本發(fā)明屬屬空氣凈化裝置領域，尤其涉及一種車載空氣質(zhì)量監(jiān)控環(huán)流場異型風道除霾裝置及其制造方法。

背景技術(shù)：

隨著環(huán)境污染越來越嚴重，空氣的污染變成了重災區(qū)，我國大部分地區(qū)的霧霾天數(shù)增多，現(xiàn)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(fā)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(qū)將霧并入霾一起作為災害性天氣現(xiàn)象進行預警預報，統(tǒng)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(jié)果。高密度人口的經(jīng)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(huán)能力和承載度，細顆粒物濃度將持續(xù)積聚，此時如果受靜穩(wěn)天氣等影響，極易出現(xiàn)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(zhì)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(jié)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(tǒng)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(tǒng)，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(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)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(zhì)量監(jiān)控環(huán)流場異型風道除霾裝置及其制造方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：

車載空氣質(zhì)量監(jiān)控環(huán)流場異型風道除霾裝置，包括太陽能儲能板、蓄電池、空氣質(zhì)量監(jiān)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(jié)構(gòu)；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(nèi)；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(jīng)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(jié)構(gòu)；所述太陽能儲能板的信號傳輸端口經(jīng)蓄電池與離心風機的信號傳輸端口相接；所述空氣質(zhì)量監(jiān)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(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)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(yōu)選方案，本發(fā)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(guān)電壓調(diào)節(jié)器lm2596芯片及ae1509穩(wěn)壓器；所述gps單元采用skylabgb10；所述廣域互聯(lián)網(wǎng)無線通信單元采用gprs模塊。

進一步地，本發(fā)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(shù)：

式中待估參數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)學模型：

上述車載空氣質(zhì)量監(jiān)控環(huán)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(nèi)；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(jīng)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(gòu)建數(shù)學模型，并通過solidworks構(gòu)建出3d模型，在通過cfd計算后，通過fluent模擬出相關(guān)測試參數(shù)；閉合曲線高斯擬合函數(shù)：

式中待估參數(shù)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(jīng)蓄電池與離心風機的信號傳輸端口相接；

c、將空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊設于除霾模塊單元之上。

本發(fā)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(fā)明通過調(diào)整進風結(jié)構(gòu)，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(diào)整進風結(jié)構(gòu)和附面層，進一步調(diào)整進風風向和均態(tài)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(diào)整角進行處理，具有旋流的環(huán)流場進風口，使本發(fā)明進口風壓增大，同時減少了氣體在風道種的附面層系數(shù)(即減小邊界阻力)。由于風進口處為增壓減速區(qū)，流體質(zhì)點受到與主流方向相反的壓差作用；靠近壁面的質(zhì)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(xiàn)與主流方向相反的流動即產(chǎn)生渦旋。對于漸擴管，雷諾數(shù)或擴張角愈大，渦旋區(qū)范圍愈大，位置愈靠前；對于突擴，雷諾數(shù)的大小對渦旋區(qū)位置和大小的影響不明顯，起決定性作用的是形狀。因此，優(yōu)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(jié)果表明：(1)按優(yōu)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(zhì)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(yōu)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(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明。本發(fā)明的保護范圍不僅局限于下列內(nèi)容的表述。

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)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(fā)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(fā)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(fā)明異型風道z軸剖面圖；

圖5為本發(fā)明異型風道立體圖；

圖6為本發(fā)明除霾模塊單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明整體使用狀態(tài)圖；

圖8為本發(fā)明空氣質(zhì)量監(jiān)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(zhì)量監(jiān)控環(huán)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(jié)構(gòu)；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(nèi)；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(jīng)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(jié)構(gòu)；所述太陽能儲能板9的信號傳輸端口經(jīng)蓄電池10與離心風機5的信號傳輸端口相接；所述空氣質(zhì)量監(jiān)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(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)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(fā)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(guān)電壓調(diào)節(jié)器lm2596芯片及ae1509穩(wěn)壓器；所述gps單元采用skylabgb10；所述廣域互聯(lián)網(wǎng)無線通信單元采用gprs模塊。

本發(fā)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(shù)：

式中待估參數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)學模型：

上述車載空氣質(zhì)量監(jiān)控環(huán)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(nèi)；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(jīng)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(gòu)建數(shù)學模型，并通過solidworks構(gòu)建出3d模型，在通過cfd計算后，通過fluent模擬出相關(guān)測試參數(shù)；閉合曲線高斯擬合函數(shù)：

式中待估參數(shù)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(jīng)蓄電池10與離心風機5的信號傳輸端口相接；

c、將空氣質(zhì)量監(jiān)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(yōu)化是本發(fā)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(xié)調(diào)性，對進風口和風道進行了優(yōu)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(nèi)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(jīng)導入gambit軟件進行網(wǎng)格劃分，運用ansysfluent仿真軟件對風道流場進行結(jié)構(gòu)優(yōu)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(gòu)建數(shù)學模型，并通過solidworks構(gòu)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(guān)測試參數(shù)，以達到設計要求。

閉合曲線擬合公式為：

設有一組實驗數(shù)據(jù)(xi,yi)(i＝1,2,3,...)可用高斯函數(shù)描述

式中待估參數(shù)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(shù)，化為

令

并考慮全部試驗數(shù)據(jù)，則(3)式以矩陣形式表示為

簡記為

z＝xb(5)

根據(jù)最小二乘原理，構(gòu)成矩陣b的廣義最小二乘解為

b＝(x^tx)^-1x^tz(6)

再根據(jù)(6)式求出待估參數(shù)ymax、xmax和s，得到(1)式高斯函數(shù)的特征參數(shù)，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(jù)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(cè)旋作用及偏離導致其截面為多曲線環(huán)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(cè)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(guān)曲面變化而使得風向偏轉(zhuǎn)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(jù)閉合曲面方程(1),求解得出x軸向各個閉合曲線的數(shù)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(fā)明y軸整體剖面圖。圖3-1、圖3-2、圖3-3及圖3-4從y1到y(tǒng)4依次為流場風道從左至右的截面圖。

根據(jù)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(cè)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(diào)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(cè)旋而形成了g(y2),g(y3)和g(y4)。在根據(jù)閉合曲面方程(1),求解得出y軸向各個閉合曲線的數(shù)學模型。

參見圖4-1、圖4-2、圖4-3及圖4-4。圖4-4為本發(fā)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(jù)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(nèi)凹處，其作用可以在旋流時調(diào)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(jù)閉合曲面方程(1),求解得出z軸向各個閉合曲線的數(shù)學模型。

本發(fā)明在使用時，外部空氣經(jīng)擴風口及軸流風機進入異型風道，經(jīng)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?？紤]不額外產(chǎn)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(lián)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(chǎn)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(qū)面積185平方公里(1.85億m²)范圍內(nèi)，高度7.61米以內(nèi)的空氣得以凈化,效果顯著。考慮到裝置內(nèi)部的阻力，實際處理風量會比上述計算值偏小。

本發(fā)明環(huán)流場風道除霾裝置用車載空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊在工作時，車載傳感器根據(jù)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(wǎng)后，采集相應的數(shù)據(jù)并向控制單元發(fā)送；隨后可以根據(jù)需要切斷電源進入休眠狀態(tài)以節(jié)省電池電力；在經(jīng)過一定的采樣或檢測周期后再次被喚醒進行再次的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送。其中，采樣或檢測頻率可根據(jù)具體情況和需求而設置并調(diào)整。

本發(fā)明監(jiān)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(fā)光效率高，能耗低，便于集成。激光束經(jīng)過霧霾空氣發(fā)生散射，通過對散射光強度測量，實現(xiàn)霧霾濃度監(jiān)測。每個機動車車頂?shù)沫h(huán)流場風道除霾裝置所獲得的數(shù)據(jù)，傳遞至駕駛員的移動電話，再經(jīng)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(wǎng)，最終上傳至云計算系統(tǒng)。該系統(tǒng)將各車載裝置上傳的信息(包括位置、時間、濃度)進行大數(shù)據(jù)分析，不僅能夠?qū)崟r播報霧霾的空間分布，還能分析出霧霾的形成、發(fā)展、變化和消散情況，總結(jié)出氣象條件和地理因素對空氣質(zhì)量的影響，對根本上消除霧霾有重要的作用。

本發(fā)明數(shù)據(jù)采集終端分布于各個行駛中的機動車上，相比于定點監(jiān)測，其數(shù)據(jù)源分布更廣；相比于遙感探測，其數(shù)據(jù)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(wǎng)結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)空氣質(zhì)量的實時動態(tài)監(jiān)測。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)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(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。