新型涡旋排风罩捕集污染物的数值研究

王宏宇 曹智翔、2* 王怡、2

1 西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

2 西部绿色建筑国家重点实验室

0 引言

局部排风罩是局部通风系统用以捕集室内局部释放污染物、维护室内环境的重要末端装置。传统的局部排风罩的排风过程类似于“点汇”，排风速度随着与排风罩口距离的增加而快速衰减[1]。因此排风罩口应尽量设置在污染源附近。但在实际操作过程中经常存在生产和工艺的限制，导致排风罩口设置在与污染源有一定距离的位置，这时即使加大排风量也很难保证污染物的捕集效果，反而会导致通风能耗增大。同时，除吸入污染物之外，排风系统还同时从罩口四周吸入大量的洁净空气，因此盲目增大排风量会导致风机、管道、后处理装置规模的增大，大幅提高了初投资和运行费用。因此，有必要不断提高局部排风罩对污染物的捕集控制效果，实现局部排风系统的高效运行。

龙卷风、尘卷风等柱状空气涡旋具有控制距离长、卷吸能力强等特点，可以将地面附近的物体卷吸到高空中。因此如果能将柱状空气涡旋原理应用到局部排风系统中，可以很大程度地高局部排风系统对污染物的捕集效果。对这类柱状空气涡旋发生机理的研究表明[2-4]，其生成需要满足3 个条件：底部平面，下部角动量气流和上升气流。对于局部排风系统来说，所要控制的污染源平面作为底部平面，污染源上方排风罩的排风气流流场作为上升气流。因此，只要能在污染源附近提供合适的角动量送风气流，就可以在空间内形成柱状空气涡旋，从而实现涡旋排风，以达到对污染物的长距离高效捕集[5]。

利用空气涡旋来控制污染物扩散，之前已经进行过一些形式的研究[6-9]。本文基于龙卷风等柱状空气涡旋的生成机理，将一种新型涡旋排风罩应用于局部排风系统。对于涡旋排风罩，其设计的关键是如何得到稳定并且强度、范围可控制的涡旋流场。本文将柱状空气涡旋原理在排风罩上进行了应用，提出了一种新型涡旋排风罩，并使用数值方式对这种新型涡旋排风罩的基本流动特性和对不同种类污染物的捕集控制效果进行了研究，对提高局部排风罩的效果具有一定的参考价值。

1 设计原理

涡旋排风罩通过顶部排风吸气而产生负压，这一负压核心给底部旋转汇聚气流以向心力。而气流由于旋转作用将产生离心力。在向心力和离心力平衡的范围内产生柱状空气涡旋，如图1（a）所示。柱状空气涡旋将收束于负压核四周并朝向吸气口，利用这种现象形成了本文研究的涡旋排风。涡旋排风罩的角动量送风装置如图1（b）所示，在环形送风口设置与法线方向呈一定夹角的导流叶片，从而使送风形成带有固定的角度的角动量送风。

图1 涡旋排风罩

2 流场数值计算

2.1 数值计算方法

本文使用流体力学软件ANSYS Fluent，对新型涡旋排风罩的模型进行了流场数值计算。计算基于雷诺时均N-S 方程方法（RANS），湍流模型选用了Realizable k-ε 模型，该模型可以较好地模拟旋转剪切流。近壁面处理选择标准壁面函数Standard wall function。空间无粘项采用二阶迎风格式离散，运用SIMPLE 算法对离散方程进行求解。

2.2 计算模型与网格划分

排风系统数值模拟的物理模型（图2）置于一个计算空间中，空间尺寸为6 m×6 m×4 m。圆形污染源置于空间底面中部，直径为1 m。排风罩在污染源上方2 m的位置，直径为0.5 m。污染源平面四周设置直径为0.6 m，高0.1 m 的环形角动量送风口以提供合适的下部角动量气流，从而形成柱状空气涡旋。

图2 计算空间模型示意图

利用Gambit 网格生成软件对计算模型进行非结构化四面体网格划分，并对污染源，送风口和排风口附近位置进行局部网格加密以提高计算精度，同时保证网格无关性。

2.3 边界条件设置

本研究中数值模拟边界条件的设置如表1 所示。其中，为排除墙壁等边界对涡旋排风罩的影响，以便真实地反映系统的流动规律和特性，将计算空间中除地面以外的四周边界设为压力入口边界，从而模拟无限空间内涡旋排风罩的性能表现。同时，利用组分传输模型，以相对分子量小于空气的一氧化碳CO 和相对分子量大于空气的六氟化硫SF6作为代表性污染气体，对排风罩的捕集效率进行分析。污染源处释放的污染物质量分数为气体总质量的1%。

表1 边界条件设置

3 数值计算结果及分析

为了分析新型涡旋排风罩的作用效果，本文首先研究了涡旋排风罩的基本流动特性，并对比了一般顶吸排风罩和涡旋排风罩的核心区域的压力和轴向速度分布，并将两种排风罩对密度大于和小于空气的代表性气体（CO 和SF6）的捕集控制效果进行了对比。当涡旋排风罩的底部角动量送风不工作、只有顶部排风罩工作时，可认为是一般顶吸排风罩。两种排风系统除送风方式不一样外，其它排风参数，排风罩布置参数及污染物散发参数保持一致。

3.1 流场分布

涡旋排风罩作用下的污染物迹线如图3 所示。从图中可见，当环绕污染源提供角动量送风时，污染源附近的流体通过角动量送风得到了切向动量，流场具有明显的切向旋转速度，流体向中间汇聚，旋转上升，最终在顶部排风罩排风上升气流的共同作用下生成了稳定的柱状空气涡旋流场。

图3 涡旋排风罩污染物迹线图

图4、5 分别对比了一般顶吸排风罩和涡旋排风罩的竖直截面压力分布和速度分布。由图4 可知，涡旋排风罩在污染源和排风口之间的轴心位置存在明显的负压分布，因此污染源处散发的污染物在随空气涡旋上升过程中，受到轴心负压梯度的限制而难以向周边环境逃逸，从而显著提高了涡旋排风罩对污染物的控制效果。从图5 可知，涡旋排风在柱状涡旋边缘位置具有较大的上升速度，污染物在柱状空气涡旋作用下上升至排风罩口位置，显著增强了排风罩的控制距离。而一般顶吸排风罩的速度分布则为汇流流动，其排风速度随着与排风口距离的增加而快速衰减，对较远距离的污染源位置几乎没有影响。

图4 竖直截面压力分布图

图5 竖直截面速度分布图

3.2 核心位置压力和轴向速度分布对比

图6、7 分别对比了一般顶吸排风罩和涡旋排风罩在污染源与排风罩之间的核心压力分布和轴向速度分布。可知在污染源到排风罩口的整个范围内，涡旋排风罩在核心区域都拥有更大的负压梯度，有助于减少污染物的扩散，提高控制捕集效果。同时，在污染源到排风罩口的整个范围内，涡旋排风罩在核心区域都拥有更大的轴向速度，因此可以让污染物更快的从污染源输运至排风罩口，不但降低了污染物在输送过程中逃逸的几率，也降低了污染物的室内滞留时间，从而提高了控制捕集效果。

图6 轴心核心压力对比图

图7 核心轴向速度对比图

3.3 对不同特性污染物的捕集控制效果

根据污染物特性的不同，其运动规律会存在显著差异，需要局部排风罩对污染物具有较强的适应性。本节对比了一般顶吸排风罩和涡旋排风罩分别对2 种密度小于空气（CO）和大于空气（SF6）的代表性污染气体的捕集控制效果。

图8 对比了当污染物为CO 气体时，两种排风罩对污染物的控制效果。由于CO 气体的分子量（28）较空气（29）略小，因此从污染源排出的污染物受浮力作用，固有向上运动的趋势。从图8 可以看出，当污染物本身有运动到排风口的趋势时，两种排风系统都能较好地控制和捕集这些污染物，捕集效率较高。

图8 对CO 气体的捕集效果图

图9 对比了当污染物是SF6气体时，两种排风罩的污染物捕集控制效果。由于SF6气体的分子量（146）远大于空气，因此污染物从污染源释放后受重力影响，很快失去上升速度并发生横向扩散沉积。在这种情况下，一般顶吸排风罩由于距离污染源过远，排风速度随着距离增大而迅速衰减，无法捕集到远距离的污染物，导致捕集效率低下。而对于涡旋排风罩，由于较大的中心负压梯度和轴向速度，将污染源释放的污染物卷吸入涡旋中输运至排风口位置，因此对远距离污染物依然保持了较高的控制捕集效果。对比可知，涡旋排风罩对于长距离工况下大密度污染物的控制捕集具有明显优势。

图9 对SF6 气体的捕集效果图

4 结论

根据柱状空气涡旋形成所需的基本条件，本文利用数值模拟方法研究了一种新型涡旋排风罩的基本流场特性和对不同特性的污染物的捕集控制效果，得到了以下结论：

①通过在污染源附近设置角动量送风装置，配合顶部排风罩，可满足柱状空气涡旋生成的基本条件，得到了较为稳定的柱状空气涡旋流场，验证了涡旋排风的可能性。

②分析了一种新型涡旋排风罩的流线分布，压力分布和轴向速度分布，得到了涡旋排风罩的基本流场特性，为进一步研究和优化打下基础。

③涡旋排风罩轴心位置存在较大负压梯度和上升速度，可以在长距离上对不同类型和特性的污染物进行高效的捕集控制，通过和一般顶吸排风罩进行对比发现，涡旋排风罩对于污染物的适应性显著优于一般顶吸排风罩，尤其对于长距离下大密度污染物的捕集效果更好。