；4）送风中的甲醛浓度为0 mg/m³。控制方程包括能量方程、采用标准壁面函数的标准k-ε湍流模型以及组分输运方程。边界条件设置如下：送风口设定为速度入口（风速分别为3、4、5 m/s，温度18°C），排风口为自由 outflow，地板为无滑移绝热壁面，其他壁面为无滑移绝热壁面（温度27°C），座椅表面设置为质量流量入口，甲醛释放速率根据参考文献设定为7.4×10⁻¹¹ kg/s，扩散系数为2.88×10⁻⁵ m²/s。
本研究的主要结果呈现了从实验监测到数值模拟的一系列重要发现，这些结果层层递进，共同支撑了研究的最终结论。
实验监测结果显示，所测客车舱内甲醛浓度范围为33.6至142.3 μg/m³，平均浓度为78.0 μg/m³。其中，最高值（142.3 μg/m³）分别超过了中国客车（GB/T 17729-2009）和乘用车（GB/T 27630-2011）IAQ标准限值的1.19倍和1.42倍。这主要归因于舱内皮革材料的甲醛释放、乘客携带物品的释放以及通风不足。更关键的发现是，甲醛浓度随采样天数（即车龄增长或车辆使用后）快速下降。数据显示，在第10、20、30天，甲醛浓度分别下降了34.1%、56.9%和73.6%。通过曲线拟合分析，甲醛浓度（y，μg/m³）随采样时间（x，天）衰减的趋势线符合一元三次方程：y = 0.0008x³ + 0.023x² - 4.89x + 140.81，决定系数R²高达0.95。这一结果为理解新车污染物释放规律提供了直接数据，表明在车辆使用初期，甲醛释放已进入快速衰减期（↘），而非加速释放期（↗）。此外，在监测期间，由于车厢密闭，舱内温度相对稳定，而湿度则因降雨影响有所波动。
CFD数值模拟结果则从空间分布和影响因素角度，深入揭示了舱内甲醛污染的特征。首先，对乘客呼吸区（z=1.15米高度平面）的模拟表明，当送风速度为3 m/s时，车厢前后两端的送风不足，导致废热和甲醛污染物无法通过位于车顶中部的排风口及时排出。因此，车厢前后两端的温度（最高达35°C）和甲醛质量分数均高于车厢中部区域。局部气流在两端形成涡流，进一步阻碍了污染物的扩散。同时，靠近车窗座位区域的风速较高，冷射流垂直向下，虽有利于消除废热，但可能给乘客带来强烈的吹风感，影响热舒适性。
其次，模拟分析了不同高度平面（z=0.50米、1.15米、1.55米）上甲醛浓度的空间分布。结果显示，甲醛浓度随高度（z值）降低而增加，最低呼吸区（z=0.50米）的浓度普遍最高，这是因为该区域最靠近甲醛释放源（座椅表面）。沿车厢长度方向（x轴），甲醛浓度呈现先降低后升高的趋势，最低点出现在排风口附近，这印证了排风口的稀释作用。然而，由于车厢后壁的阻挡，车厢后端上部区域甲醛浓度较高。此外，新鲜空气的送入稀释了车窗座位区域的甲醛污染，导致污染物从座位区域向通道等周边区域扩散。
第三，模拟比较了不同送风速度（3、4、5 m/s）对呼吸区甲醛分布的影响。结果清晰地表明，增加送风速度能显著降低舱内甲醛浓度，尤其是在车厢后部区域。这证实了加强通风是降低舱内污染物水平的有效手段。但在驾驶员区域，三种风速下甲醛浓度均处于较高水平，这揭示了该区域通风设计不足以及排风口布局不合理的问题。通过计算，在3、4、5 m/s风速下，舱内甲醛平均浓度分别为0.178、0.159和0.158 mg/m³，均超过了中国相关车辆IAQ标准的限值。这一关键数据表明，仅靠增加空调送风速度，在上述模拟条件下，仍不足以将甲醛浓度降至安全标准以下，从而突显了控制污染源（即座椅材料甲醛释放）的极端重要性。
本研究的主要结论是，客车舱内的温度分布、呼吸区高度和通风条件对空气中甲醛污染的空间分布有重大影响。甲醛污染水平随时间推移会快速下降，条件是甲醛从舱内空气向外界的扩散速率超过其从舱内材料向空气中的释放速率。为了有效降低车内甲醛污染，需要加强车厢前后两端（特别是驾驶员区域）的通风，并优化排风口的设计布局。此外，研究明确指出，座椅材料的甲醛释放对舱内空气甲醛水平具有至关重要的影响，因此，选择和使用低甲醛释放的环保材料是控制污染的根本途径。
本研究的科学价值与应用价值在于：它首次系统地将实验监测与CFD模拟相结合，用于研究客车舱内甲醛污染的时空分布规律，为理解这一复杂微环境中的污染物传输机制提供了新的视角和方法。研究揭示了特定通风设计下舱内污染物的“死角”（如车厢两端和驾驶员区域），为车辆通风系统和空调系统的绿色设计、舱内环境的合理分区与空间布局优化提供了直接、有价值的工程参考。这些发现有助于提升车辆室内空气质量和热舒适性，保障驾乘人员健康，从而促进城市公共交通的可持续发展。
本研究的亮点主要体现在以下几个方面：第一，方法创新：开创性地将现场甲醛浓度监测与高保真度的CFD数值模拟相结合，弥补了单纯实验研究无法获取空间分布细节的不足，也拓展了CFD在车内特定污染物（甲醛）模拟中的应用。第二，研究对象的针对性：聚焦于长途客运中扮演重要角色但研究相对较少的“客车舱室”这一特殊室内环境，具有明确的现实意义。第三，重要的量化发现：不仅获得了甲醛浓度随车龄衰减的具体数学关系（一元三次方程），还通过模拟量化了不同通风速度下的甲醛平均浓度，并发现即便在较高通风速度下，浓度仍可能超标，这一发现对标准制定和工程实践具有警示作用。第四，对污染源作用的强调：模拟结果虽然简化了污染源（仅考虑座椅），但却有力地论证了污染源控制（即材料本身）相较于单纯的通风稀释，在甲醛污染治理中的根本性地位。
此外，研究在讨论部分也坦诚地指出了其局限性，例如CFD模型对实际车厢结构进行了简化（忽略了门窗、太阳辐射、人体散热等多重污染源和热源），这导致模拟浓度（135.6 μg/m³）略低于首日实测最高浓度（142.3 μg/m³），但两者接近，证明了模拟的合理性。同时，研究也指出甲醛释放行为受温度、湿度等多种因素耦合影响，机理复杂，未来的研究需要进一步分析这些因素的相互作用，并深入探究座椅材料甲醛释放的动态理论。这些都为后续研究指明了方向。