室內PM2.5與氣流組織的模擬研究

王 虹,段煥林,陳愛東

(河南工程學院 土木工程學院,河南 鄭州 451191)

室內是人們生活和工作的主要場所,其空氣質量直接影響人類的健康。PM2.5是室內空氣的主要污染物之一,合理的室內氣流組織設計,對PM2.5的分布及人體健康有較大影響。PM2.5很容易隨氣流流動,室內的氣流分布直接影響其分布,空調房間良好的氣流組織形式能有效地提高室內環境的舒適性。楊品德等[1]針對某辦公樓室內 PM2.5進行了設計和分析,為室內 PM2.5的治理提供了一定參考。

近年來,國內外許多學者對PM2.5進行了大量的研究工作,主要有實驗研究和理論研究兩類,其中數值模擬是理論研究中一種重要的方法[2-5]。鄭磊[6]通過實驗對教室室內PM2.5污染進行了研究,采用新風系統追加PM2.5過濾裝置的控制策略,改善了室內空氣品質。劉宇等[7]基于實驗數據,驗證了顆粒物分布模擬結果的準確性,并得出房間氣流組織是影響室內 PM2.5空間分布最重要的因素。本研究對某空調房間采用CFD軟件包FLUENT軟件建立了物理模型,對空調房間常用的上送上回、上送下回、側送側回3種氣流組織形式下的PM2.5分布特性進行了數值模擬,分析了不同氣流組織形式與室內顆粒物濃度分布之間的關系,并且提出了合理的建議。

1 模型的建立

1.1 物理模型及網格劃分

本研究以某辦公室為研究對象進行模擬,辦公室的長、寬、高分別為5 m、4 m、3 m,門高2 m、寬1.1 m,窗戶距地面0.9 m、長2 m、寬1.5 m。室內有一張桌子和兩把椅子,總冷負荷為1.95 kW(不考慮燈光照明等其他因素產生的負荷)。室內設計溫度為24 ℃,送風溫度為18 ℃,送風口為0.2 m × 0.2 m的正方形,回風口為0.4 m × 0.1 m的長方形。本研究采用Gambit進行建模,并對實物進行了簡化:桌子模型長、寬、高分別為1.5 m、1.0 m、1.0 m,椅子模型長、寬、高分別為0.4 m、0.5 m、0.4 m,人體模型尺寸為0.3 m × 0.4 m × 1.2 m(人坐于椅子上)。

本研究分別對上送上回、上送下回、側送側回3種氣流組織進行了模擬。在上送上回模型中,房間里送、回風口各一個,分別位于房間的頂部。在上送下回模型中,房間里送、回風口各一個,送風口位于房間的頂部,回風口位于房間的底部。側送側回模型中,送風口位于一面墻上部,距離地面約2.5 m;回風口位于對側一面墻,距離地0.5 m。3種物理模型均采用Split Volume命令和Subtract Volumes命令將房間的門、窗、送風口、回風口以及人、桌子、椅子進行切割融合,并與房間模型整合為一體。圖1為側送側回風口房間模型示意圖。

圖1 側送側回風口房間模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the side supply and side return room model

網格的數量及質量直接影響模擬計算的準確性,網格數量并不是越多越好,而是要根據具體的模型尺寸和復雜程度進行劃分。本研究中有人員、桌椅、風口等不同尺寸的模型,故采用Gambit對模型進行網格劃分時需要設置不同間隔的網格尺寸:送、回風口所在空間Interval Size設置為20,桌子(桌面為污染源)所在的空間Interval Size設置也為20,除此之外的空間均采用Interval Size設置為50的網格;Hex(六面體網格形式)為網格劃分元素;劃分類型采用Map與Submap混合形式。

以上送上回氣流組織模型為例,該模型網格劃分為1 014 324個面網格(faces)、981 578個體網格(cells)、798 582個網格節點(nodes),具體如圖2所示。

圖2 網格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of grid division

1.2 數學模型

數學模型的建立基于以下假設:1)室內氣流為定常流、低速、不可壓縮的牛頓流體,忽略其黏性引起的耗散;2)室內熱源均勻或無大的溫度浮動;3)顆粒直徑為1～10 μm,顆粒為球狀、無相變,顆粒之間無化學反應,以初始狀態均勻分布在空氣中。

1.2.1連續相模型

本研究選用的是 RNGk-ε模型,RNGk-ε模型相比于k-ε模型,提高了原模型處理高應變率及流線彎曲程度較大流動的能力。

渦黏系數:

(1)

k方程:

(2)

ε方程:

(3)

式(1)至式(3)中:Cμ=0.09,c1=1.44,c2=1.92,σk=1.0,σε=1.33。

壁面附近的流動視為簡單的紊流邊界層流動,采用壁面函數法。

1.2.2離散相模型(DPM)

本研究中PM2.5的體積分數小于10%,因此使用DPM模型。氣流中,在重力、浮力、壓力等的綜合作用下,微小固體顆粒的速度基本沒有變化。

顆粒相在X方向上的運動方程為

(4)

顆粒相與連續相的耦合有單向耦合和雙向耦合兩種方式,雙向耦合比單向耦合較難收斂。本研究考慮了流體與顆粒的相互影響,在DPM中選用了雙向耦合。

2 邊界條件

在RNGk-ε模型中,近壁采用壁面函數處理;在DPM模型中,選擇薩夫曼升力(Staffman lift force)。每迭代1次連續相迭代10次,僅考慮薩夫曼升力的影響,并考慮紊流效應。送風口的風速設為2.5 m/s,送風口定義為velocity-inlet,回風口定義為自由出口(outflow),門窗和墻的邊界類型為trap,散發污染物的桌面DPM模型設置為escape。由于桌面設為模型的污染源,故設置Z軸即桌面法線的擴散速率為0.002 m/s,X軸和Y軸的擴散速率為默認值?？諝饷芏炔捎?.225 kg/m3,球形顆粒的材料設為ash-solid、密度為600 kg/m3。模擬實驗的質量流動速率為0.000 03 kg/s。

3 結果與分析

3.1 上送上回

上送上回式氣流組織中,風從房間上部進入,氣流會從送風口沿著側墻壁慢慢向回風口擴散。風進入房間后,氣流影響范圍很小且分布不均勻。上送上回式氣流組織的氣流速度分布見圖3。如圖3所示,氣流靠墻側慢慢向房間中部擴散,在高度為1.3 m時,送風速度可達到0.8 m/s左右;在到達人體頭部位置時(距離地面約1.1 m),水平面風速在0.7 m/s 左右。由此可見,速度隨著高度變化較快。模擬結果還顯示,當送風速度在東、西墻壁處達到0.5 m/s時,部分氣流會較均勻地在房間里分布。

圖3 Z=1.3 m時氣流速度分布(上送上回)Fig.3 Air velocity distribution diagram at Z=1.3 m for upward delivery and upward returning

上送上回式氣流組織中,氣流的流速矢量分布見圖4。由圖4可以看出,房間中部區域靠近回風口處(距地面約1.2 m),空氣反方向運動形成分布不勻的漩渦,且比送風口下方漩渦的影響范圍要大。氣流運動方向較亂,向周圍不規則擴散。

圖4 Z=1.2 m時氣流的流速矢量分布(上送上回)Fig.4 Velocity vector plot at Z=1.2 m for upward delivery and upward returning

上送上回式氣流組織的PM2.5污染物分布見圖5。由圖5可以看出,在上送上回式氣流組織的模型中,污染物大多都滯留在房間里,并沒有隨氣流從回風口排出,這導致房間里聚集的污染物越來越多,室內空氣質量得不到有效改善。

圖5 房間污染物分布(上送上回)Fig.5 Pollutant distribution map of the room for upward delivery and upward returning

3.2 上送下回

上送下回式氣流組織中,風從房間上部進入后,沿墻壁速度逐漸降低,到達人體附近時,速度約為0.8 m/s。模擬結果顯示,氣流向布置在房間下部距地面0.5 m的回風口流動時,空氣流動分布不均勻現象加重,在貼近地面時風速分布最不均勻。氣流由上部向地面方向運動,桌面處的污染物也隨著氣流向地面擴散,從而進入回風口。

上送下回式氣流組織中,房間桌面處污染物分布見圖6。由圖6可以看出:約從7.6 s開始,污染物從桌面向下運動;約在19 s時,房間里仍有部分污染物向回風口處流動。 此種氣流組織下,污染物分布范圍窄,隨氣流整體向回風口運動,對人體危害較小。

圖6 桌面處污染物分布(上送下回)Fig.6 Distribution of pollutant at the desktop for upward delivery and downward return

3.3 側送側回

側送側回式氣流組織中,送、回風口分別設在相對的兩面墻上部。風以2 m/s的速度從風口進入房間,影響范圍較大,但在垂直方向影響逐漸變小。在人體頭部高度所在空間,風速約為0.2 m/s,在回風口處風速約為0.7 m/s。側送側回氣流組織風口處氣流的流速矢量分布見圖7。如圖7所示,氣流從送風口進入后向地面運動,在送風口垂直方向形成一個漩渦,漩渦中心風速可達0.8 m/s左右?；仫L口附近靠近房間中部區域的空氣分布較均勻,氣流遇到墻時也會形成一個漩渦,此時中心最高風速較低,為0.15 m/s左右。

圖7 風口處氣流的流速矢量分布(側送側回)Fig.7 Velocity vector diagram at the air outlet for side delivery and side returning

側送側回式氣流組織中,房間桌面處污染物分布見圖8。如圖8所示,在側送側回送風模型中,桌面處的PM2.5因送風氣流的作用向四周擴散,經過9.1 s后,部分污染物開始向回風口方向擴散,而在約第22 s,房間里仍有大量顆粒物懸浮。

圖8 桌面處污染物分布(側送側回)Fig.8 Distribution of pollutants at the desktop for side delivery and side returning

4 結論

本研究采用CFD軟件包FLUENT軟件對3種不同的氣流組織形式建立物理模型,并對其進行數值模擬分析,研究發現:

1)3種模型都在送風口處對周圍氣流產生影響,且垂直于送風方向的影響范圍比沿送風方向大。

2)側送側回式氣流組織中,PM2.5的濃度在人體頭部高度擴散較快;上送下回氣流組織中,從送風口進入的新風,沿送風口垂直方向形成一個漩渦,導致桌面處的污染物在垂直方向較難擴散,且向地面擴散較多,更多的顆粒物聚集在地面,所以PM2.5濃度較高。在此氣流組織下,人體附近的風速可保持在0.2 m/s左右,滿足設計規范的要求,而且空氣流動較穩定,具有較好的舒適感,但在這種氣流組織下,去除污染物的效果不夠明顯。

3)相比于另外兩種氣流組織,上送上回氣流組織的房間里聚集了較多的顆粒物,較少的顆粒物向回風口處擴散并且散布在房間上方。