暖通专业毕业论文

应用数值模拟研究室内空气

污染控制答辩人：赵慧玲

指导老师：杜震宇第一部分研究背景及研究现状介绍

人的一生大约有80%的时间是在室内度过的，室内环境对人们的生活和工作质量的影响远远超过室外环境。据统计,室内环境污染已经引起36%的呼吸道疾病,22%的慢性肺病和15%的气管炎,支气管炎。全世界每年有2400万人的死亡与室内污染紧密相关。全球每年因IAQ问题造成的病态建筑综合症使生产效率下降了2.8-11%,共计损失约100-700亿美元。北京化学物质鉴定中心报道,北京市每年由建材引起的污染中毒人数达万人。在我国,由于新建建筑多、装修量大,兼之建筑装饰装修材料市场不规范,产品鱼龙混杂,IAQ问题较发达国家严重得多。近年来，人们已经认识到室内空气品质问题的重要性与迫切性，室内空气品质问题也成为当前建筑环境领域的一个研究热点。室内空气污染源散发特性

室内空气污染包括物理性污染、化学性污染、生物性污染。其中化学性污染是指由化合物和悬浮颗粒物等引起的污染，室内空气污染主要是人为污染，其中以化学性污染最为突出，本论文主要讨论由化学性污染引起的IAQ问题。化学性污染物主要以分子状态存在，包括无机化合物、有机化合物及放射性物质等，这些室内空气污染物主要来源于建筑围护结构及其表层材料。本论文中污染物研究对象甲醛就是一种具有代表性的有机化合污染物，co2是室内普遍存在的无机化合污染物。室内空气污染物普遍具有污染物浓度低，持续散发的特性，一些污染物的散发甚至持续几年至数十年。污染物控制技术的发展现状

目前污染物的控制技术主要有活性炭吸附法、光催化法、等离子体放电、植物净化等方法。1.活性炭吸附法活性炭吸附是最常用的一种降低室内空气污染的技术，目前市场中的空调、空气净化器里的吸附过滤层大多都是活性炭。但吸附剂的吸附性能随环境温度、压力、湿度的改变存在不稳定性，吸附量难以确定，并且一旦达到吸附平衡时，就不再具有吸附能力，必须更换吸附剂，否则不但失去净化作用还会成为污染源造成二次污染。2.光催化法纳米TiO2光催化技术，也称光触媒技术。但研究发现对挥发性有机化合物的光催化会产生有害的副产物如CO和O3，反应的最终产物不稳定。3.等离子体放电等离子体化学是一门涉及多个学科的交叉学科，包括高能物理、放电物理、放电化学、反应工程学以及高压脉冲技术等。80年代等离子体技术主要应用于烟气脱硫和脱硝等大气污染控制方面。近几年等离子体净化空气的研究也是热点。4.植物净化某些植物能去除多种空气污染物,提高空气质量。但对植物净化方法的研究还很少。5.通风改善室内空气品质

针对室内污染的复杂性，在客厅与卧室中经济、合理的组织自然通风、增加机械通风，用室外新鲜空气来稀释室内空气污染物，是最方便快捷地降低室内污染物浓度的方法第二部分本文研究内容一.研究目的针对住宅室内空气质量差，污染物浓度严重超标的现状，自然通风无法满足人们对室内空气品质的要求，提出了一种全新的住宅室内通风方式：这种通风方式主要是采用具有能量回收功能的住宅用新风换气机，可有效地降低室内污染物浓度。二.研究内容主要研究内容如下：根据装修材料污染物散发过程的传质机理,以典型的住宅（内设障碍物、污染源和热源）为物理模型，针对没有机械通风和具有机械通风两种情况对房间内的速度场、温度场以及污染物浓度场的分布进行数值模拟。对两种通风方式下的模拟结果进行通风效果的比较，通过二氧化碳、甲醛两种污染物在室内的分布情况，揭示通风效率对室内空气品质的影响。综合研究计算结果，提出利用机械通风对改善住宅室内的污染物浓度的作用，为室内空气品质的研究和优化设计提供建议。第三部分新风换气机介绍新风换气机结构图热量回收概念一、夏季示意图二、冬季示意图第四部分数值模拟的理论及方法建立数学模型及确定求解方法是CFD包含的主要环节:本文采用三维非稳态湍流，常物性，强制对流模型对物理模型进行数值模拟。控制方程包括：连续性方程、动量方程、能量方程、湍流动能k方程、耗散率ε方程以及组分浓度控制方程。近壁处理采用标准壁面函数法。采用SIMPLE算法进行差分方程的求解。SIMPLE算法(包括各种改进方案)是不可压缩流体的N－S方程数值求解中广泛应用的算法，并且已被成功地应用于压缩流体流场地数值计算中。

第五部分模拟实施及结果分析用FLUENT程序求解问题的步骤如下：（1）确定几何形状，生成计算网格（网格生成可以用GAMBIT生成网格，也可以读入其它指定程序生成的网格）。（2）选择2D或3D来模拟计算。（3）输入网格。（4）检查网格。（5）选择解法器。（6）选择求解的方程：层流或湍流（或无粘流），化学组分或化学反应，传热模型等。确定其它需要的模型如：风扇、热交换器、多孔介质等模型。一、FLUENT介绍（7）确定流体物性。（8）指定边界条件。（9）设置计算控制参数。（10）流场初始化。（11）计算。（12）检查结果。（13）保存结果，后处理等。二、物理模型三、模型的简化假设（1）连续性的介质（2）定常的流场（3）不可压缩的空气（4）墙壁，天花板和地板的假设四、边界条件设定表5-1主要的边界类型设定Table5-1Themaintesttypesandtheboundaryvalue边界名称边界类型边界设置送风口速度入口(velocity-inlet)送风速度1.5m/s及温度288K回风口流出口(outflow)门流出口(outflow)地板壁面(wall)定温300K南墙壁面(wall)定温285K北墙壁面(wall)绝热西墙壁面(wall)绝热东墙壁面(wall)绝热天花板壁面(wall)绝热人壁面(wall)定温310K电脑壁面(wall)定温310K灯壁面(wall)定温310K书柜及书桌正面污染物（甲醛）入口释放量CO2污染物（CO2）入口释放量流场初始温度初始化293K五、计算条件

模型计算主要是以太原地区冬季气象资料为参考条件，室内为地板辐射采暖，室内初始温度设定为18℃，相对湿度均为40％，机械送风速度取1.5m/s，排风速度1.4m/s左右（模型设计边界条件为流体出口）。假设房间内存在污染源CO2（室内人员的呼吸），其释放量为1.3E-5kg/s（按每人14L/h计算）；甲醛CH2O（衣柜正面及书桌正面释放），其释放量为1.8E-11Kg/s。计算采用紊流模型中的“重整化群”（RNG）模型，彼此之间不发生化学反应的多重组分（Specie）模型。五、速度场模拟结果及分析x=1.5m速度场分布图（A）y=1.5m速度场分布图（A）x=1.5m速度场分布图（B）图4-16z=1.2m速度场分布图（B）以上所示速度场分布图截面分别取自房间的对称面、送风口、排风口以及人员活动的呼吸面。从图中可以看出在有换气机和无换气机两种情况下，房间内的主要区域速度都小于0.2m/s，都达到了标准要求，说明机械送风对房间内的速度场影响不大，房间内人员活动也不会有吹风感。从图4-11、图4-12可以看出房间内部分区域存在漩涡，原因和室内送、排风口的布置以及家具的摆放位置有关，送、排风口的布置对室内的气流组织有很大影响；同时，模拟时排风口的边界类型为outflow，如果有试验数据可将排风口设为压力出口，模拟结果将更接近实际的流场。由速度场的模拟结果来看，设新风换气机对室内速度场的影响较小，比较理想z=1.2m温度场分布图（A）五、温度场模拟结果及分析z=1.2m温度场分布图（B）图中温度场分布图分别截取自房间的纵向对称面（x=1.5m，y=1.5m），以及人员的呼吸面（z=1.2m）。可以看出两种情况下，室内的温度场都达到了设计温度290K。比较图4-19与图4-22可以看出，在z=1.2m平面上，两种条件下的室内温度相差4~5℃，设新风换气机条件下室内温度偏低，这是因为模拟的条件是冬季，新风换气机的热交换器效率并不是100%。图4-18、4-20、4-21、4-22中显示出温度场存在局部高温的情况，这是因为本文模拟的是稳态情况，室内热源的边界设定是给定热源温度，使得温度场的模拟结果与实际有了偏差。由设新风换气机条件下温度场的模拟结果可以看出，新风换气机在为室内连续微量的送入新风的同时，也有效的回收了能量，同时室内的温度场分布也比较均匀。五、浓度场模拟结果及分析x=1.5m甲醛浓度场分布图（A）z=1.2m甲醛浓度场分布图（A）x=1.5m甲醛浓度场分布图（B）z=1.2m甲醛浓度场分布图（B）z=1.2mCO2浓度场分布图（A）z=1.2mCO2浓度场分布图（B）分析以上各图可以看出，随气流方向，甲醛浓度分布变化较大，存在较高的浓度梯度，而在室内的一些区域内，浓度几乎没有变化。图中存在个别涡旋区的浓度较高的现象，这和室内的气流组织有关，因此优化送、排风口的布置，可减少涡旋区的产生，降低局部区域的浓度。同时，边界条件设置的污染入口附近也存在高浓度甲醛的分布，这是因为模拟中设定的甲醛释放面较小，而实际情况下甲醛的挥发面大。对两种条件下模拟结果进行总体分析，可以看出设新风换气机条件下室内甲醛浓度明显降低，主要区域均达到了《室内空气质量标准》要求的0.1mg/m3，局部高浓度仅存在房间的死区，人的呼吸面浓度很低；而同等条件下无机械通风时，室内甲醛浓度严重超标，冬季北方开窗较冷，且开窗热量损失大，因此自然通风不能起到降低污染物浓度的作用，长期在高浓度污染物的环境里生活，将严重影响健康。CO2的分布情况和甲醛的分布情况有很多相似的地方，都是随着气流的方向浓度分布变化比较大，呈现一定的浓度分布梯度。污染物较高的地方多集中在容易产生气流“死角”和漩涡较大的地方。由图示可以看出在污染源挥发面处的浓度较高，主要原因是CO2污染源比较集中，且挥发面面积相对较小造成的。在其他条件同等的情况下，设新风换气机时室内的CO2浓度明显的减少，其平均浓度小于规定的0.1％，满足室内CO2浓度分布要求。无机械通风情况下，室内的污染物浓度普遍较高，严重超标，尤其是人员的呼吸面空气品质很差。第六部分进一步的工作建议数值模拟计算的结果虽然与实际符合程度很高，但是模拟过程中，仍有一些需要改进的地方：（1）空调通风房间实际的送风口几何形状很复杂，其入流边界条件很难描述。目前主要采用间接描述的盒子类风口模型和直接描述类风口模型来简化描述复杂的