浮射流特性对工业建筑室内污染物分布影响研究*

陈朝　黄艳秋　王怡　闫翻辽　第五徐涛

(西安建筑科技大学环境与市政工程学院　西安 710055)



浮射流特性对工业建筑室内污染物分布影响研究*

陈朝黄艳秋王怡闫翻辽第五徐涛

(西安建筑科技大学环境与市政工程学院西安 710055)

摘要在前人实验数据误差分析的基础上，基于空间热及污染物分布相关理论，采用数值模拟方法，对不同浮射流强度下热及污染物分布过渡区进行研究。研究表明，浮射流强度较低(如373 K)时，污染物分布过渡区将增厚，部分污染物由于扩散作用将与热出现明显分离现象，扩散至建筑下部空间，影响工艺及人员健康。

关键词浮射流温度分布污染物分布过渡区

0引言

在焦化、钢铁冶金、汽车制造及科学实验室等工业建筑中，常常有各种形式的热源及有毒有害污染物存在，对生产工艺造成破坏的同时，还将对作业人员的身心健康形成巨大威胁。目前对建筑内部热及污染物分布规律的研究，主要集中在对自然通风房间内部热源伴生热羽流引起的建筑内部热分布特性方面，还有许多学者[1-3]对热压通风和地板送风等通风系统展开了研究，给出了一般空间的下热压通风原理及利用热分层进行室内环境设计的许多方法。而当工业建筑内有浮射流出现时，这些浮射流产生的扰动(如浮射流初始温度、初始速度等)会对废热及污染物的空间分布造成很大影响，但鲜有对此类问题进行研究。

一般认为，污染物的质量扩散主要由浓度梯度引起，这种情况称为普通扩散[4]。通常认为在厂房内处于上部热污染区以下是安全洁净的，而在上部热污染区与下部冷洁净区之间存在一个过渡区(如图1)。过渡区越薄，三区域分布越清晰，越有利于对热污染及污染物污染的控制。本文通过过渡区最大梯度值对其特性进行详细分析，这将对界定分层高度等问题具有重要意义。

图1　热及污染物空间分布示意图

本文在前人对房间内具有浮射流的温度及污染物分布研究的基础上利用浮射流的温度与污染物扩散相关理论，通过数值模拟方法，对建筑空间内温度与污染物浓度分布的异同进行了讨论，且通过过渡区最大梯度值对污染物及热分布过渡区特性进行详细论述。这将对具有不同浮射流特性的工业建筑内环境的余热及污染物的捕集具有一定的指导意义。

1研究方法

1.1数值模拟控制方程

对于三维空间稳态下，根据质量守恒所建立的空间污染物运输方程，可用通用方程形式(1)[5]

∂(ρφ)/∂t+div(ρφu)=div(Γgradφ)+S

(1)

式中，φ为通用变量，可以代表u，v，w，T等求解变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源相。

本文运用的数值模拟计算，默认建筑物内部空气为连续不可压气体。为了充分体现室内浮射流对建筑内部空气流动的影响，故把进风口、出风口分别设为压力入口和压力出口；浮射流入口设为速度入口(若为纯羽流，则速度值设为0)；湍流模型设置为Realizablek-ε模型；采用SIMPLE算法[6]，模拟工况会出现空气温度、密度及热物性的变化，故采用线性差分方法对这些物理量进行设置。绘制网格时对浮射流源处进行局部加密处理以获得更准确的流场特性，最小最大网格分别为0.04，0.4，加密倍数1.1。并对生成的网格进行无关性检验。针对污染物计算部分启用组分传输模型。

1.2数值模拟的有效性验证

将本文的数值模拟计算结果与前人的实验测量值[7]进行对比以验证数值模拟的有效性。实验建筑搭建在一个高大宽敞的实验大厅内，长、宽、高分别为2.7 ，2.4，2.7m，南北两侧分别设进、排风口，大小均为0.40m×0.25m。室内平板热源(尺寸0.20m×0.20m，离地面高0.42m)的表面均覆盖导热性能很好、表面发射率很低的铝板，热源功率为300W。

污染物设置为氨气，温度和浓度值进行了无量纲化处理，T，Tm，Tc，ωm分别代表某一高度温度(K)、垂直最大温度(K)、周围环境温度(K)及污染物最大浓度(kmol/m3)。无量纲高度z/H为某位置距离与地面垂直距离之比，无量纲温度(T-Tc)/(Tm-Tc)表示局部某位置温度与环境温度差值和最大温度与环境温度差值之间的比值，见图2。从图2中可以看出，在距离地面无量纲高度0.2以上出现明显的温度阶跃现象,模拟结果与实验结果最小误差3.01%，最大误差20.71%，二者基本吻合。

为了验证数值模拟所使用的组分传输模型，图3给出了数值模拟计算值与前人[8]实验值的对比。由图可见，计算结果与实验数据最小误差0.65%，最大误差9.25%，二者具有良好的一致性，故本文所用组分传输对室内污染物分布的计算方法是可行的。

图2　实验与数值模拟垂直温度分布对比图

图3　实验与数值模拟污染物浓度垂直分布对比图

2温度及污染物分布比较分析

影响余热及污染物分布的因素有很多，下文将通过数值模拟的方法，就两种主要因素浮射流初始温度、浮射流初始速度对热分布及污染物分布所产生的影响进行研究。

2.1物理模型及边界条件

本文为研究建筑内部热及污染物分布规律，建立如图4物理模型。计算域长、宽、高为3，3，4m，圆形浮射流源半径为0.25m，下部有一个压力入口尺寸为2m×0.5m,上部排风罩尺寸为0.5m×0.5m×0.2m，其余边界均设为壁面。环境温度为293K。

图4　数值模拟物理模型示意图

2.2浮射流初始温度对室内温度及污染物浓度分布的影响

实际中人体、灯具、生产设备等均会诱导出各类浮射流，这些浮射流的初始温度可由几十摄氏度变化到几百摄氏度。此外，钢铁冶金行业生产过程中会产生大量烟气，其中低温烟气的温度一般在230 ℃[9]左右，而有些烟气的温度则会更高。综合考虑以上不同应用背景，本文数值模拟不同工况条件下浮射流初始温度范围选取为373～673K。

图5和图6分别表示温度垂直分布和污染物浓度垂直分布随浮射流初始温度变化的规律。由图5可以看出，在建筑底部温度基本保持环境温度，然后随着高度增高经历过渡阶段，最后在一定高度达到较高的温度；而图6可以看出在建筑底部会出现一定的污染物浓度，这是因为大部分污染物集中在建筑上部，由于上部与下部存在浓度差，故污染物分子由于无规则的自由扩散会向下部空间运动，出现热分布与污染物分布存在差异的现象，当浮射流初始温度越高，由于污染物温度随之升高，从而使更多污染物集中在建筑上部，673K时最接近热分布，当浮射流初始温度为373K时，底部污染物浓度大约为浮射流初始温度673K时底部浓度的1.8倍。

图5　不同浮射流初始温度下温度垂直分布图

图6　不同浮射流初始温度下污染物浓度垂直分布图

图7给出了不同浮射流初始温度下垂直温度与污染物浓度的最大梯度的比较数据。可以看出，浮射流初始温度为673K时其梯度最大值约为浮射流初始温度373K时的66%，说明温度分布过渡区随着浮射流温度升高有所增厚；浓度垂直分布最大值随温度升高有所增大，373K时浓度梯度最大值约为673K的35%，说明浓度分布过渡区随浮射流温度升高有所减薄。这是由于当温度升高时，在热扩散和物质扩散共存的情况下，扩散物质密度小于环境密度时，产生向上浮力，与热浮力方向相同[10]。故浮射流温度的升高，使建筑内总体温度升高，从而导致温度分布过渡区温度梯度的减小；而浮射流温度越高时，将有更多的污染物扩散至房间顶部，从而导致污染物分布过渡区浓度梯度的增大。因此当温度较低时，建筑下部空间出现的污染物，将对工人健康及生产工艺造成危害，应引起足够重视。

图7　不同浮射流初始温度下垂直温度与浓度梯度对比图

2.3浮射流初始速度对室内温度及污染物浓度分布的影响

目前对建筑内部污染源产生的浮射流所形成的建筑热分布的特性研究甚少，而这些浮射流会对热及污染物过渡区的分布特性造成很大影响。因此，本文针对浮射流5种不同的初始速度0，0.3，0.5，1，2m/s，分析浮射流初始速度对热及污染物分布的影响。

图8与图9分别给出了浮射流初始速度变化时建筑内部温度与污染物浓度垂直分布规律。由图8可以看出建筑底部温度接近环境温度，这与增大浮射流初始温度时的变化规律是一致的；图9显示出在建筑底部也会由于污染物分子的自由扩散运动而使下部空间出现一定浓度的污染物，且当浮射流初始速度越小，此时由于受扰动更小从而使扩散现象更为明显。无初始速度时，污染物下部浓度最大，相当于浮射流初始速度2m/s时底部空间浓度的1.8倍。

图8　不同浮射流初始速度下温度垂直分布对比图

图9　不同浮射流初始速度下污染物浓度垂直分布对比图

图10给出了不同浮射流初始速度下温度和浓度梯度最大值的比较数据。利用前文的分析方法可知：随着浮射流初速度增大，与浮射流初始温度增大的变化趋势相似，温度梯度最大值呈现减小的趋势，当浮射流初始速度达到2m/s时，温度梯度最大值减小至无初始速度工况下的48%，说明温度分布过渡区随浮射流初始速度增大而增厚；而浓度梯度最大值将随着浮射流初始速度的增加而缓慢增大，浮射流无初始速度浓度梯度最大值大约为浮射流初始速度2m/s时梯度最大值的58%，说明污染物浓度分布过渡区随浮射流初始速度增大而略微减薄。这是由于浮射流初始速度增大将加速室内气流运动，从而使热量在建筑内更加均匀地分布；而浮射流初始速度增大类似于前节浮射流浮升力的增大对污染物的影响，使得污染物集中于建筑上部，从而过渡区污染物浓度最大梯度将会有所增大，但影响程度较浮射流初始温度升高有所减小。故当建筑内存在初始速度较低的含污浮射流时，作业人员应针对扩散至下部空间的污染物采取相应的防护措施。

图10　不同浮射流初始速度下垂直温度与浓度梯度对比图

3结语

本文利用浮射流的温度与污染物浓度分布相关理论，通过数值模拟方法，对空间内温度与污染物浓

度分布异同，过渡区梯度变化规律等问题进行了讨论，具体结论如下。

(1)浮射流初始温度较低时，房间内污染物分布由于扩散作用会出现与热分布分离而存在差异的现象，浮射流初始温度为373K时底部0.5m内污染物浓度大约为浮射流初始温度673K时底部浓度的1.8倍。

(2)浮射流初始速度较低时，房间下部也会由于扩散作用出现一定浓度的污染物，无初始速度时，下部0.5m内污染物浓度最大，相当于浮射流初始速度2m/s时浓度的1.8倍。

(3)利用过渡区最大梯度反映过渡区分布特性：浮射流初始温度或初始速度增加时，温度分布最大梯度减小，温度过渡区增厚，浓度分布最大梯度增加，浓度过渡区减薄。

总之，不同浮射流特性下温度分布与污染物浓度分布存在一定差异。污染物将扩散至下部操作区，对工人及生产工艺造成威胁，应引起足够重视。

参考文献

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Study on the Effects of Characteristics of Buoyant Jet on Indoor Pollutants Distribution

CHEN ZhaoHUANG YanqiuWANG YiYAN FanliaoDIWU Xutao

(SchoolofEnvironmentandMunicipalEngineering,Xi'anUniversityofArchitecture&TechnologyXi'an710055)

AbstractBased on the analysis of the previous experimental data error and the theory of spatial heat and pollutant distribution, the paper mainly conducts researches on the thermal and pollutant distribution in transition zone in different buoyant jet intensity by using numerical simulation method. The result shows that under the condition of low buoyant jet intensity (e.g. 373 K) flow, transition zone will be thickened, and part of pollutants appear obvious separation with the thermal and spread to the lower space of the building due to diffusion, which has a bad effect on the process and workers’ health.

Key Wordsbuoyant jettemperature distributionpollutant distributiontransition area

(收稿日期：2015-03-20)

作者简介陈朝，男，1989年生，硕士，从事工业建筑环境通风研究。

*基金项目：国家自然科学基金(51238010)，国家杰出青年基金项目(51425803)。