置換通風(fēng)不同風(fēng)量下顆粒分布的數(shù)值

置換通風(fēng)不同風(fēng)量下顆粒分布的數(shù)值研究摘要：室內(nèi)顆粒造成室內(nèi)空氣污染，危害人體健康，其分布作為影響室內(nèi)空氣品質(zhì)的一個(gè)重要因素，正日益受到人們的關(guān)注。通風(fēng)是稀釋、去除室內(nèi)顆粒的有效方法，通風(fēng)房間室內(nèi)顆粒分布受到很多因素的影響，包括通風(fēng)形式、送風(fēng)量、顆粒源位置等。本文采用考慮了顆粒沉降效應(yīng)的三維滑移通量（driftflux）模型，用數(shù)值模擬的方法分析了置換通風(fēng)形式下有顆粒源的房間內(nèi)，三種不同風(fēng)量下1、2.5、5、7.5、10微米五種粒徑顆粒的分布情況，顆粒源位于房間中部。結(jié)果表明：置換通風(fēng)下，風(fēng)量對(duì)不同粒徑的顆粒分布影響很大。同樣的風(fēng)量下，大粒徑顆粒擴(kuò)散范圍比小粒徑顆粒廣，而且小粒徑顆粒在房間上部區(qū)域濃度比較大，大粒徑顆粒在房間下部區(qū)域濃度較大。隨著風(fēng)量的增加，小粒徑顆粒在整個(gè)通風(fēng)房間內(nèi)擴(kuò)散；大粒徑顆粒容易向房間上部區(qū)域擴(kuò)散。而且，粒徑越大，風(fēng)量變化對(duì)顆粒分布的影響也越大。關(guān)鍵字：室內(nèi)顆粒置換通風(fēng)數(shù)值模擬1背景隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人們生活水平的提高，人們對(duì)建筑環(huán)境的要求也越來越高。人們對(duì)人居環(huán)境的要求，已經(jīng)不僅僅限于對(duì)傳統(tǒng)的溫度、速度、濕度的要求，而提升到對(duì)與室內(nèi)可揮發(fā)有機(jī)物、顆粒物質(zhì)等密切相關(guān)的室內(nèi)空氣品質(zhì)（IAQ：IndoorAirQuality）的要求上來。空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于10μm的顆粒稱為可吸入顆粒物（記做PM10），可通過呼吸進(jìn)入人體的上下呼吸道。顆粒物上富集了重金屬、酸性氧化物、有機(jī)污染物（如多環(huán)芳烴、農(nóng)藥等），并且是細(xì)菌、病毒和真菌的載體，是對(duì)人體危害最大的污染物，已引起世界各國(guó)的廣泛關(guān)注[1~4]。近年來眾多學(xué)者的研究表明，長(zhǎng)期暴露在顆粒物質(zhì)中，對(duì)人體呼吸道疾病、眼睛和皮膚過敏等健康問題影響很大[5~7]，也導(dǎo)致死亡率和發(fā)病率有所增加[8~9]。2003年春季肆虐全球的嚴(yán)重急性呼吸綜合癥（SARS:severeacuterespiratorysyndrome），其病毒微生物及載體也是一種微小的生物顆粒（0.08－0.12微米）。鑒于顆粒物質(zhì)可能造成的種種不利影響，室內(nèi)顆粒分布作為影響IAQ的一個(gè)重要因素，正日益受到人們的關(guān)注[5]。同時(shí)，模擬預(yù)測(cè)室內(nèi)顆粒分布對(duì)于評(píng)價(jià)建筑環(huán)境、指導(dǎo)實(shí)際的通風(fēng)空調(diào)的設(shè)計(jì)也有著重要意義。由于室內(nèi)顆粒會(huì)造成種種危害，所以研究影響室內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)和分布的因素以及有效去除室內(nèi)顆粒的方法具有重要意義。室內(nèi)顆粒濃度受室外顆粒濃度、換氣量、室內(nèi)顆粒發(fā)生源、顆粒沉降、顆粒穿透、顆粒二次懸浮以及人的活動(dòng)等因素影響。通風(fēng)是一種稀釋、去除室內(nèi)污染物的有效方法，可防御顆粒對(duì)室內(nèi)環(huán)境的污染。通風(fēng)房間室內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)和分布受很多因素的影響，主要是氣流組織、顆粒特性、房間的幾何特性、室內(nèi)熱源、室內(nèi)顆粒源位置等。其中氣流組織的影響包括通風(fēng)形式、通風(fēng)量、進(jìn)出風(fēng)口位置的布置等。相同房間內(nèi)不同通風(fēng)量具有不同的流場(chǎng)，顆粒在不同的流場(chǎng)中其運(yùn)動(dòng)和分布是很不一樣的。對(duì)于不同特性的顆粒，其分布和運(yùn)動(dòng)也是隨著通風(fēng)量的不同顯示出很大差異。因而，有必要研究通風(fēng)房間不同通風(fēng)量下室內(nèi)顆粒的分布，以便更有效的稀釋、去除室內(nèi)顆粒，提高IAQ。置換通風(fēng)是典型的通風(fēng)方式之一，下面將借助于數(shù)值模擬手段，對(duì)不同粒徑的顆粒在置換通風(fēng)房間內(nèi)不同風(fēng)量下的分布進(jìn)行比較、分析。2數(shù)值模擬方法對(duì)于通風(fēng)室內(nèi)的空氣流動(dòng)，本文采用集成了N點(diǎn)風(fēng)口動(dòng)量模型[10]和一個(gè)新零方程湍流模型[11]的簡(jiǎn)捷數(shù)值模擬方法進(jìn)行數(shù)值模擬。該方法已經(jīng)經(jīng)過置換通風(fēng)[10]、混合通風(fēng)[10]以及座椅送風(fēng)等算例的驗(yàn)證[12]，能取得和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好的模擬結(jié)果。對(duì)于室內(nèi)生物顆粒的氣溶膠系統(tǒng)，本文采用可考慮顆粒沉降效應(yīng)的滑移通量模型（driftfluxmodel）[13]模擬顆粒分布，相比將顆粒相簡(jiǎn)單當(dāng)作空氣被動(dòng)運(yùn)輸?shù)慕M分的處理方法而言，該模型能考慮顆粒與空氣之間的滑移，因此能更為合理地模擬室內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)和分布。目前，該模型已經(jīng)成功地被Murakami等人[14]、Holmberg和Li[13]分別用于模擬通風(fēng)空調(diào)室內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)和分布。2.1控制方程以張量形式表示的室內(nèi)空氣流動(dòng)和顆粒運(yùn)動(dòng)控制方程如下：(1)(2)(3)(4)其中，,V和P分別為空氣密度、速度和壓力；Vs是顆粒的沉降速度；C是顆粒的質(zhì)量濃度；有效動(dòng)力粘度是分子和湍流動(dòng)力粘度之和，本文采用前面提及的新零方程湍流模型模擬湍流[2]；代表空氣的某個(gè)標(biāo)量，此處代表焓或溫度；和分別代表和C的湍流擴(kuò)散施基米德數(shù)，取為1.0；f是由于空氣密度差（溫差）引起的單位質(zhì)量力，用Boussinesq假設(shè)模擬；SC是室內(nèi)顆粒的發(fā)生源。在本研究對(duì)顆粒分布的數(shù)值模擬中，有以下主要假設(shè)或簡(jiǎn)化處理：(1)顆粒對(duì)湍流的影響忽略不計(jì)，這是因?yàn)榻ㄖh(huán)境內(nèi)的顆粒體積分?jǐn)?shù)足夠小，從而其沉降速度對(duì)湍流的影響也足夠小[15]；(2)為簡(jiǎn)化計(jì)算，運(yùn)動(dòng)過程中顆粒由于碰撞、凝聚引起的粒徑變化不予考慮；(3)由于氣溶膠混合物密度差引起的質(zhì)量力忽略不計(jì)，這是因?yàn)橄啾葴夭钜鸬馁|(zhì)量力而言，該力足夠小而可忽略。式(4)中顆粒的沉降速度是通過建立顆粒所受流體阻力和重力平衡關(guān)系得到的。流體阻力在顆粒運(yùn)動(dòng)的雷諾數(shù)小于1時(shí)由stokes定律得到，大于1時(shí)需進(jìn)行修正，如下所示[16]：Re<1Re>1(5)其中，F(xiàn)D為顆粒所受流體阻力，CD為阻力系數(shù)，A為顆粒截面積，Vp為顆粒速度，達(dá)到平衡時(shí)即為顆粒沉降速度Vs。2.2邊界條件入口邊界條件根據(jù)風(fēng)口模型給出[10]，所有變量在入口處定義。出口給定為Neuman邊界條件，即指定出口空氣質(zhì)量流量與入口空氣質(zhì)量相等以滿足質(zhì)量守恒。壁面處采用零方程湍流模型直接模擬。顆粒邊界條件：考慮顆粒在邊界上的沉降，認(rèn)為顆粒碰到壁面即沉降，不考慮二次懸浮。2.3數(shù)值方法基于以上的模型和邊界條件，采用有限容積法離散計(jì)算區(qū)域，網(wǎng)格采用基于直角坐標(biāo)的非均勻網(wǎng)格。對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)分別采用冪指數(shù)格式和二階中心差分格式離散。速度和壓力的耦合采用SIMPLE算法進(jìn)行求解[17]，動(dòng)量方程采用交錯(cuò)網(wǎng)格系統(tǒng)。求解方法采用交替掃描的三對(duì)角解法（TDMA）。筆者自行開發(fā)的三維空調(diào)通風(fēng)的空氣流動(dòng)計(jì)算軟件STACH-3實(shí)現(xiàn)了以上的模型和算法，下面將用其作為模擬工具對(duì)置換通風(fēng)房間內(nèi)的不同風(fēng)量下顆粒分布進(jìn)行數(shù)值模擬和比較分析。3模擬工況本研究選取置換通風(fēng)下三種不同通風(fēng)量，分別為2次、5次、8次送風(fēng)換氣次數(shù)。三種通風(fēng)量應(yīng)用于同樣的房間，其幾何尺寸為：長(zhǎng)(X)×高(Y)×寬(Z)=5.16m×2.43m×3.65m。圖1給出該房間的示意圖。送風(fēng)溫度取為室外溫度，此處假設(shè)為14°C。表1給出了各種工況的送風(fēng)條件。熱源均勻分布在房間內(nèi)，總發(fā)熱量為740W。顆粒粒徑分別為1、2.5、5、7.5、10，發(fā)生源假設(shè)在房間中部，尺寸為長(zhǎng)(X)×高(Y)×寬(Z)=0.43m×0.244m×0.22m，大小為0.23/s，不同粒徑的顆粒源強(qiáng)度相同。為使結(jié)果具有可比性，三種工況具有同樣的熱源和顆粒源。表1送風(fēng)條件送風(fēng)換氣次數(shù)（ACH）送風(fēng)速度(m/s)送風(fēng)溫度Tin(°C)送風(fēng)顆粒濃度Cin(/kgg)2.00.0441405.00.111408.00.176140圖1置換通風(fēng)房間示意圖（1-進(jìn)風(fēng)口，2-出風(fēng)口，3-顆粒源）4.結(jié)果分析與討論采用前述的STACH-3分別模擬以上各工況下的速度、溫度和不同粒徑顆粒濃度分布，其中置換通風(fēng)室內(nèi)的速度和溫度分布已經(jīng)得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，模擬結(jié)果令人滿意[10]，下面將主要討論我們關(guān)心的顆粒的分布情況。圖2給出房間中心立剖面(Z=1.825m)的在不同通風(fēng)量時(shí)空氣流場(chǎng)，圖3～5為不同粒徑顆粒在不同通風(fēng)量房間內(nèi)的濃度場(chǎng)。由圖3～5可見，對(duì)于顆粒源在房間中部的置換通風(fēng)房間內(nèi)，房間上半部分的顆粒平均濃度比下半部分的相對(duì)要高，對(duì)房間內(nèi)顆粒濃度總體而言，隨著送風(fēng)量的增加，顆粒容易被排出室外，房間內(nèi)顆粒濃度會(huì)減小。從其流場(chǎng)圖中不難找到原因（圖2）：置換通風(fēng)氣流組織在房間的下半部分形成了一個(gè)冷空氣湖，流動(dòng)為水平方向且流速比較低。因此比較多的顆粒物通過熱羽流作用被送到房間的上半部分，而剩下的顆粒物則在冷氣湖中循環(huán)運(yùn)動(dòng)。隨著通風(fēng)量的增加，顆粒源附近的空氣向上的風(fēng)速增大，熱羽流增強(qiáng)，則顆粒物更容易在房間內(nèi)――特別是向房間上部擴(kuò)散。對(duì)于顆粒產(chǎn)生源在同一位置的不同粒徑的顆粒，隨著通風(fēng)量的變化其分布規(guī)律差別很大。對(duì)粒徑為1的小顆粒而言，通風(fēng)量較小的時(shí)候，顆粒集中在出風(fēng)口附近，房間上部的顆粒濃度比較高，如圖3（a）所示；圖3（b~c）顯示，隨著通風(fēng)量的加大，小顆粒在整個(gè)房間范圍內(nèi)擴(kuò)散的，且擴(kuò)散范圍較大。由圖5（a）可見，粒徑為10的大顆粒，通風(fēng)量小的時(shí)候，容易沉積在房間的下部；比較圖5（b~c）可見，隨著通風(fēng)量的加大，大顆粒向出風(fēng)口擴(kuò)散，則房間上部濃度會(huì)增加，房間下部濃度減小。比較圖3(a)和圖4（a）、5（a）可見，隨著粒徑的增加，顆粒在房間內(nèi)的分布發(fā)生變化，粒徑越大，顆粒不再聚集在出風(fēng)口附近，而越容易往房間下部擴(kuò)散，通風(fēng)房間內(nèi)下部的顆粒濃度相對(duì)較高。對(duì)比圖3～5可見，粒徑越大，風(fēng)量變化對(duì)顆粒分布的影響也越大。(a)2ACH房間氣流組織(b)5ACH房間氣流組織(c)8ACH房間氣流組織圖2不同送風(fēng)量下房間氣流組織比較(a)2ACH送風(fēng)房間顆粒分布(b)5ACH送風(fēng)房間顆粒分布(c)8ACH送風(fēng)房間顆粒分布圖3粒徑1顆粒在不同送風(fēng)量下房間內(nèi)濃度比較(a)2ACH送風(fēng)房間顆粒分布(b)5ACH送風(fēng)房間顆粒分布(c)8ACH送風(fēng)房間顆粒分布圖4粒徑5顆粒在不同送風(fēng)量下房間內(nèi)濃度比較(a)2ACH送風(fēng)房間顆粒分布(b)5ACH送風(fēng)房間顆粒分布(c)8ACH送風(fēng)房間顆粒分布圖5粒徑10顆粒在不同送風(fēng)量下房間內(nèi)濃度比較總而言之，當(dāng)顆粒污染源在房間內(nèi)中心位置時(shí)，置換通風(fēng)容易將顆粒污染物攜帶到高處從而可能對(duì)人的健康造成不利影響。隨著送風(fēng)量的增加，越容易促使顆粒污染物向房間上部擴(kuò)散；而且粒徑越小，擴(kuò)散范圍也越大。5結(jié)論通過數(shù)值分析比較置換通風(fēng)三種不同通風(fēng)量下不同粒徑顆粒的分布，可得出如下主要結(jié)論：（1）置換通風(fēng)下，通風(fēng)量是影響室內(nèi)顆粒分布的重要因素，對(duì)不同粒徑的顆粒分布影響很大。即使在同樣的熱源和顆粒源情況下，通風(fēng)量不同，室內(nèi)顆粒的分布也有較大差異，從而對(duì)室內(nèi)人體的健康影響也有所不同（2）同樣的風(fēng)量下，大粒徑顆粒擴(kuò)散范圍比小粒徑顆粒廣，而且小粒徑顆粒在房間上部區(qū)域濃度比較大，大粒徑顆粒在房間下部區(qū)域濃度較大。隨著風(fēng)量的增加，小粒徑顆粒在整個(gè)通風(fēng)房間內(nèi)擴(kuò)散；大粒徑顆粒容易向房間上部區(qū)域擴(kuò)散。而且，粒徑越大，風(fēng)量變化對(duì)顆粒分布的影響也越大。（3）本文研究表明，對(duì)于置換通風(fēng)的房間，選擇合理的通風(fēng)量，合理組織氣流，對(duì)于維持室內(nèi)低污染物濃度，有效防御生物污染有著重要的意義。參考文獻(xiàn)[1]WaldmanJ.M.,Lioy.P.J.,ZelenkaM.WintertimemeasurementsofaerosalacidityandtraceelementsinWuhancityincentralChina[J].AtmosphereEnvironment,1991,25B(1):113-120[2]曹守仁.煤煙污染與健康.[M]北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1992[3]劉咸德，賈紅，封躍鵬.用等離子體發(fā)身光譜和等離子體質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行大氣氣溶膠化學(xué)分析和表征.[J]中國(guó)質(zhì)譜學(xué)報(bào).1996,17(1):1-8[4]魏復(fù)盛,ChapmanR.S.空氣污染對(duì)呼吸健康影響研究.[M]北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)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.Fromnanoparticlestohealtheffects.PhysicsofLowDimensionalSystem.[M]Moran-Lopes,J.L.ed.,KluwerAcademy/PlenumPublishers,NewYork,2001,pp.169-179[8]MageD.,WilsonW.,HasselbladV.andGrantL.Assessmentofhumanexposuretoambientparticulatematter.[J]JournalofAir&WasteManagementAssociation,1999,49:1280-1291[9]DockeryD.W.andSpenglerJ.D.Indoor-outdoorrelationshipsofrespirablesulfatesandparticles.[J]AtmosphericEnvironment,1994,15:335-343[10]Zhao,B.,LiX.,andYanQ.Asimplifiedsystemforindoorairflowsimulation.BuildingandEnvironment,2003,38(4):543-552[11]Chen,Q.andXu,W..Azero-equationturbulencemodelforindoorairflowsimulation.EnergyandBuildings,1998,28(2):137-144.[12]Zhao,B.,Lu,J.,Li,X.Numericalsimulationofairdistributioninchairventilatedroombysimplifiedmethodology.ASHRAETransactions,2002,108:1079