温湿度变化对船舶舱室污染物浓度的影响

韩星星 何 勇 谢 晴 谢军龙



温湿度变化对船舶舱室污染物浓度的影响

韩星星 何 勇 谢 晴 谢军龙

（华中科技大学 武汉 430074）

空调环境温、湿度的变化对于板材中挥发性有机物（VOCs）的释放有着重要影响。应用用户自定义函数（UDFs）反映板材的挥发特性并与Fluent进行船舶舱室污染物的联合求解，具有一定的通用性。模拟结果表明：（1）UDFs能够准确反映板材中VOCs的挥发特性，模拟值与实验值的误差控制在10%以内；（2）温、湿度变化对于船舶舱室内的VOCs浓度具有显著影响，送风温度由15 ℃升高到30 ℃时，甲醛浓度增大至原来的2.5倍左右；送风湿度由40%上升至80%时，甲醛浓度上升了40%；（3）局部环境的差异会对污染源释放速率产生影响，应尽量将污染源布置在低温、低湿的环境中。

温湿度；VOCs；舱室；UDFs；数值模拟

0 引言

远洋船舶航行于世界各地，各类船舶舱室的室内空气品质（IAQ）较差[1]，其中总挥发性有机物（TVOC）为主要污染物之一[2,3]。另外由于舱室一般处于封闭状态，依靠中央空调进行机械通风，导致舱室内部的温、湿度情况较为严峻。大量研究表明环境因素对于板材中甲醛以及VOCs的释放规律以及释放参数影响较大，试验发现均质木板中VOCS释放量随着温度增加而增大[4,5]，Lin等[6]发现温度从15℃升到30 ℃时，VOC释放速率增加了1.52～12.9倍。另外，空气相对湿度的变化也会对VOCs的释放产生影响，markowicz等[7]发现室内相对湿度越高，对应的VOC浓度越高。目前关于室内VOCs传播的研究基本上基于定释放速 率[8,9]。为有效研究船舶舱室的空气污染，在模拟研究时考虑环境因素对污染源的影响变得十分重要。本文主要目的是通过建立舱室污染物传播与污染源传质过程的联合数值模拟，研究分析温、湿度对于船舶舱室内污染物浓度的影响。

1 数学模型及计算方法

1.1 数学模型

1.1.1 VOCs在空气中的运输

气体污染物（如甲醛）可定义为粘性、不可压牛顿流体，其控制方程可由下式表示：

1.1.2 VOCs污染源模型

本文采用一般建筑板材作为污染物的散发源，为简化问题，对模型做出假定：（1）板材内部组成均匀，内部污染物浓度处处相等；（2）板材内部为一维扩散传质；（3）板材中心VOCs浓度为0，板材两端面物理特性一致；（4）空气与固体界面，VOCs浓度服从亨利定律。

板材中VOCs扩散的控制方程、边界条件、初始条件为：

式中，C为板材内VOCs浓度，mg/m3；C为船舱内部VOCs浓度，mg/m3；C,0为板材内初始可释放VOCs浓度，mg/m3；D为VOCs在板材中的扩散传质系数，m2/s；为板材与空气界面处的分配系数（无量纲）；h为对流传质系数，m/s；为散发时间；为沿板材厚度方向距板材中心的距离，m；为板材厚度的一半，m。

1.1.3 温、湿度对板材释放参数的影响

温度升高，会增加板材中游离的甲醛分子的平均动能和扩散能力。而相对湿度的增加会使板材内部的羟甲基、亚甲基醚键加速分解，并且大量的水分子还会与空气中的气态甲醛反应生成甲二醇分子[10]，降低空气侧的甲醛浓度，从而使板材中游离的甲醛更容易扩散至空气中。目前关于温、湿度对板材VOCs释放影响的研究主要分为温、湿度对于VOCs释放率的影响以及温、湿度对于释放参数、D、C,0的影响规律两种。由于前种作为一般工程经验模型在使用时无法揭示传质过程的本质及影响因素，通用性较差。目前的较好的做法是通过实验数据拟合出温、湿度对于VOCs释放参数的影响公式[11,12]，在使用时通过提前估算相关释放参数进行微观层面的计算，具有较强的通用性，本文采用杨叶[13]胶合板的释放参数进行模拟。

1.1.4 湍流模型

本文采用RNG-湍流模型，相比standard-模型，RNG-湍流模型对于室内流场模拟中的非等温、混合对流有更高的精度[14]。另外，虽然使用室内零方程模型进行计算能够减少计算量[15]，但其射流衰减速度相比于RNG-模型更快，不能准确反映室内流场变化。

1.2 计算方法

图1 计算流程图

如图1所示，Fluent在计算过程中其边界条件可以通过调用UDF获得。根据（2）～（5）式计算得到边界浓度，将此壁面浓度作为CFD计算的边界条件，计算得到新的流场数据，再将其重新用于板材内部的传质计算以获取新的边界条件，如此循环往复，直至最终收敛。

采用非稳态隐式SIMPLE算法耦合压力和速度场。收敛标准为同时达到质量和热平衡，能量方程收敛残差为10-6，其他变量收敛残差为10-3。

2 模型验证

本文通过杨叶[13]的试验玻璃舱内人造板中甲醛的释放试验进行验证。图2中的密封玻璃舱的体积为20 L，模拟使用的板材为7 mm厚的胶合板，玻璃舱中设有三个风扇以保证舱室内气体的均匀混合。在保证与试验同定装载度（1.0 m2/m3）的条件下模拟计算温度为30 ℃，相对湿度分别为50%、90%密封舱室中的甲醛浓度。

图2 试验玻璃舱结构示意图

图3 30 ℃时模拟值与实验值对比图

图3为实验值与模拟值的对比图，结果表明实验的测试值与模拟结果能够较好的吻合，其最大偏差不超过10%。本文中使用的UDF联合模拟的方法可以较准确地预测板材内污染物的传质过程以及密闭空间内的污染物的扩散。

3 算例设置及结果分析

3.1 物理模型

图4为某船舶舱室结构示意图，舱室高度为2.2 m，舱室体积为58 m3。该舱室采用圆形布风器进行机械式通风，布风器共3个，圆盘直径为0.39 m；排风口数量为2，尺寸为0.355 m×0.305 m。舱室内部的主要污染源为桌子散发出的VOCs，桌子的尺寸为1.5 m×0.7 m×0.8 m；热源为舱室一侧的窗户，尺寸为2 m×0.8 m。

图4 某船舶舱室物理模型

3.2 边界条件

舱室送风采用速度进口，单个布风器处速度为1.44 m/s，风量为250 m3/h；排风口为自由出流；桌子设置为绝热壁面，污染源VOCs为该壁面上的源项，并采用UDFs进行赋值；窗户为定温度条件，温度为35 ℃；其余边界条件均设置为绝热壁面。采用非稳态的计算方法，时间步长为1～10 s，计算由0～1000 s时的甲醛浓度变化。

船舶舱室由于为密闭空间，其空气调节主要依靠送风末端装置即布风器。通过调节送风条件，获得需要的室内环境，表1为舱室内布风器的送风条件。

表1 布风器送风条件

3.3 结果分析

3.3.1 温度变化对甲醛浓度的影响

保持送风相对湿度不变，模拟研究温度在15 ℃、20 ℃、25 ℃以及30 ℃时的室内甲醛浓度。具体结果如图5所示。

图5 甲醛浓度与送风温度的关系

由图5可知，随着温度的上升，室内平均甲醛浓度逐步上升，不同相对湿度条件下趋势一致。在温度上升至20 ℃后，甲醛浓度增加幅度减小。当温度由15 ℃升高至20 ℃时，甲醛浓度增加了80%左右；而当温度升至25 ℃、30 ℃时，分别增加约17%和9.7%左右。因此，送风温度在15 ℃左右时，污染物的释放速率对温度更为敏感，在设计及调整舱室的空调送风时应特别注意。

3.3.2 湿度变化对甲醛浓度的影响

保持送风温度不变，模拟研究空调送风的相对湿度在40%、60%以及80%时的室内甲醛浓度。具体结果如图6所示。

图6 甲醛浓度与送风相对湿度的关系

由图6可知，随着送风相对湿度的提高，室内甲醛浓度大致呈线性增长，且不同温度下的增长趋势相同。相对湿度每提高20%，甲醛浓度上升约19%左右。因此，总体而言保持较低湿度的室内空气环境有利于室内的污染物控制。

3.3.3 污染源位置对VOC浓度的影响

保持送风温度为15 ℃、分别在模拟污染源（桌子）位于区域I（高温）、区域II（低温）处时（如图4），船舶舱室内的VOC（甲醛）浓度，模拟结果如表2所示。

表2 不同污染源位置室内甲醛浓度

由表2可知当污染源位于区域I时，室内的甲醛浓度分别比区域II高19.7%、35.2%、45%。由于区域I和区域II相互对称，气流组织形式相似，温度成为了主要因素。如图7所示，区域I的温度要高于区域II，且差距随相对湿度的增加逐渐增大。

由于船舶舱室或其他住宅空间面积较大，不同形式的空调送风难以均匀调节室内各处，不可避免的存在一些送风死角，形成局部高、低温区域。因此，在进行室内设计时应当考虑由污染物释放物体的摆放位置，壁面高温、高湿。

4 结论

（1）模拟结果与实验数据对比表明，使用UDFs模拟室内VOCs污染源边界条件的方法可以较准地揭示板材内的传质过程以及舱室中污染物的传播模拟值与实验值的误差控制在10%以内。

（2）温、湿度变化对于船舶舱室内的VOCs浓度具有显著影响，圆盘式布风器送风条件下，送风温度由15℃升高到30℃时，甲醛浓度增大至原来的2.5倍左右；送风湿度由40%上升至80%时，室内甲醛浓度上升了40%。

（3）同一送风形式下，局部微环境的差异也会导致污染源释放速率发生变化。在满足室内热舒适性的前提下，应尽量将污染源布置在低温、低湿的环境中。

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Influence of Temperature and Humidity Variation on Pollutant Concentration in Ship Cabins

Han Xingxing He Yong Xie Qing Xie Junlong

( Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074 )

The changes of temperature and humidity in the air conditioning environment have an important influence on the release of volatile organic compounds (VOCs) in wood panels.In this paper, the user defined function (UDFs) is used to represent the volatility characteristics of plates and to solve them jointly with commercial software FLUENT, and the propagation of pollutants is simulated in principle, which has a certain versatility. Simulation results show that: (1)UDFs can accurately reflect the volatilization characteristics of VOCs in the plate, and the error between the simulated value and the experimental value is less than 10%; (2)The change of temperature and humidity has significant influence on VOCs concentration in ship cabin, when the air supply temperature increased from 15 to 30 ℃, the formaldehyde concentration increased to about 2.5 times. When the air humidity increased from 40% to 80%, indoor formaldehyde concentration increased by 40%; (3)The difference of local micro environment will lead to the change of pollution release rate. The pollution source should be arranged in the low-temperature and low humidity environment.

Temperature and humidity; VOCs; Cabin; UDFs; Numerical simulation

1671-6612（2018）04-440-05

TU834

A

国家自然科学基金资助项目（No. 51376077）

韩星星（1993.04-），男，在读硕士研究生，E-mail：1138409399@qq.com

谢军龙（1970.02-），男，博士，副教授，E-mail：hustxjl@163.com

2017-09-15