基于Fluent软件的室内颗粒物浓度分布影响研究

吴志猛，董敏

（1.山东约兰机电工程有限公司，山东 德州 253000；2.山东华宇工学院 能源与建筑工程学院，山东 德州 253034）

0 引 言

研究不同风速下室内颗粒物浓度、颗粒密度和颗粒的分布情况，对数值模拟结果进行分析，阐明了空气流速对不同颗粒粒径分布的影响。调整送风速度，合理控制室内颗粒物的数量分布，改善室内空气质量，降低颗粒物对人体健康的影响。

调查结果显示，国内对室内环境中颗粒物的调查研究仍非常有限。研究不同送风速度对室内颗粒物浓度分布的影响，对于改善室内空气质量，促进室内环境的健康可持续发展有着十分重要的意义。在理想数值模拟中考虑送风速度的影响，建立室内颗粒流动分布模型，也可为室内空气污染的治理及相关标准参数的设定提供科学的理论依据。

1 物理模型

室内空气流动遵守的原理有连续性方程、质量守恒定律和动量守恒定律。

连续性方程：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

本文以某小型办公室内颗粒物浓度分布为研究对象，由于受硬件条件和计算时间的影响，模拟计算时只考虑将电脑和人作为计算的热源，创建的办公室模型尺寸为5 m×4 m×3.5 m，如图1所示。

图1 几何模型

建立的几何模型基本参数如表1所示。

表1 模型基本参数

对办公室布局进行简化，确保模拟结果接近真实值，同时节省计算机的运算时间，只考虑将人员和电脑作为热源，所以在模型中将桌椅去除掉，人员的简化模型高度是设定坐姿接近真实值的1.3 m。人员的热通量和电脑的热通量保持默认设置，不考虑空气的可压缩性，室内空气密度为1.225 kg/m，空气黏性系数为1.7894e-05 kg/m.s。送风口的边界条件设置为速度入口，回风口的边界条件设定为outflow，墙壁不考虑热量粗糙度0.37，开启能量方程，湍流模型为k-e 模型。

2 流场模拟

在查阅了空调的送风速度规格后，了解到当送风口风速在2.5 ～4 m/s 之间、送风温度在18 ～25 ℃之间时，工作人员的工作区域可获得良好的舒适感，因此以标准工况为基础，选取几个不同的工作条件进行模拟计算，如表2所示。

表2 模拟工况参数

本次温度场和流场模拟工况的输出结果考虑到人员在静坐和站立时的两个高度，截取房间内竖直高度方向上的水平截面=1 m 和=1.5 m。

由工况云图可知：=1 m 时，如图2所示房间内温度区间在296 K 到307 K 之间，本次模拟考虑热源问题，人体和计算机设备散发热量区域为最大值区域，人体区域散发的热量比计算机设备区域低一些，为299 K，计算机区域散发的热量为最高值307 K。=1.5 m 时，如图3所示房间内温度区间在295 K 到299 K 之间，同样，人体和计算机设备区域温度最高，人体区域为298 K，计算机区域为最高值299 K。

图2 y=1 m 高度处温度场

图3 y=1.5 m 高度处温度场

=1 m 时，如图4所示房间内压力区间在2.93 Pa 到3.12 Pa之间，送风口处为2.98 Pa，人体周围为2.97 Pa。=1.5 m 时，如图5所示房间内压力区间在2.93 Pa 到3.26 Pa 之间，送风口处为3.01 Pa，人体周围为2.98 Pa。

图4 y=1 m 高度处压力场

图5 y=1.5 m 高度处压力场

=1 m 时，如图6所示房间内流速区间在0.04 m/s 到0.49 m/s 之间，人体区域的流速区间在0.11 m/s 到0.35 m/s 之间。=1.5 m 时，如图7所示房间内流速区间在0.05 m/s 到0.69 m/s 之间。

图6 房间y=1 m 高度处流速分布

图7 房间y=1.5 m 高度处流速场

工况：当送风温度为298 K、送风速度为2.8 m/s 时，所得温度场分别如图8、图9所示，所得压力场如图10（=1.5 m 高度处压力场分布）、图11（=1 m 高度处压力场分布）所示，所得流速分布如图12（=1.5 m 高度处流速分布）、图13（=1 m 高度处流速分布）所示。

图8 y=1 m 高度处温度场

图9 y=1.5 m 高度处温度场

图10 y=1.5 m 高度处压力场

图11 y=1 m 高度处压力场

图12 y=1.5 m 高度处流速

图13 y=1 m 高度处流速

由以上1 m 和1.5 m处压力云图和速度云图可知：

=1 m 时，房间内温度区间在299 K 到310 K 之间，本次模拟考虑热源的问题，人体和计算机设备散发热量区域为最大值区域：人体区域散发的热量比计算机设备区域低一些，为301 K，计算机区域散发热量为最高值310 K。=1.5 m 时，房间内温度区间在298 K 到302 K 之间，同样，人体和计算机设备区域温度最高，人体区域为300 K，计算机区域为最高值302 K。

=1 m 时，房间内压力区间在2.92 Pa 到2.98 Pa 之间，送风口处为2.96 Pa，人体周围为2.94 Pa。=1.5 m 时，房间内压力区间在2.93 Pa 到2.97 Pa 之间，送风口处为2.95 Pa，人体周围为2.93 Pa。=1 m 时，房间内流速区间在0.01 m/s 到0.51 m/s 之间，人体区域的流速区间在0.11 m/s 到0.26 m/s 之间。=1.5 m 时，房间内流速区间在0.42 m/s 到0.76 m/s 之间。

工况：当送风温度为295 K、送风速度为3.25 m/s 时，所得温度场分别如图14、图15 所示，所得压力场如图16（=1.5 m 高度处压力场分布）、图17（=1 m 高度处压力场分布），所得流速分布如图18（=1.5 m 高度处流速分布）、图19（=1 m 高度处流速分布）所示。

图14 y=1.5 m 高度处温度场

图15 y=1.5 m 高度处温度场

图16 y=1.5 m 高度处压力场

图17 y=1 m 高度处压力场

图18 y=1.5 m 高度处流速

图19 y=1 m 高度处流速

由以上1 m 和1.5 m 处压力云图和速度云图可知：

=1 m 时，房间内温度区间在295 K 到306 K 之间，本次模拟考虑热源问题，人体和计算机设备散发热量区域为最大值区域：人体区域散发的热量比计算机设备区域低一些，为298 K；计算机区域散发的热量为最高值306 K。=1.5 m时，房间内温度区间在295 K 到298 K 之间，同样，人体和设备区域温度最高，人体区域为297 K，计算机区域为最高值298 K。=1 m时，房间内压力区间在3.94 Pa到4.2 Pa 之间，送风口处为4.01 Pa，人体周围为3.99 Pa。=1.5 m 时，房间内压力区间在3.95 Pa 到4.39 Pa 之间，送风口处为4.06 Pa，人体周围为4.02 Pa。=1 m 时，房间内流速区间在0.01 m/s到0.6 m/s 之间，人体区域的流速在0.13 m/s 到0.24 m/s 之间。=1.5 m 时，房间内流速区间在0.01 m/s 到0.89 m/s 之间。

由以上温度云图可知，三个工况的温度分布都是以人员和设备为中心以不规则环形向四周分布，并且逐渐减小。=1 m 时，工况下人员周围温度值为299 K ，工况下人员周围温度值为301 K ，工况下人员周围温度值为298 K 。=1.5 m 时，工况下人员周围温度值为298 K，工况下人员周围温度值为300 K，工况下人员周围温度值为297 K 。对比=1 m 和=1.5 m 时3 个工况下的温度值，得出工况下的温度值最符合人体工作时的温度。

因为压力分布3 个工况的特点比较类似，最大压力都出现在送风口对侧 的墙角边上，且压力分布状况对颗粒物浓度分布影响在本次课题中不做重点研究，所以流场重点考虑流速的分布影响。

由于本次模拟工况的现实环境为办公室内，人员静坐的时长远大于人员站立的时长，所以取高度=1 m 时人员周围的流速来分析工况 ，以更接近于真实值。

=1 m 时：工况下人员周围的流速为0.105 8 m/s 到0.352 7 m/s 之间，工况下人员周围的流速为0.108 m/s到0.260 m/s 之间，工况下人员周围的流速为0.125 m/s到0.240 m/s 之间，3 个工况下流速云图都呈湍流分布且最大流速都在送风口对侧墙角边上。

人长时间静坐在办公室内，最大允许流速为0.3 ～0.4 m/s之间，对于人体停留区 ，流速在0 ～0.08 m/s 之间时，人会有一种 空气停滞的感觉，感觉不舒服。当办公室侧送风口最大允许流速为2.5 m/s ～3.8 m/s 之间、人体停留区流速 为0.127 m/s 时，人会感觉比较舒适；当人体周围流速为0.127 m/s ～0.25 m/s 之间时，人会感到基 本舒适，这些 规范都是查阅空调送风规范所知，在此用来评价工况流速的优劣。

由以上送风规范可得：工况、工况、工况=1 m处人周围 的流速都满 足人对送风舒适度的要求，但是工况的流速范围0.125 m/s ～0.240 m/s 刚好满足人的基本舒适度要求。

结合温度场和流场的综合分析可知，工况（送风温度22 ℃、送风速度 3.25 m/s）为最优工况。

3 颗粒物浓度模拟

本次模拟颗粒物在真实环境下由释放源喷射60 s 所得的工况浓度分布云图。在模拟计算完成后，同样截取=1 m 高度处颗粒物浓度分布图做工况分析，所得颗粒物浓度分布图如图20、图21、图22（=1 m高度处颗粒物浓度分布图）所示。

图20 A1 工况

图21 A2 工况

图22 A3 工况

工况分析：理想的模拟结果是让颗粒 物流动到房间里的所有区域，受计算条件的影响，在模拟60 s 喷射颗粒物内房间里的颗粒物浓度分布很低，但也不会对本次课题的研究结果造成影响。从以上颗粒物浓度云图可以大体分析出房间内的颗粒物浓度在墙壁周围最高，有少数的颗粒物浓度极大值出现在人体周围，这也符合真实的生活环境现象。从以上3个工况云图中得到以下数据：

工况（=1 m 时）：送风温度为295 K、送风速度为2.8 m/s 时，=1 m 截面上室内颗粒物浓度分布区间为1.29e-20 kg/m～4.93e-17 kg/m，人员周围平均颗粒物浓度为1.73e-17 kg/m。工况（=1 m时）：送风温度为298 K、送风速度为2.8 m/s 时，=1 m 截面上室内颗粒物浓度分布区间为8.08e-21 kg/m～4.66e-17 kg/m，人员周围平 均颗粒物浓度为1.63e-17 kg/m。工况（=1 m 时）：送风温度为295 K、送风速度为3.25 m/s 时，=1 m 截面上室内颗粒物浓度分布区间为7.13e-21 kg/m～4.04e-17 kg/m，人员周围平均颗粒物浓度为1.41e-17 kg/m。

比较3 个工况下人员周围平均颗粒物浓度可得：工况下人员周围平均颗粒物浓度最低为1.41e-17 kg/m，工况下人员周围平均颗粒物浓度最高为1.73e-17 kg/m。综合流场模拟数据分析和颗粒物浓度模拟数据分析最终确定工况（送风速度3.25 m/s、送风温度22 ℃）为最优工况。

4 结 论

本文3 个工况下人员周围平均颗粒物浓度最低为 1.41e-17 kg/m，颗粒物浓度越低，越有益于人的身体健康。综合流场模拟数据分析和颗粒物浓度模拟数据分析最终确定工况为最优工况。在相同送风温度条件下，送风速度大的工况下颗粒物浓度分布稀疏，送风速度小的工况下颗粒物浓度分布稠密。