室外颗粒污染物的传播特性研究

2015-08-22李雪洋

科技视界 2015年24期

李雪洋

(重庆交通大学机电与汽车工程学院，中国重庆 400074）

随着生活水平的提高，室内外环境的空气品质备受人们关注。已有相当多的学者对建筑空间（包括街谷与建筑群）中风场以及对污染物扩散[1]、温度场以及对污染物扩散、室内外颗粒物污染特性[2]等规律进行了研究，但是这些研究中都将建筑物简化为了封闭的长方体，鲜有针对建筑壁面存在通风口（门或窗口）时以及不同窗口开启度情况下室外颗粒污染物在建筑周围传播规律的研究，根据已有实测调查数据（东华大学实测调查数据），选取不同建筑窗口开启度进行数值模拟计算，分别为：不开窗、中等窗口开启度（窗口总面积与建筑立面面积之比为4.44%）、高等窗口开启度（窗口总面积与建筑立面面积之比为9.78%）。根据模拟计算，分析不同窗口开启度对建筑周围流场、压力场的变化规律。

1 物理模型及数值方法的描述

本文的研究对象选取了对称分布的住宅小区为模型背景，建立了如图1所示的物理模型：

图1 住宅小区物理模型

图中，计算模型的坐标系中X=0位于前栋建筑的横向中心，Y=0位于地面，Z=0位于前栋建筑迎风面，方形建筑尺寸为15m×45m×15m(宽×长×高)，建筑之间街谷的宽度为20m。每栋建筑都布置有15个开窗房间，房间尺寸为3m×15m×3m(宽×长×高)，建筑两侧的窗口面积相等，当窗口尺寸为1m×2m时表示中等窗口开启度，当窗口尺寸为2m×2.2m时表示高等窗口开启度。本文划分网格选取非结构化六面体网格，本文的网格数为177万。

2 边界条件的设定

本文选用以欧拉—拉格朗日方法为基础的DPM模型。将气体相视为三维连续不可压缩流体，在欧拉坐标系下满足N—S方程；将颗粒相视为离散体系，通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离散相颗粒的轨道。

本文颗粒源为1m宽的面源，位于街谷中央，颗粒源的质量流量为3g/s，由于颗粒污染物选取室外PM2.5，因此颗粒粒径选取 2.5μm，颗粒密度取1550kg/m3。采用数值方法模拟计算的边界条件设置如下。

连续相边界条件：采用标准模型（双方程模型）。对整个计算域来说，入口采用UDF根据风速随高度变化曲线编写的速度廓线，其中地面粗糙度 m=0.2375,并设置为速度入口（velocity inlet）。

出口和计算域上部截面采用压力出口(pressure outlet)，计算区域前后侧面采用对称边界（symmetry）,所有建筑壁面以及地面采用无滑移边界条件。求解器选择定常压力求解器。

离散相边界条件：壁面（wall）、对称面（symmetry）均为反射（reflect）边界条件，并且恢复系数均为 1.0，速度入口（velocity inlet）、压力出口(pressure outlet)均采用逃逸（escape）边界条件。粒子追踪选择非定常追踪。

3 模拟计算结果及分析

3.1 不同窗口开启度流场分布

建筑立面两侧有通风口时，会在室内形成穿堂风，这样就会对建筑周围以及室内的流场产生影响。通过模拟分析得到，当来流风沿街谷垂直方向吹向建筑小区时，风流在两建筑中间及其前后都形成顺时针涡流，并且在迎风建筑的背风侧流线沿竖直方向向上，形成“爬墙效应”。中心面（X=0）处涡流主要聚居在背风建筑的迎风侧，接近屋顶高度。随着剖面向建筑边缘移动，涡流位置逐渐向下移动，并且略微向迎风建筑背风侧靠近。

由穿堂风引起的建筑空间整个流场的扰动，与建筑之间的流场共同作用，加强了气流沿竖直方向的速度，造成建筑之间漩涡形成的位置发生改变，涡流更加靠近背风建筑迎风面。由此可见，窗口开启度越大，对建筑小区街谷内气流沿竖直方向的强化作用越强。当空气流体携带颗粒运动时，有利于颗粒污染物向高空扩散。此外，窗口开启度加强了迎风建筑室内空气扰动，强化了穿堂风速，而背风建筑则影响不大，气流速度相对较低，颗粒污染物到达背风建筑后不容易向远处传播扩散。

3.2 不同窗口开启度静压分布

窗口开启程度必然会对室内外压力差产生影响，因此分析压力场的变化是必要的。在建筑的典型位置（不受开窗气流干扰）处设定了压力监测点，对各点处静压随高度变化进行分析。通过模拟分析得到迎风建筑的迎风侧以及背风建筑的背风侧各点的静压值受窗口开启度的影响较小，静压值随高度变化规律相似，而建筑街区内侧各静压值受窗口开启度影响较大，不可忽略。