置换通风不同风量下颗粒分布的数值

置换通风不同风量下颗粒分布的数值研究摘要：室内颗粒造成室内空气污染，危害人体健康，其分布作为影响室内空气品质的一个重要因素，正日益受到人们的关注。通风是稀释、去除室内颗粒的有效方法，通风房间室内颗粒分布受到很多因素的影响，包括通风形式、送风量、颗粒源位置等。本文采用考虑了颗粒沉降效应的三维滑移通量（driftflux）模型，用数值模拟的方法分析了置换通风形式下有颗粒源的房间内，三种不同风量下1、2.5、5、7.5、10微米五种粒径颗粒的分布情况，颗粒源位于房间中部。结果表明：置换通风下，风量对不同粒径的颗粒分布影响很大。同样的风量下，大粒径颗粒扩散范围比小粒径颗粒广，而且小粒径颗粒在房间上部区域浓度比较大，大粒径颗粒在房间下部区域浓度较大。随着风量的增加，小粒径颗粒在整个通风房间内扩散；大粒径颗粒容易向房间上部区域扩散。而且，粒径越大，风量变化对颗粒分布的影响也越大。关键字：室内颗粒置换通风数值模拟1背景随着经济的发展、人们生活水平的提高，人们对建筑环境的要求也越来越高。人们对人居环境的要求，已经不仅仅限于对传统的温度、速度、湿度的要求，而提升到对与室内可挥发有机物、颗粒物质等密切相关的室内空气品质（IAQ：IndoorAirQuality）的要求上来。空气动力学当量直径小于10μm的颗粒称为可吸入颗粒物（记做PM10），可通过呼吸进入人体的上下呼吸道。颗粒物上富集了重金属、酸性氧化物、有机污染物（如多环芳烃、农药等），并且是细菌、病毒和真菌的载体，是对人体危害最大的污染物，已引起世界各国的广泛关注[1~4]。近年来众多学者的研究表明，长期暴露在颗粒物质中，对人体呼吸道疾病、眼睛和皮肤过敏等健康问题影响很大[5~7]，也导致死亡率和发病率有所增加[8~9]。2003年春季肆虐全球的严重急性呼吸综合症（SARS:severeacuterespiratorysyndrome），其病毒微生物及载体也是一种微小的生物颗粒（0.08－0.12微米）。鉴于颗粒物质可能造成的种种不利影响，室内颗粒分布作为影响IAQ的一个重要因素，正日益受到人们的关注[5]。同时，模拟预测室内颗粒分布对于评价建筑环境、指导实际的通风空调的设计也有着重要意义。由于室内颗粒会造成种种危害，所以研究影响室内颗粒运动和分布的因素以及有效去除室内颗粒的方法具有重要意义。室内颗粒浓度受室外颗粒浓度、换气量、室内颗粒发生源、颗粒沉降、颗粒穿透、颗粒二次悬浮以及人的活动等因素影响。通风是一种稀释、去除室内污染物的有效方法，可防御颗粒对室内环境的污染。通风房间室内颗粒的运动和分布受很多因素的影响，主要是气流组织、颗粒特性、房间的几何特性、室内热源、室内颗粒源位置等。其中气流组织的影响包括通风形式、通风量、进出风口位置的布置等。相同房间内不同通风量具有不同的流场，颗粒在不同的流场中其运动和分布是很不一样的。对于不同特性的颗粒，其分布和运动也是随着通风量的不同显示出很大差异。因而，有必要研究通风房间不同通风量下室内颗粒的分布，以便更有效的稀释、去除室内颗粒，提高IAQ。置换通风是典型的通风方式之一，下面将借助于数值模拟手段，对不同粒径的颗粒在置换通风房间内不同风量下的分布进行比较、分析。2数值模拟方法对于通风室内的空气流动，本文采用集成了N点风口动量模型[10]和一个新零方程湍流模型[11]的简捷数值模拟方法进行数值模拟。该方法已经经过置换通风[10]、混合通风[10]以及座椅送风等算例的验证[12]，能取得和实验数据吻合较好的模拟结果。对于室内生物颗粒的气溶胶系统，本文采用可考虑颗粒沉降效应的滑移通量模型（driftfluxmodel）[13]模拟颗粒分布，相比将颗粒相简单当作空气被动运输的组分的处理方法而言，该模型能考虑颗粒与空气之间的滑移，因此能更为合理地模拟室内颗粒的运动和分布。目前，该模型已经成功地被Murakami等人[14]、Holmberg和Li[13]分别用于模拟通风空调室内颗粒的运动和分布。2.1控制方程以张量形式表示的室内空气流动和颗粒运动控制方程如下：(1)(2)(3)(4)其中，,V和P分别为空气密度、速度和压力；Vs是颗粒的沉降速度；C是颗粒的质量浓度；有效动力粘度是分子和湍流动力粘度之和，本文采用前面提及的新零方程湍流模型模拟湍流[2]；代表空气的某个标量，此处代表焓或温度；和分别代表和C的湍流扩散施基米德数，取为1.0；f是由于空气密度差（温差）引起的单位质量力，用Boussinesq假设模拟；SC是室内颗粒的发生源。在本研究对颗粒分布的数值模拟中，有以下主要假设或简化处理：(1)颗粒对湍流的影响忽略不计，这是因为建筑环境内的颗粒体积分数足够小，从而其沉降速度对湍流的影响也足够小[15]；(2)为简化计算，运动过程中颗粒由于碰撞、凝聚引起的粒径变化不予考虑；(3)由于气溶胶混合物密度差引起的质量力忽略不计，这是因为相比温差引起的质量力而言，该力足够小而可忽略。式(4)中颗粒的沉降速度是通过建立颗粒所受流体阻力和重力平衡关系得到的。流体阻力在颗粒运动的雷诺数小于1时由stokes定律得到，大于1时需进行修正，如下所示[16]：Re<1Re>1(5)其中，FD为颗粒所受流体阻力，CD为阻力系数，A为颗粒截面积，Vp为颗粒速度，达到平衡时即为颗粒沉降速度Vs。2.2边界条件入口边界条件根据风口模型给出[10]，所有变量在入口处定义。出口给定为Neuman边界条件，即指定出口空气质量流量与入口空气质量相等以满足质量守恒。壁面处采用零方程湍流模型直接模拟。颗粒边界条件：考虑颗粒在边界上的沉降，认为颗粒碰到壁面即沉降，不考虑二次悬浮。2.3数值方法基于以上的模型和边界条件，采用有限容积法离散计算区域，网格采用基于直角坐标的非均匀网格。对流项和扩散项分别采用幂指数格式和二阶中心差分格式离散。速度和压力的耦合采用SIMPLE算法进行求解[17]，动量方程采用交错网格系统。求解方法采用交替扫描的三对角解法（TDMA）。笔者自行开发的三维空调通风的空气流动计算软件STACH-3实现了以上的模型和算法，下面将用其作为模拟工具对置换通风房间内的不同风量下颗粒分布进行数值模拟和比较分析。3模拟工况本研究选取置换通风下三种不同通风量，分别为2次、5次、8次送风换气次数。三种通风量应用于同样的房间，其几何尺寸为：长(X)×高(Y)×宽(Z)=5.16m×2.43m×3.65m。图1给出该房间的示意图。送风温度取为室外温度，此处假设为14°C。表1给出了各种工况的送风条件。热源均匀分布在房间内，总发热量为740W。颗粒粒径分别为1、2.5、5、7.5、10，发生源假设在房间中部，尺寸为长(X)×高(Y)×宽(Z)=0.43m×0.244m×0.22m，大小为0.23/s，不同粒径的颗粒源强度相同。为使结果具有可比性，三种工况具有同样的热源和颗粒源。表1送风条件送风换气次数（ACH）送风速度(m/s)送风温度Tin(°C)送风颗粒浓度Cin(/kgg)2.00.0441405.00.111408.00.176140图1置换通风房间示意图（1-进风口，2-出风口，3-颗粒源）4.结果分析与讨论采用前述的STACH-3分别模拟以上各工况下的速度、温度和不同粒径颗粒浓度分布，其中置换通风室内的速度和温度分布已经得到实测数据的验证，模拟结果令人满意[10]，下面将主要讨论我们关心的颗粒的分布情况。图2给出房间中心立剖面(Z=1.825m)的在不同通风量时空气流场，图3～5为不同粒径颗粒在不同通风量房间内的浓度场。由图3～5可见，对于颗粒源在房间中部的置换通风房间内，房间上半部分的颗粒平均浓度比下半部分的相对要高，对房间内颗粒浓度总体而言，随着送风量的增加，颗粒容易被排出室外，房间内颗粒浓度会减小。从其流场图中不难找到原因（图2）：置换通风气流组织在房间的下半部分形成了一个冷空气湖，流动为水平方向且流速比较低。因此比较多的颗粒物通过热羽流作用被送到房间的上半部分，而剩下的颗粒物则在冷气湖中循环运动。随着通风量的增加，颗粒源附近的空气向上的风速增大，热羽流增强，则颗粒物更容易在房间内――特别是向房间上部扩散。对于颗粒产生源在同一位置的不同粒径的颗粒，随着通风量的变化其分布规律差别很大。对粒径为1的小颗粒而言，通风量较小的时候，颗粒集中在出风口附近，房间上部的颗粒浓度比较高，如图3（a）所示；图3（b~c）显示，随着通风量的加大，小颗粒在整个房间范围内扩散的，且扩散范围较大。由图5（a）可见，粒径为10的大颗粒，通风量小的时候，容易沉积在房间的下部；比较图5（b~c）可见，随着通风量的加大，大颗粒向出风口扩散，则房间上部浓度会增加，房间下部浓度减小。比较图3(a)和图4（a）、5（a）可见，随着粒径的增加，颗粒在房间内的分布发生变化，粒径越大，颗粒不再聚集在出风口附近，而越容易往房间下部扩散，通风房间内下部的颗粒浓度相对较高。对比图3～5可见，粒径越大，风量变化对颗粒分布的影响也越大。(a)2ACH房间气流组织(b)5ACH房间气流组织(c)8ACH房间气流组织图2不同送风量下房间气流组织比较(a)2ACH送风房间颗粒分布(b)5ACH送风房间颗粒分布(c)8ACH送风房间颗粒分布图3粒径1颗粒在不同送风量下房间内浓度比较(a)2ACH送风房间颗粒分布(b)5ACH送风房间颗粒分布(c)8ACH送风房间颗粒分布图4粒径5颗粒在不同送风量下房间内浓度比较(a)2ACH送风房间颗粒分布(b)5ACH送风房间颗粒分布(c)8ACH送风房间颗粒分布图5粒径10颗粒在不同送风量下房间内浓度比较总而言之，当颗粒污染源在房间内中心位置时，置换通风容易将颗粒污染物携带到高处从而可能对人的健康造成不利影响。随着送风量的增加，越容易促使颗粒污染物向房间上部扩散；而且粒径越小，扩散范围也越大。5结论通过数值分析比较置换通风三种不同通风量下不同粒径颗粒的分布，可得出如下主要结论：（1）置换通风下，通风量是影响室内颗粒分布的重要因素，对不同粒径的颗粒分布影响很大。即使在同样的热源和颗粒源情况下，通风量不同，室内颗粒的分布也有较大差异，从而对室内人体的健康影响也有所不同（2）同样的风量下，大粒径颗粒扩散范围比小粒径颗粒广，而且小粒径颗粒在房间上部区域浓度比较大，大粒径颗粒在房间下部区域浓度较大。随着风量的增加，小粒径颗粒在整个通风房间内扩散；大粒径颗粒容易向房间上部区域扩散。而且，粒径越大，风量变化对颗粒分布的影响也越大。（3）本文研究表明，对于置换通风的房间，选择合理的通风量，合理组织气流，对于维持室内低污染物浓度，有效防御生物污染有着重要的意义。参考文献[1]WaldmanJ.M.,Lioy.P.J.,ZelenkaM.WintertimemeasurementsofaerosalacidityandtraceelementsinWuhancityincentralChina[J].AtmosphereEnvironment,1991,25B(1):113-120[2]曹守仁.煤烟污染与健康.[M]北京：中国环境科学出版社，1992[3]刘咸德，贾红，封跃鹏.用等离子体发身光谱和等离子体质谱技术进行大气气溶胶化学分析和表征.[J]中国质谱学报.1996,17(1):1-8[4]魏复盛,ChapmanR.S.空气污染对呼吸健康影响研究.[M]北京：中国环境科学出版社，2001[5]JonesA.P.Indoorairqualityandhealth.[J]AtmosphericEnvironment,1999,33:4535-4564[6]MolhaveL.,SchneiderT.,Kjargaard,S.K.,LarsenL.,NornS.andJorgensenO.HousedustinsevenDanishoffices.[J]AtmosphericEnvironment,2000,34:4767-4779[7]WasserkortR.Fromnanoparticlestohealtheffect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