室内空调扫风对颗粒物二次悬浮的影响研究

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(浙江工业大学 机械工程学院,浙江 杭州 310014)

随着科技的进步以及生活水平的提高,人们对于环境质量的要求越来越高。近年来,雾霾、沙尘暴等环境问题一直都是大家关注的焦点,国家政府对于环境问题也是高度重视,对于污染物的排放出台了相关政策。目前,室外环境质量问题已经得到了一定的控制和改善,但是,有关于室内空气质量(IAQ)的研究还是极为缺乏,且缺少系统性地分析,在预防和控制等方面都略显薄弱[1-2]。空气中颗粒物浓度的增大会增加某些疾病的发病率[3-5],颗粒物具有多孔结构,漂浮在空气中的各种细菌病毒会附着在颗粒物中,人类在呼吸的过程中,会将颗粒物带入呼吸道内,随之细菌病毒同样也会进入,小粒径的颗粒物甚至可以进入人的肺部,产生极大的危害[6-7]。有研究表明:人类有80%～90%的时间是在室内度过的,因此对于室内环境的研究就显得尤为重要。人生活的室内环境中,存在很多肉眼不可见的污染物,不同粒径的微小颗粒物就是室内环境污染物的一种。在一般情况下,这些不同粒径的污染物沉积在地面上,室内的各种活动都会引起颗粒物的二次悬浮[8]。因此,研究室内地面颗粒物的二次悬浮可以有效地改善室内环境。

目前,空调已经成为人类生活不可或缺的一部分,无论是在公司还是家里,都会用空调来调节室内环境,使室内空气得到流通,以及降低或提高室内温度,特别是在一个密闭的空间里,空调对于空气流通的作用就更为明显。Jiang等[9]研究了通风房间内的颗粒运动情况,首先采用大涡模拟的方法计算瞬态流场,然后利用拉格朗日得到室内颗粒的运动轨迹和分布情况,结果发现小颗粒跟随气流流动相对较好,不易沉降,且能逸出房间,大颗粒则易沉降。Goldasteh等[10]发现地板和脚在步态周期之间产生的高速气流是颗粒再悬浮的主要原因。模拟结果表明:在足部向下运动时,颗粒与基体分离。此外,脚在向上运动的过程中,也可能产生吸入流引起颗粒物再悬浮。随着生活水平的提高,空调得到了广泛的应用,然而,与空调系统和室内空气质量有关的健康问题更为常见。Yu等[11]综述了近年来空调系统和室内空气质量控制对人体健康影响的研究进展,总结了现有研究中存在的问题。因此,气流对于颗粒物的运动会产生较大影响,目前的研究仅仅是在通风的情况下,气流对颗粒物二次悬浮的影响,笔者研究室内中央空调扫风情况下对颗粒物悬浮的影响,进风口的气流方向在实时变化。主要研究中央空调扫风情况下对地面颗粒物二次悬浮的影响,通过CFD技术对该情况进行数值模拟,揭示颗粒物二次悬浮的状态,以此来进行分析和研究。

1 基本理论

1.1 湍流计算模型

湍流指的是雷诺数大于2 000的流动状态,目前对于湍流的研究主要是实验和数值模拟两种方法。实验方法主要是流动监测和测量,而数值模拟方法比较多,包括直接数值模拟方法、Reynolds平均法和大涡模拟方法。大涡模拟是将小漩涡对湍流场的影响进行简化,忽略较小尺寸的漩涡的影响,而是对湍流流场进行大漩涡模拟。直接数值模拟虽然结果会比较精确,但是它对电脑内存、CPU等硬件的要求特别高,一般情况下硬件达不到要求。而Reynolds平均法是对湍流流场中瞬态脉动量进行均化处理,可减少一定的模拟计算量,简化了数值计算过程。所以这种方法对计算机的要求不是很高。由于硬件限制的原因,采用Reynolds平均法中的k—ε模拟的方法对室内湍流进行研究预测[12]。

目前在分析湍流数值模拟过程中,运用最广泛的就是k—ε模型,k—ε模型包括标准的k—ε方程、RNGk—ε方程和Realizablek—ε方程[13]。主要采用RNGk—ε模型来模拟三维湍流流场,RNGk—ε模型计算效率更快以及在计算过程中更加稳定,它也相当准确地描述了大范围的湍流流动[14]。和标准的k—ε模型相比较,RNGk—ε模型很好地实现了室内气流组织的模拟,并且模拟结果和实测数据已经能够很好吻合[15]。

1.2 离散相粒子模型

考虑到室内环境中的颗粒大小和密度,其中有一些力足够小,可以忽略不计,Zhao等[16]给出了在粒子上选择适当外力的详细分析。离散随机游走(DRW)模型用于分析考虑到瞬时湍流速度波动对颗粒分散性的影响。因此,相应的质点运动方程为

式中:ui为粒子的速度;xi为粒子的位置;d为直径;μ为动力黏度;CD为阻力系数;Re为相对雷诺数;gi为重力加速度;Fl为每单位质量颗粒[17]Saffman升力;ρ为粒子密度;Cc为Cunningham因子,可表示为

Cc=1+Kn[1.257+0.4exp(-1.1/Kn)]

其中Knudsen数定义为

式中λ为流体的平均自由程。

笔者所讨论的颗粒物都是离散相,且相互之间的作用力可以忽略不计,并且颗粒物可视为球形。因此,可以使用离散相模型DPM(Discrete phase model)来模拟颗粒物的分布情况[18]。

1.3 颗粒沉积模型

二次悬浮颗粒的重新沉积需要考虑到布朗运动、湍流冲击和重力沉降。颗粒的沉积速度uD为

式中:Sc为c施密特数;τ,τg分别为量纲和无量纲粒子的弛豫时间;u*为剪切速度。

而在n个时间步长里对于给定尺寸颗粒云的沉积质量Mdn为

Mdn=uDCm(n-1)SnΔt

式中:Sn为颗粒云的平均投影面积;Δt为步进时间;Cm(n-1)为颗粒云在开始时颗粒的质量浓度[19]。

1.4 追踪粒子模型

一般而言,研究室内颗粒物的二次悬浮主要是研究颗粒物运动的轨迹。欧拉法对于稀疏的气固两相流和颗粒粒径分布广且其粒径大小不断改变的两相流均不太适用,拉格朗日法相比较于欧拉法在该研究中更加适用,拉格朗日法可以有效追踪颗粒的运动轨迹,因此在研究气流组织的运动时,拉格朗日方法有明显优势[20-21]。

由于室内环境中,气流对颗粒物的运动影响比较大,而颗粒物对于空气的流动影响基本可以忽略,所以在模拟过程中,采用拉格朗日轨迹追踪法计算室内颗粒物的悬浮情况。在计算过程中将气体设为连续相,而颗粒物设为离散相。

2 模型建立

空调扫风情况下室内颗粒物二次悬浮所采用的模型:6 m×4 m×3.5 m的长方形模型,房间顶部为中央空调,空调内机尺寸为840 mm×840 mm,出风口尺寸为480 mm×8 mm,回风口尺寸为470 mm×470 mm,空调距离地面高度3.5 m。该空调4个出风口均可进行扫风,风速为4.322 m/s,角度为0°～90°。模型结构如图1所示,该模型较为简单,但是对于网格质量要求很高,与现有的非结构化动网格进行比较,结构化动网格提高了计算精度，且具有网格质量高、网格数量和疏密易控制等优点[22]。因此采用了结构化网格对其进行网格划分,总网格大约为332 141个,具体划分结构如图2所示。

图1 房间结构示意图Fig.1 Sketch of room structure

图2 房间网格结构示意图Fig.2 Sketch of room grid structure

此模拟按照实际生活中天井式空调设计,4个出风口和回风口均分布于顶部中央位置。地面上通过DPM模型总共设置10万个粒子,颗粒物直径0.000 01 m。粒子的初始位置在地面上,在室内空气流场作用下,粒子会产生二次悬浮的现象,经过一定时间,颗粒物会随着流场的运动被携带出房间,本模拟主要研究颗粒物的二次悬浮轨迹。

Fluent中的UDF(User-defined function)功能可以实现特殊边界条件、定制材料特性和建立新的物理模型等功能[23]。模拟空调的扫风状态采用UDF进行控制,在Fluent中导入已经编写的UDF程序就可以实现空调的扫风。

模型建立后,试验风速与模拟风速对比结果如图3～5所示,其中试验风速采用风速计进行在与模型对照相同位置的XYZ3个方向测量。由图3～5可知:该计算模型可用来模拟该实验。

图3 X方向实验与模拟风速对比Fig.3 The simulated and experimental wind speed in the X direction

图4 Y方向实验与模拟风速对比Fig.4 The simulated and experimental wind speed in the Y direction

图5 Z方向实验与模拟风速对比Fig.5 The simulated and experimental wind speed in the Z direction

在理论数值研究上,采用非定常计算的方法求解室内流场的湍流计算问题。气流和颗粒的相互作用引入气-固双向耦合方法。在边界条件的处理上,利用动网格技术实现空调扫风的周期性运动特征。最后,利用Fluent数值计算软件,实现数值计算结果的三维可视化,分析相关模拟数据。

3 结果分析

3.1 速度场与涡量分析

图6为空调扫风情况下40 s时的速度流线图,可以看出:由于空调扫风的作用,室内产生了相对稳定的速度场,离地面较高的区域风速最大,地面速度相对较大,顶部四周速度较小,且可以看出流线在四周均呈现对称分布,这些速度场的存在会使地面上的颗粒物产生二次悬浮,所以空调扫风会增加颗粒物的二次悬浮浓度。

从图6中可以看出：在空调扫风的情况下,整个房间都会存在速度场,因此可以推测,沉积于地面的微小颗粒物在速度场的带动下将会充满整个房间。

图6 空调通风速度流线图Fig.6 Velocity streamline diagram of air-condition wind swept

图7为Y=0平面上速度矢量图,可看出:在靠近地面处以及顶部两侧产生了漩涡,在这些漩涡的带动下,地面上的颗粒物再次悬浮,增加空气中的悬浮浓度和颗粒物密度。图7箭头所指的位置可以明显看出有较大的漩涡,在其余位置,同样具有类似的漩涡,在垂直面上可以看出紊乱气流是造成颗粒物二次悬浮的重要原因。

图7 Y=0平面上速度矢量图Fig.7 Velocity vector diagram on Y=0 plane

图8为Z=0平面上的涡量和速度矢量图,涡量图描述的是Z=0平面上漩涡的大小,描述的是流场的紊乱程度。从图8可以看出中间出现了一个较大的漩涡,其他位置也有一些较小的漩涡,正由于这些漩涡的存在,会使地面上的颗粒物产生二次悬浮。

图8 Z=0平面上涡量和速度矢量图Fig.8 vorticity and velocity vector diagram on Z=0 plane

图9描述的是不同高度的涡量图,可以看出Z=1.5 m位置的涡量最小,而Z=0处的涡量最大,说明空调扫风的作用下,地面上会产生较大的漩涡,流场比较紊乱,流场越紊乱,越容易使地面上的颗粒物悬浮起来。所以当空调扫风的时候,地面上会产生紊乱的流场,导致颗粒物二次悬浮。

从图9中可以发现:速度云图较为对称,也可以证明在空调扫风的情况下,房间的速度场都较为对称。高度越低,越靠近空调正下方,涡量越大,颗粒物运动越剧烈。

图9 Z为0,1.5,3.0 m的涡量图Fig.9 Vorticity diagrams of Z for 0,1.5,3.0 m

3.2 颗粒物运动轨迹分析

图10是不同时刻,室内通风情况下颗粒物的运动轨迹图。从图10中可以看出:当空调刚开启的时候,位于地面中央位置的颗粒物首先受到作用,中部颗粒物会产生一定速度并且会向上运动,四周颗粒物会向中间靠拢,接着颗粒物开始悬浮,向出风口运动,中部颗粒物在上风以及下风的共同作用下,颗粒物悬浮浓度最大,最后颗粒物开始慢慢地向四周扩散,直至充满整个房间,颗粒物在此过程中会因气流携带作用产生逸散,导致室内颗粒物的总数目就减少。当t为30,35 s时出风口的颗粒物悬浮浓度较大,有较多的颗粒物被出风口吸进去,排到室外。当t为35,40 s的时候颗粒物基本已经充满了整个房间,地面上的颗粒物悬浮了起来,空气中的颗粒物浓度有大幅提高,在高度1.5 m处,颗粒物悬浮数量达到顶峰。所以在开启空调扫风的情况下,在一定程度上会使室内空气中悬浮颗粒物的浓度增加。从数值模拟中可以清楚地了解颗粒物悬浮的轨迹。

图10 空调通风颗粒物运动轨迹追踪图Fig.10 Tracking chart of moving particles under the condition of air-condition wind swept

总体而言,在空调扫风情况下,颗粒物会散布到整个房间,房间里高度较低处的颗粒物浓度较高,高度较高处的颗粒物浓度较低,并在某一位置达到颗粒物二次悬浮的最大值,可为办公室室内布局提供参考。

3.3 粒子撞击分析

图11 颗粒物撞击地面数量Fig.11 The number of particles hitting on the ground

图11为颗粒物撞击地面的数量,从图11中可以看出:模拟一开始,沉积在地面上的颗粒物在速度场的作用下开始悬浮,从而离开地面。颗粒物在经历气相介质中的运动后,撞击地面,之后颗粒物产生反弹,再次离开地面,产生悬浮。在空调扫风的情况下,不停地撞击地面,再次反弹,重复该过程,但是撞击颗粒物的数量在逐渐减少.5～40 s逐渐趋于稳定,地面上的颗粒物都处于悬浮状态。

图12为颗粒物撞击壁面的数量,从图12中可以发现:模拟一开始颗粒物都沉积在地面上,没有颗粒物撞击壁面,从4 s左右开始,有颗粒物撞击壁面,且与地面一样,颗粒物在撞击壁面之后,颗粒物产生反弹,6～10 s颗粒物撞击壁面数量出现波动,急剧增加,10～40 s趋于稳定,但是撞击壁面的颗粒物数量为总粒子的1/3。

图12 颗粒物撞击壁面数量Fig.12 The number of particles hitting on the wall

颗粒物地面数量初始设置为10万个,模拟结束共有44 218个,从出风口逃逸55 782个。说明在空调扫风的情况下,地面上所沉积颗粒物被气流携带到上部空气中,并且随着扫风所形成的稳定气流运动,在房间顶部由于空调出风口的存在,一部分粒子随着气流逸出,很大一部分粒子在出风口的综合作用下重新回到室内空气中。

4 结 论

采用非定常计算方法对室内扫风情况下颗粒物二次悬浮进行数值模拟,分析室内不同高度的涡量和速度矢量情况,观察颗粒物运动的轨迹流线图,对颗粒物二次悬浮的轨迹进行研究,得到结论:通过流线图可以发现空调扫风在室内会产生较多的涡,且在地面上的涡量最大,这些涡会增大地面上颗粒物的二次悬浮。通过研究空调扫风对二次悬浮的影响,分析流线图,结合人类在室内的工作状态,可以在空调出风口位置等方面进行科学地改善。通过对颗粒物二次悬浮浓度的研究,可以科学合理地安排人的工作位置,减少在空调出风口的工作位置,减少颗粒物浓度高的位置的活动,减少颗粒物的二次悬浮对人体造成的慢性伤害。研究为生活环境中空气颗粒物二次悬浮提供数据蓝本,可在此基础上的特定位置选择合适的空气净化设备,减少微小颗粒物在室内的沉积以及二次悬浮,改善人居环境的空气质量。