《Biosystems Engineering》：Bio-aerodynamic analysis of active botanical biofilters: Experimental characterisation and CFD modelling approach
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作者：Allan A. Alvarado-Alvarado、Seppe Vandeweghe、Peter Irga、Siegfried Denys比利时安特卫普大学生物科学工程系，Antwerp Engineering, Electrochemistry and Sensing
作者：Allan A. Alvarado-Alvarado、Seppe Vandeweghe、Peter Irga、Siegfried Denys
比利时安特卫普大学生物科学工程系，Antwerp Engineering, Electrochemistry and Sensing (A-PECS)项目团队
摘要
主动植物生物过滤器（ABBs）是一种旨在清除室内空气污染物的 engineered 生物系统。然而，对其空气动力特性的研究尚未展开，这导致了对其气流分布预测的不准确性，进而影响了其运行效果。植物的复杂生物量会改变气流分布，产生非均匀的湍流现象。本研究结合实验和建模方法，对全尺寸ABB的空气动力学特性进行了分析，并提供了工程学上的见解。首先，在风洞中分别对ABB的组成部分（基质、根系和叶片）进行了测试，证实了气流主要由惯性驱动，并得出了宏观参数（达西渗透率和福希海默阻力）。这些参数被用于通过三维RANS k-ω CFD模型来预测全尺寸ABB的空气动力性能，该模型考虑了达西-福希海默公式和佩德拉斯-德莱莫斯公式。结果表明，在实际运行速度下，基质介质提供了主要的空气动力阻力；在引入植物生物量之前，惯性效应 already 存在。根系使渗透率降低了70%，并使惯性阻力系数增加了14%，表明植物生物量可能起到了湍流生成器的作用，从而增强了污染物的对流传输。CFD模型的预测结果与实验数据吻合度很高（R2 = 0.9946，RMSE = 3.53 Pa），证明了所选公式能够准确描述ABB的空气动力学行为。随后，通过添加流动调节元件，减少了当前ABB设计中的效率低下的问题。这一研究展示了CFD在优化设计方面的潜在价值。
引言
主动植物生物过滤器（ABBs）是一种可持续的室内空气净化系统，它结合了植物、基质及其相关微生物群落，用于消除室内气体污染物，包括挥发性有机化合物（VOCs）。与传统依靠污染物物理转移的空气净化方法相比，ABBs具有优势（Soreanu等人，2013年；Pettit等人，2018b、2018a年；Matheson等人，2023年）。在选择基质和植物时，需要平衡适当的气流分布、水物理和空气动力学特性，同时确保能耗在可接受范围内（Abdo等人，2019年）。在ABB中，主动气流通过连接风室（例如圆形到矩形的过渡管道，其中装有轴流叶轮）将受污染的空气引入生物系统，从而改善了气流分布并提高了去除效率（Paull等人，2019年）。
已有大量研究记录了ABBs对各种化合物的去除效果，例如VOCs（Han等人，2022年；Kumar等人，2023年；Matheson等人，2023年；Soreanu等人，2013年）。然而，关于ABB建模和设计中的空气动力学考虑方面的文献仍然存在空白，这可能是因为以往的研究更侧重于生物学方面而非流体动力学（Pettit等人，2019c、2019b、2019a年；Wu & Yu，2022年）。以往的气流模型将ABBs视为具有均匀多孔介质的传统填充床生物过滤器，认为其流动为层流状态，压力损失仅由粘性阻力引起。然而，忽略了基质成分、根系网络和地上生物量的复杂结构，因此简化了ABB的动力学特性，导致对压力损失的低估。早期模型的简化有助于推动填充床生物过滤器领域的发展，但对于活的生物系统来说这种简化是不够的，导致了气流分布和压力损失的预测不准确（Masi等人，2022年；Vivekanandan等人，2025年；Z. Wang等人，2012年）。与合成空气过滤器和填充床生物过滤器不同，ABBs中的根系是活的、动态的，并且结构复杂，会生长并产生分泌物，从而增加吸附位点的数量（Wu & Yu，2022年）。因此，了解这种生物系统内的空气动力微环境对于实现成功的工程设计至关重要。
本文假设ABB中植物生物量不规则且复杂的几何结构挑战了层流的假设，实际情况应该是受惯性影响更大的湍流状态。从生物系统工程的角度来看，气流的异质性和湍流的产生并非完全是负面的；它们有可能增强物质传输。植物生物量可以充当湍流生成器，产生微尺度湍流，从而降低空气动力阻力，即减小生物膜与空气界面处的静止空气层厚度。不过，污染物的去除速率最终取决于微生物的代谢速率。
因此，本研究旨在通过实验和建模方法的结合，评估全尺寸ABB及其组成部分（基质介质、根系和叶片）的空气动力行为，以提供设计和操作方面的工程见解。具体研究目标包括：（i）根据水物理和空气动力学特性，选择适合ABB的基质介质；（ii）应用达西-福希海默公式，量化ABB各组成部分（基质、根系和叶片）以及全尺寸ABB的空气动力贡献；（iii）开发并验证全尺寸ABB的综合性CFD模型，利用实验获得的宏观参数预测气流分布、湍流产生和压力损失，并展示该模型在优化设计中的潜力。
节选内容
基质混合物的制备
为了找到一种在生物、水力学和空气动力学特性方面都合适的基质介质，我们配制了三种候选混合物（M1、M2、M3），这些混合物由以下三种园艺材料混合而成：膨胀粘土颗粒（Leca? ton，德国）、松树皮（MOSMUUR，比利时）以及泥炭基盆栽土（Potgrond Terreau，Snebbout，比利时，含有25%的干物质和20%的有机质，外加14-16-18氮磷钾复合肥，浓度为1.25 kg m?3）。
为工程化的ABB选择合适的基质混合物
目前关于ABB的最佳基质组成尚未达成共识。从生物系统工程的角度来看，适合ABB的基质必须同时满足生物、水物理和空气动力学特性。这些特性决定了污染物从气相到液相的传输以及微生物对其的利用能力。此外，与其他工程化生物过滤系统一样，这些特性还控制着压力损失，这是与能量输入相关的关键设计参数。
结论
本研究表明，主动植物生物过滤器（ABBs）的空气动力设计需要多学科方法，平衡生物、水物理和流体动力学特性。实验结果表明，在实际运行速度下，通过ABB多孔基质的气流处于非线性惯性状态，其中基质占据了大部分空气动力阻力。因此，在设计时必须考虑惯性损失。
CRediT作者贡献声明
Allan A. Alvarado-Alvarado：负责撰写初稿、验证数据、方法论制定、实验设计及数据分析。Seppe Vandeweghe：负责实验设计、审稿与编辑工作。Peter Irga：负责审稿与编辑工作以及项目监督。Siegfried Denys：负责审稿与编辑工作以及项目管理工作。
关于手稿准备过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写本文时，作者使用了 Gemini 3 Pro 和 ChatGPT 5.2 工具来提升文本的可读性和语法表达。使用这些工具后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对发表文章的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系会影响本文的研究结果。
