基于FLUENT的办公室内污染物扩散浓度分布规律模拟计算

2019-12-06刘浩然韦新东丑雪松

吉林建筑大学学报 2019年5期

刘浩然，韦新东，丑雪松

吉林建筑大学市政与环境工程学院,长春 130118

0 引言

随着经济的发展，人们的生活水平逐渐提高,进而人们对室内的居住环境及室内空气质量的要求也越来越高,建筑室内的设计要求在不断更新.近年来，室内空气污染问题引起了人们的广泛关注.众所周知,建筑室内主要污染物是甲醛(HCHO)、氨(NH3)、硫化氢(H2S)等有害气体,还有其他粉尘颗粒对人体健康造成伤害[1].由于建筑的功能不同，污染物的种类也不同,办公建筑室内主要以人平常吸烟所散发出的一氧化碳(CO)污染为主,虽然室内CO浓度较低,但长期接触低浓度的CO会造成轻度中毒头痛、昏迷，重者会产生神经衰弱、失语、肺癌等.因此,办公建筑室内具有良好的通风设计,不仅可以改善室内环境,而且有利于解决由吸烟、毒气泄漏引起的紧急事故等问题[2].国内外诸多学者对此问题进行了研究,但应用FLUENT方法模拟计算办公室内CO扩散数值的分析研究较少,以FLUENT模拟计算结果为设计方案依据可大大缩短设计时间,降低实验成本,对办公建筑的合理设计具有重要作用.

1 物理模型的建立

模拟对象为某建筑办公室,根据实际计算需要将该办公室抽象简化为在10 m(长)×5 m(宽)×5 m(高)的房间内地面中心处放置1个CO污染扩散源、0.5 m×2.0 m进风口、1.0 m×0.5 m出风口的物理模型，如图1所示.

图1 基于Gambit的建筑物理模型Fig.1 Physical model of building based on Gambit

2 数学模型的建立

2.1 经典计算模型

污染物的扩散受到温度梯度、浓度梯度和压力梯度等因素的影响.污染源表面的污染物按照蒸发、对流和扩散的顺序向室内传递.基于对流传质组分方程经典计算模型包括污染物散发的压力与空气边界层的模型、传质模型、通用扩散模型.但基于经典模型实验不仅需要消耗大量的人力物力财力，而且还受到实验不同条件的限制，同时经验模型都是从实验中得到的，故不能证明其具有合理的物理意义.随着时代的发展，应用FLUENT软件可降低运营计算成本，同时缩小时间，还可针对不同情况进行预测，该软件已成为研究室内空气品质的重要方法之一.

2.2 室内气流控制方程

利用FLUENT软件对办公室的污染物进行模拟计算,假设模拟中的流体为不可压流体稳定流动,湍流模型方程采用k-ε模型方程,对控制方程采用simple格式、压强-绝对速度稳态格式混合进行求解.忽略污染物的重力影响、污染物与空气之间的对流换热和污染物与其他气体之间的混合作用,仅考虑CO组分在空气中的传输.室内气体流动遵循以下组分控制方程[3-6]:

气体状态方程：

P=ρRT

(1)

连续性方程:

(2)

能量守恒方程:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中，u为X轴速度分量,m/s;v为Y轴速度分量,m/s;w为Z轴速度分量,m/s;ρ为气体密度,kg/m3;ui为i方向速度分量,m/s;uj为j方向速度分量,m/s;p为压强,Pa;R为某气体的气体常数,J/(kg·K)；μ为动力粘度,kg/(m·s);T为热力学温度,K;a为热扩散系数,m2/s;k为湍动能,m2/s2;μeff为有效动力粘度，kg/(m·s);ε为耗散率,m2/s3;Gk为平均速度梯度引起的湍动能k的产生项,kg/(m·s3);αε为耗散率ε对应的普朗特数;μt为湍流动力粘度,kg/(m·s)；下标符号i,j为张量符号，其取值范围为1,2.

3 边界条件的设定

根据实际情况,办公室内工作环境温度为293 K,压力为101 325 Pa(1个标准大气压),进风口边界条件为Pressure-inlet, 初始压强与室外大气压力相等,污染物边界条件为Velocity-inlet,初始扩散速度为0.5 m/s,风机为Fan,通过改变风机相对压力的大小来观察室内CO浓度的分布及扩散情况,求得最合理的取值,风机出口处为Pressure-outlet,确保出口处压力与室外大气压力相等.

4 结果与分析

为观察室内CO扩散浓度的分布情况,建立以z=2.5 m平面为监控平面(Monitoring surface),图2～图9分别为风机相对压力0 Pa,1 Pa,10 Pa,15 Pa,20 Pa,25 Pa,30 Pa,50 Pa下的CO浓度分布云图,
图2～图9中颜色由蓝至红表示CO浓度由低到高.

由图2～图9可见,CO浓度随着风机风压增大而减小，同时扩散速度加快.通过图2～图9的对比观察发现，当风压≥25 Pa时, 室内污染物完全不出现倒流情况,此时室内污染物浓度符合卫生标准，25 Pa为满足卫生标准的最小值.

图2 风机压强 0 Pa时CO浓度分布云图Fig.2 CO concentration distribution at the fan pressure of 0 Pa

图3 风机压强1 Pa时CO浓度分布云图Fig.3 CO concentration distribution at the fan pressure of 1.0 Pa

图4 风机压强10 Pa时CO浓度分布云图Fig.4 CO concentration distribution at the fan pressure of 10.0 Pa

图5 风机压强15 Pa时CO浓度分布云图Fig.5 CO concentration distribution at the fan pressure of 15.0 Pa

图6 风机压强20 Pa时CO浓度分布云图Fig.6 CO concentration distribution at the fan pressure of 20.0 Pa

图7 风机压强25 Pa时CO浓度分布云图Fig.7 CO concentration distribution at the fan pressure of 25.0 Pa

图8 风机压强30 Pa时CO浓度分布云图Fig.8 CO concentration distribution at the fan pressure of 30.0 Pa

图9 风机压强50 Pa时CO浓度分布云图Fig.9 CO concentration distribution at the fan pressure of 50.0 Pa

图10为风压25 Pa时物理模型在人呼吸口高度线(z=2.5 m,y=1.5 m)上室内混合气体相对压力(负压)随x的分布曲线.

由图10可知,当CO污染源位于(x=2.5 m,y=0 m，z=2.5 m)处时,室内混合气体在高度线(z=2.5 m,y=1.5 m)x=5 m处的相对压力(即负压)值为P= -23.5×10-2Pa，此时其绝对值最大,该处污染物最不利于排出,设计时可根据实际情况合理调整该处送风量或适当增设排风口数量，以便更好地排放污染物，使室内污染物浓度符合国标要求[7-8].

图10 沿z=2.5 m,y=1.5 m直线上室内混合物相对压力(负压)的分布曲线Fig.10 Relative pressure (negative pressure) distribution of indoor mixture along the line of z=2.5 m and y=1.5 m