关于室内颗粒物去除策略的数值研究报告：通风、便携式空气净化器与重力沉降对不同粒径颗粒物的协同作用研究
一、 研究作者、机构与发表信息
本研究的主要作者为Chao Lin、Hideki Kikumoto和Ryozo Ooka，均来自日本东京大学工业科学研究所（Institute of Industrial Science, The University of Tokyo）。通讯作者为Chao Lin。该研究以题为《Numerical study of particulate pollutants removal by ventilation, portable air cleaner, and gravitational settling across particle sizes》的原创性论文形式，于2026年发表在《Japan Architectural Review》期刊第9卷上，文章识别码为e70067。论文于2025年12月4日收稿，12月17日修订，12月22日被接受，属于开放获取（Open Access）文章。
二、 学术背景与研究目的
本研究的科学领域聚焦于建筑环境与室内空气质量（IAQ）的数值模拟与评估。随着人们在室内度过的时间增加，室内颗粒物（PM）污染对健康的影响日益受到关注，尤其是细颗粒物和超细颗粒物与呼吸系统、心血管疾病关联密切。控制室内颗粒物浓度的主要策略包括通风稀释、使用便携式空气净化器（PAC）以及依赖颗粒物自身的重力沉降。然而，这三种去除机制对不同粒径颗粒物的相对贡献如何，尤其是在复杂的真实室内气流场中如何相互作用，尚未得到系统性的量化。先前研究多将颗粒物视为被动标量，忽略了重力沉降的影响，或仅单独评估某一种去除方式。此外，空气净化器的摆放位置对其整体去除效率的影响也缺乏清晰的认识。
因此，本研究旨在通过计算流体动力学（CFD）框架下的漂移通量模型（Drift-Flux Model），系统地数值研究通风、便携式空气净化器和重力沉降这三种机制，在去除1微米至50微米粒径范围内的室内颗粒污染物时的相对贡献。具体目标包括：1）量化在不同通风换气率（ACH）和空气净化器运行下，各机制对不同粒径颗粒物的去除份额；2）评估空气净化器在房间内四个不同位置摆放时，对整体去除效率的影响；3）将详细的CFD模拟结果与基于等效换气率框架的简化单节点模型（One-Node Model）的预测进行比较，评估简化模型的适用性。该研究旨在为室内颗粒物控制策略的评估和空气净化器的优化使用提供理论依据和设计见解。
三、 详细研究流程与方法
本研究的工作流程主要包含三个核心部分：模型验证、主要案例模拟以及简化模型对比分析。
第一部分：漂移通量模型的验证 为确保后续室内模拟的准确性，研究首先对采用的漂移通量模型进行了验证。研究复现了一个已发表的颗粒物扩散基准实验。该实验在一个简化风洞中进行，直径为10微米、密度为1.4×10³ kg/m³的颗粒从通风入口以0.225 m/s的速度释放，其重力沉降速度为0.017 m/s。研究团队利用开源CFD软件OpenFOAM v2012，采用稳态雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方法和标准k-ε湍流模型，对实验进行了数值模拟。计算域被离散为64,000个六面体网格。在浓度场求解中，应用了漂移通量模型的核心方程，该方程在欧拉框架下的对流-扩散方程中显式加入了由斯托克斯定律计算的颗粒沉降速度项。关键的边界条件设置包括：在入口处设置单位浓度，在出口处设置零梯度条件，在地板边界处设置与沉降速度相等的流出通量以模拟沉积，在天花板边界处将浓度设为零并设置向下的法向速度（大小等于沉降速度），以从颗粒相角度模拟无颗粒空气的流入。模拟结果与实验测量的流向平均速度和平均浓度的垂直分布进行了对比。结果显示，无论是速度场还是浓度场，CFD预测与实验测量值均吻合良好，从而验证了所采用的漂移通量模型在同时捕捉气流和考虑重力沉降的颗粒物扩散方面的准确性。
第二部分：L型布局房间的室内模拟设置 验证模型后，研究建立了一个更接近真实居住环境的L型布局房间案例，房间体积为40立方米。研究设置了多种工况以系统比较不同去除机制： 1. 通风条件：设置了两种机械通风换气率，分别为较低的0.5 h⁻¹和较高的2 h⁻¹。 2. 空气净化器条件：考虑了一台便携式空气净化器（PAC），其侧面进风、顶部出风，进风速度为1 m/s，排风速度为0.5 m/s。该PAC的标称风量对应房间换气率为3.15 h⁻¹（126 m³/h）。研究了四种PAC摆放位置：靠近通风入口（PAC_1）、远离通风口的墙壁附近（PAC_2）、靠近通风出口（PAC_3）以及房间中央（PAC_4）。同时设置了不放置PAC的工况（PAC_0）作为对照。 3. 颗粒物参数：考虑了1, 2.5, 5, 10, 20, 30, 40, 50微米共八种粒径的颗粒物，颗粒密度设定为1.6×10³ kg/m³（基于室外实测数据）。此外，还设置了一个不考虑重力沉降的被动标量（Passive）案例用于对比。 4. 关键假设：为简化问题并聚焦于核心机制，模拟做了以下理想化假设：颗粒物在房间内均匀生成；不考虑墙面沉积（因其速率通常低于重力沉降和机械去除）；不考虑地板沉积颗粒的再悬浮；假设PAC的单次通过去除效率为100%。
计算域被划分为约95万个六面体网格。采用与验证案例相同的RANS方法和k-ε湍流模型。通风入口湍流强度设为1%，PAC进、出口湍流强度设为5%。颗粒物生成率统一设为1 s⁻¹。浓度边界条件方面，通风入口和PAC出口浓度设为零，其他壁面（除天花板和地板）及通风出口设为零梯度。天花板和地板的处理方式与验证案例一致，以准确模拟重力沉降过程。
第三部分：数据分析与简化模型对比 模拟完成后，研究从两个层面分析数据： 1. CFD结果分析：计算了房间平均浓度，并归一化处理以比较不同工况的效果。更重要的是，通过计算通过通风出口、PAC进风口和地板的颗粒物通量比例，量化了通风、PAC和重力沉降三种机制对颗粒物去除的相对贡献。同时，基于PAC进风速度和地板沉降速度，分别计算了它们对应的“等效换气率”（Equivalent ACH），以便与机械通风的ACH在相同尺度上进行比较。 2. 单节点模型构建与对比：基于房间内浓度均匀分布的假设，研究构建了一个简化的单节点（箱式）模型。该模型将通风、PAC吸入和重力沉降视为三个平行的去除过程，其去除速率常数分别对应通风ACH、PAC等效ACH和重力沉降等效ACH。通过比较单节点模型预测的各机制贡献比例与详细的CFD模拟结果，评估了这种简化方法在预测整体趋势上的能力及其局限性。
四、 主要研究结果
1. 室内平均浓度变化： 在通风率较低（ACH=0.5）且无PAC时，颗粒物浓度随粒径增大而显著降低，20微米以上颗粒的浓度已接近零，这直观体现了重力沉降的主导作用。引入PAC后，对于小于10微米的颗粒，室内平均浓度大幅降低（例如，对于被动标量情况，PAC可降低约80%浓度），但对于大于10微米的颗粒，PAC的浓度降低效果微乎其微。当通风率提高至ACH=2时，对于小于10微米的颗粒，其浓度相比ACH=0.5时进一步降低，说明增强通风有效。然而，对于10微米颗粒，在ACH=2且无PAC或PAC位于某些位置时，其平均浓度反而高于ACH=0.5的情况。分析表明，这是因为更强的通风混合作用将原本会沉降到地板附近的颗粒重新输送到房间上部空间，反而提高了全室平均浓度。这一现象凸显了CFD模拟在捕捉复杂空间分布方面的重要性。
2. 各去除机制的贡献比例： 这是本研究的核心发现。量化分析清楚地揭示了主导去除机制随粒径的转变： * 无PAC时（仅通风与沉降）：在ACH=0.5时，通风和重力沉降的贡献比例在2.5-5微米之间发生交叉；在ACH=2时，交叉点移至5-10微米之间。这说明随着通风增强，通风对更大粒径颗粒的去除变得相对更有效，但重力沉降对大颗粒的主导地位不变。 * 有PAC时： * 对于小于10微米的颗粒，便携式空气净化器（PAC）是主导的去除机制。在ACH=0.5时，PAC对小于5微米颗粒的去除贡献可达约80%，通风贡献约20%，重力沉降贡献很小。在ACH=2时，由于通风增强，其贡献比例上升，与PAC的贡献变得相近。 * 对于大于10微米的颗粒，重力沉降迅速成为绝对主导的机制，贡献超过60%，并且随着粒径增大，其贡献率接近100%。PAC和通风的贡献变得可以忽略不计。这是因为大颗粒的沉降速度极快，在它们被通风或PAC的气流捕获并带走之前，就已经沉降到地板上了。 * PAC摆放位置的影响：研究发现，在本文设定的均匀释放源假设下，PAC的摆放位置对整体去除效率的影响较小，不同位置间的贡献比例差异最大约为12%（ACH=0.5）至15%（ACH=2）。这表明，PAC自身运行所诱导的空气混合，以及房间通风，共同主导了颗粒物的空间输运，使得PAC的位置效应不显著。然而，文章也指出，在非均匀释放（如局部污染源）的实际场景中，PAC位置的影响可能会变得重要。
3. 单节点模型与CFD结果的对比： 基于等效ACH框架的单节点模型，虽然无法反映浓度的空间分布，但成功地定性捕捉了各去除机制随粒径变化的总体趋势。在ACH=0.5时，单节点模型的预测与CFD结果差异很小（小于5%）。在ACH=2时，差异有所增大（最大达12%），这主要是因为更强的通风导致了更显著的非均匀浓度分布，而单节点模型的均匀假设与此偏离。该结果表明，单节点模型可以作为一种快速估算工具，用于早期设计阶段评估空气净化器的性能，而CFD分析则用于解决需要空间分辨率的详细行为。
五、 研究结论与价值
本研究通过CFD漂移通量模型，系统量化了通风、便携式空气净化器和重力沉降对不同粒径（1-50微米）室内颗粒污染物的去除贡献。主要结论如下： 1. 去除机制的主导性取决于粒径：便携式空气净化器对小于10微米颗粒的去除贡献最大；而重力沉降是大于10微米颗粒的主导去除机制。 2. PAC位置对整体效率影响有限：在颗粒物均匀释放的假设下，空气净化器的安装位置对其整体去除效率的影响较小，室内气流混合是主要控制因素。 3. 通风与PAC的效能对比：在低通风率（ACH=0.5）下，天花板机械通风系统的颗粒去除效果低于便携式空气净化器；但在较高通风率（ACH=2）下，两者的效果变得可比。 4. 简化模型的适用性：基于等效ACH的单节点模型能够较好地预测整体平均去除趋势，为工程快速估算提供了可行工具，但无法替代CFD在分析空间变异性的作用。
本研究的科学价值在于首次在统一的CFD框架内，清晰揭示了三种常见室内颗粒物去除机制在不同粒径谱上的竞争与协同关系，明确了其作用范围的临界粒径（约10微米）。应用价值在于为室内空气质量管理提供了重要见解：针对不同粒径的颗粒物污染，应采取不同的主导控制策略。例如，对于PM2.5等细颗粒，使用高效空气净化器是关键；而对于花粉、粗尘等大颗粒，加强清洁（去除沉降物）可能比增强通风或使用净化器更有效。研究也提示，在设计阶段利用CFD或简化模型进行粒径分辨的评估，有助于优化通风和净化设备的选型与配置。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的内容
研究在讨论部分坦诚地指出了本工作的局限性，这些局限恰恰构成了未来有价值的研究方向。例如：假设了颗粒物在全室均匀生成，而实际中可能存在从通风口进入的花粉或人员咳嗽产生的局部源；未考虑墙面沉积和地板沉积颗粒的再悬浮过程；假设PAC的单次通过效率为100%；简化了通风入口条件等。文章指出，在引入非均匀排放、真实的再悬浮过程和实测净化效率后，PAC摆放位置的影响可能会变得更加重要，因为颗粒物浓度的空间分布将更强烈地依赖于污染源、通风和净化器三者之间的配置关系。这些思考提升了研究的深度和前瞻性。此外，附录中展示的PAC_3案例下不同粒径颗粒物的浓度空间分布图，直观地补充了平均浓度数据所不能体现的细节，例如在强通风下大颗粒物浓度分布的异常变化，进一步证实了CFD在揭示复杂物理现象方面的优势。