暖通專業(yè)畢業(yè)論文

1、應用數(shù)值模擬研究室內空氣應用數(shù)值模擬研究室內空氣污染控制污染控制答辯人：趙慧玲答辯人：趙慧玲 指導老師：杜震宇指導老師：杜震宇第一部分第一部分 研究背景及研究現(xiàn)狀介紹研究背景及研究現(xiàn)狀介紹 人的一生大約有80%的時間是在室內度過的，室內環(huán)境對人們的生活和工作質量的影響遠遠超過室外環(huán)境。 據(jù)統(tǒng)計,室內環(huán)境污染已經(jīng)引起36%的呼吸道疾病, 22%的慢性肺病和15%的氣管炎,支氣管炎。全世界每年有2400萬人的死亡與室內污染緊密相關。全球每年因IAQ問題造成的病態(tài)建筑綜合癥使生產效率下降了2.8-11%, 共計損失約100-700億美元。北京化學物質鑒定中心報道, 北京市每年由建材引起的污染中毒人數(shù)

2、達萬人。在我國, 由于新建建筑多、裝修量大, 兼之建筑裝飾裝修材料市場不規(guī)范, 產品魚龍混雜, IAQ問題較發(fā)達國家嚴重得多。近年來，人們已經(jīng)認識到室內空氣品質問題的重要性與迫切性，室內空氣品質問題也成為當前建筑環(huán)境領域的一個研究熱點。室內空氣污染源散發(fā)特性室內空氣污染源散發(fā)特性 室內空氣污染包括物理性污染、化學性污染、生物性污染。其中化學性污染是指由化合物和懸浮顆粒物等引起的污染，室內空氣污染主要是人為污染，其中以化學性污染最為突出，本論文主要討論由化學性污染引起的IAQ問題?；瘜W性污染物主要以分子狀態(tài)存在，包括無機化合物、有機化合物及放射性物質等，這些室內空氣污染物主要來源于建筑圍護結構及

3、其表層材料 。本論文中污染物研究對象甲醛就是一種具有代表性的有機化合污染物，co2是室內普遍存在的無機化合污染物。室內空氣污染物普遍具有污染物濃度低，持續(xù)散發(fā)的特性，一些污染物的散發(fā)甚至持續(xù)幾年至數(shù)十年。污染物控制技術的發(fā)展現(xiàn)狀污染物控制技術的發(fā)展現(xiàn)狀 目前污染物的控制技術主要有活性炭吸附法、光催化法、等離子體放電、植物凈化等方法。1. 活性炭吸附法活性炭吸附法 活性炭吸附是最常用的一種降低室內空氣污染的技術，目前市場中的空調、空氣凈化器里的吸附過濾層大多都是活性炭。但吸附劑的吸附性能隨環(huán)境溫度、壓力、濕度的改變存在不穩(wěn)定性，吸附量難以確定，并且一旦達到吸附平衡時，就不再具有吸附能力，必須更換

4、吸附劑，否則不但失去凈化作用還會成為污染源造成二次污染。2. 光催化法光催化法 納米TiO2光催化技術，也稱光觸媒技術 。但研究發(fā)現(xiàn)對揮發(fā)性有機化合物的光催化會產生有害的副產物如CO和O3，反應的最終產物不穩(wěn)定。3. 等離子體放電等離子體放電 等離子體化學是一門涉及多個學科的交叉學科，包括高能物理、放電物理、放電化學、反應工程學以及高壓脈沖技術等。80年代等離子體技術主要應用于煙氣脫硫和脫硝等大氣污染控制方面。近幾年等離子體凈化空氣的研究也是熱點。4. 植物凈化植物凈化 某些植物能去除多種空氣污染物, 提高空氣質量。但對植物凈化方法的研究還很少。 5. 通風改善室內空氣品質通風改善室內空氣品質

5、 針對室內污染的復雜性，在客廳與臥室中經(jīng)濟、合理的組織自然通風、增加機械通風，用室外新鮮空氣來稀釋室內空氣污染物，是最方便快捷地降低室內污染物濃度的方法 第二部分第二部分 本文研究內容本文研究內容一一. 研究目的研究目的 針對住宅室內空氣質量差，污染物濃度嚴重超標的現(xiàn)狀，自然通風無法滿足人們對室內空氣品質的要求，提出了一種全新的住宅室內通風方式：這種通風方式主要是采用具有能量回收功能的住宅用新風換氣機，可有效地降低室內污染物濃度。二二. 研究內容研究內容主要研究內容如下： 根據(jù)裝修材料污染物散發(fā)過程的傳質機理, 以典型的住宅（內設障礙物、污染源和熱源）為物理模型，針對沒有機械通風和具有機械通風

6、兩種情況對房間內的速度場、溫度場以及污染物濃度場的分布進行數(shù)值模擬。 對兩種通風方式下的模擬結果進行通風效果的比較，通過二氧化碳、甲醛兩種污染物在室內的分布情況，揭示通風效率對室內空氣品質的影響。綜合研究計算結果，提出利用機械通風對改善住宅室內的污染物濃度的作用，為室內空氣品質的研究和優(yōu)化設計提供建議。第三部分第三部分 新風換氣機介紹新風換氣機介紹新風換氣機結構圖新風換氣機結構圖熱量回收概念熱量回收概念一、夏季示意圖一、夏季示意圖二、冬季示意圖二、冬季示意圖第四部分第四部分 數(shù)值模擬的理論及方法數(shù)值模擬的理論及方法建立數(shù)學模型及確定求解方法是建立數(shù)學模型及確定求解方法是CFD包含的主要環(huán)節(jié)包含

7、的主要環(huán)節(jié): 本文采用三維非穩(wěn)態(tài)湍流，常物性，強制對流模型對物理模型進行數(shù)值模擬。控制方程包括：連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、湍流動能k方程 、耗散率方程以及組分濃度控制方程。近壁處理采用標準壁面函數(shù)法。 采用SIMPLE算法進行差分方程的求解。 SIMPLE 算法(包括各種改進方案)是不可壓縮流體的NS方程數(shù)值求解中廣泛應用的算法，并且已被成功地應用于壓縮流體流場地數(shù)值計算中。 第五部分第五部分 模擬實施及結果分析模擬實施及結果分析用FLUENT程序求解問題的步驟如下：（1）確定幾何形狀，生成計算網(wǎng)格（網(wǎng)格生成可以用GAMBIT生成網(wǎng)格，也可以讀入其它指定程序生成的網(wǎng)格）。（2）選擇2D或

8、3D 來模擬計算。（3）輸入網(wǎng)格。（4）檢查網(wǎng)格。（5）選擇解法器。（6）選擇求解的方程：層流或湍流（或無粘流），化學組分或化學反應，傳熱模型等。確定其它需要的模型如：風扇、熱交換器、多孔介質等模型。一、一、FLUENT介紹介紹（7）確定流體物性。（8）指定邊界條件。（9）設置計算控制參數(shù)。（10）流場初始化。（11）計算。（12）檢查結果。（13）保存結果，后處理等。二、物理模型二、物理模型三、模型的簡化假設三、模型的簡化假設（1）連續(xù)性的介質（2）定常的流場（3）不可壓縮的空氣（4）墻壁，天花板和地板的假設四、邊界條件設定四、邊界條件設定表5-1 主要的邊界類型設定Table 5-1 Th

9、e main test types and the boundary value邊界名稱邊界名稱邊界類型邊界類型邊界設置邊界設置送風口速度入口(velocity-inlet)送風速度1.5 m/s及溫度288K回風口流出口(outflow)門流出口(outflow)地板壁面(wall)定溫300K南墻壁面(wall)定溫285K北墻壁面(wall)絕熱西墻壁面(wall)絕熱東墻壁面(wall)絕熱天花板壁面(wall)絕熱人壁面(wall)定溫310K電腦壁面(wall)定溫310K燈壁面(wall)定溫310K書柜及書桌正面污染物（甲醛）入口釋放量CO2污染物（CO2）入口釋放量流場初始溫

10、度初始化293K五、計算條件五、計算條件 模型計算主要是以太原地區(qū)冬季氣象資料為參考條件，室內為地板輻射采暖，室內初始溫度設定為18，相對濕度均為40，機械送風速度取1.5m/s，排風速度1.4 m/s左右（模型設計邊界條件為流體出口）。假設房間內存在污染源CO2（室內人員的呼吸），其釋放量為1.3E-5kg/s（按每人14L/h計算）；甲醛CH2O（衣柜正面及書桌正面釋放），其釋放量為1.8E-11Kg/s。 計算采用紊流模型中的“重整化群”（RNG）模型，彼此之間不發(fā)生化學反應的多重組分（Specie）模型。 五、速度場模擬結果及分析五、速度場模擬結果及分析x=1.5m速度場分布圖（A）

11、y=1.5m速度場分布圖（A） x=1.5m速度場分布圖（B） 圖4-16 z=1.2m速度場分布圖（B） 以上所示速度場分布圖截面分別取自房間的對稱面、送風口、排風口以及人員活動的呼吸面。從圖中可以看出在有換氣機和無換氣機兩種情況下，房間內的主要區(qū)域速度都小于0.2m/s，都達到了標準要求，說明機械送風對房間內的速度場影響不大，房間內人員活動也不會有吹風感。從圖4-11、圖4-12可以看出房間內部分區(qū)域存在漩渦，原因和室內送、排風口的布置以及家具的擺放位置有關，送、排風口的布置對室內的氣流組織有很大影響；同時，模擬時排風口的邊界類型為outflow，如果有試驗數(shù)據(jù)可將排風口設為壓力出口，模擬

12、結果將更接近實際的流場。 由速度場的模擬結果來看，設新風換氣機對室內速度場的影響較小，比較理想 z=1.2m溫度場分布圖（A） 五、溫度場模擬結果及分析五、溫度場模擬結果及分析z=1.2m溫度場分布圖（B） 圖中溫度場分布圖分別截取自房間的縱向對稱面（x=1.5m，y=1.5m），以及人員的呼吸面（z=1.2m）?？梢钥闯鰞煞N情況下，室內的溫度場都達到了設計溫度290K。比較圖4-19與圖4-22可以看出，在z=1.2m平面上，兩種條件下的室內溫度相差45，設新風換氣機條件下室內溫度偏低，這是因為模擬的條件是冬季，新風換氣機的熱交換器效率并不是100%。圖4-18、4-20、4-21、4-22

13、中顯示出溫度場存在局部高溫的情況，這是因為本文模擬的是穩(wěn)態(tài)情況，室內熱源的邊界設定是給定熱源溫度，使得溫度場的模擬結果與實際有了偏差。 由設新風換氣機條件下溫度場的模擬結果可以看出，新風換氣機在為室內連續(xù)微量的送入新風的同時，也有效的回收了能量，同時室內的溫度場分布也比較均勻。五、濃度場模擬結果及分析五、濃度場模擬結果及分析x=1.5m甲醛濃度場分布圖（A） z=1.2m甲醛濃度場分布圖（A） x=1.5m甲醛濃度場分布圖（B）z=1.2m甲醛濃度場分布圖（B） z=1.2mCO2濃度場分布圖（A） z=1.2m CO2濃度場分布圖（B） 分析以上各圖可以看出，隨氣流方向，甲醛濃度分布變化較大

14、，存在較高的濃度梯度，而在室內的一些區(qū)域內，濃度幾乎沒有變化。圖中存在個別渦旋區(qū)的濃度較高的現(xiàn)象，這和室內的氣流組織有關，因此優(yōu)化送、排風口的布置，可減少渦旋區(qū)的產生，降低局部區(qū)域的濃度。同時，邊界條件設置的污染入口附近也存在高濃度甲醛的分布，這是因為模擬中設定的甲醛釋放面較小，而實際情況下甲醛的揮發(fā)面大。 對兩種條件下模擬結果進行總體分析，可以看出設新風換氣機條件下室內甲醛濃度明顯降低，主要區(qū)域均達到了室內空氣質量標準要求的0.1mg/m3，局部高濃度僅存在房間的死區(qū)，人的呼吸面濃度很低；而同等條件下無機械通風時，室內甲醛濃度嚴重超標，冬季北方開窗較冷，且開窗熱量損失大，因此自然通風不能起到

15、降低污染物濃度的作用，長期在高濃度污染物的環(huán)境里生活，將嚴重影響健康。 CO2的分布情況和甲醛的分布情況有很多相似的地方，都是隨著氣流的方向濃度分布變化比較大，呈現(xiàn)一定的濃度分布梯度。污染物較高的地方多集中在容易產生氣流“死角”和漩渦較大的地方。由圖示可以看出在污染源揮發(fā)面處的濃度較高，主要原因是CO2污染源比較集中，且揮發(fā)面面積相對較小造成的。 在其他條件同等的情況下，設新風換氣機時室內的CO2濃度明顯的減少，其平均濃度小于規(guī)定的0.1，滿足室內CO2濃度分布要求。無機械通風情況下，室內的污染物濃度普遍較高，嚴重超標，尤其是人員的呼吸面空氣品質很差。第六部分第六部分 進一步的工作建議進一步的工作建議 數(shù)值模擬計算的結果雖然與實際符合程度很高，但是模擬過程中，仍有一些需要改進的地方：（1）空調通風房間實際的送風口幾何形狀很復雜，其入流邊界條件很難描述。目前主要采用間接描述的盒子類風口模型和直接描述類風口模型