室内PM2.5与气流组织的模拟研究

王 虹,段焕林,陈爱东

(河南工程学院 土木工程学院,河南 郑州 451191)

室内是人们生活和工作的主要场所,其空气质量直接影响人类的健康。PM2.5是室内空气的主要污染物之一,合理的室内气流组织设计,对PM2.5的分布及人体健康有较大影响。PM2.5很容易随气流流动,室内的气流分布直接影响其分布,空调房间良好的气流组织形式能有效地提高室内环境的舒适性。杨品德等[1]针对某办公楼室内 PM2.5进行了设计和分析,为室内 PM2.5的治理提供了一定参考。

近年来,国内外许多学者对PM2.5进行了大量的研究工作,主要有实验研究和理论研究两类,其中数值模拟是理论研究中一种重要的方法[2-5]。郑磊[6]通过实验对教室室内PM2.5污染进行了研究,采用新风系统追加PM2.5过滤装置的控制策略,改善了室内空气品质。刘宇等[7]基于实验数据,验证了颗粒物分布模拟结果的准确性,并得出房间气流组织是影响室内 PM2.5空间分布最重要的因素。本研究对某空调房间采用CFD软件包FLUENT软件建立了物理模型,对空调房间常用的上送上回、上送下回、侧送侧回3种气流组织形式下的PM2.5分布特性进行了数值模拟,分析了不同气流组织形式与室内颗粒物浓度分布之间的关系,并且提出了合理的建议。

1 模型的建立

1.1 物理模型及网格划分

本研究以某办公室为研究对象进行模拟,办公室的长、宽、高分别为5 m、4 m、3 m,门高2 m、宽1.1 m,窗户距地面0.9 m、长2 m、宽1.5 m。室内有一张桌子和两把椅子,总冷负荷为1.95 kW(不考虑灯光照明等其他因素产生的负荷)。室内设计温度为24 ℃,送风温度为18 ℃,送风口为0.2 m × 0.2 m的正方形,回风口为0.4 m × 0.1 m的长方形。本研究采用Gambit进行建模,并对实物进行了简化:桌子模型长、宽、高分别为1.5 m、1.0 m、1.0 m,椅子模型长、宽、高分别为0.4 m、0.5 m、0.4 m,人体模型尺寸为0.3 m × 0.4 m × 1.2 m(人坐于椅子上)。

本研究分别对上送上回、上送下回、侧送侧回3种气流组织进行了模拟。在上送上回模型中,房间里送、回风口各一个,分别位于房间的顶部。在上送下回模型中,房间里送、回风口各一个,送风口位于房间的顶部,回风口位于房间的底部。侧送侧回模型中,送风口位于一面墙上部,距离地面约2.5 m;回风口位于对侧一面墙,距离地0.5 m。3种物理模型均采用Split Volume命令和Subtract Volumes命令将房间的门、窗、送风口、回风口以及人、桌子、椅子进行切割融合,并与房间模型整合为一体。图1为侧送侧回风口房间模型示意图。

图1 侧送侧回风口房间模型示意图Fig.1 Schematic diagram of the side supply and side return room model

网格的数量及质量直接影响模拟计算的准确性,网格数量并不是越多越好,而是要根据具体的模型尺寸和复杂程度进行划分。本研究中有人员、桌椅、风口等不同尺寸的模型,故采用Gambit对模型进行网格划分时需要设置不同间隔的网格尺寸:送、回风口所在空间Interval Size设置为20,桌子(桌面为污染源)所在的空间Interval Size设置也为20,除此之外的空间均采用Interval Size设置为50的网格;Hex(六面体网格形式)为网格划分元素;划分类型采用Map与Submap混合形式。

以上送上回气流组织模型为例,该模型网格划分为1 014 324个面网格(faces)、981 578个体网格(cells)、798 582个网格节点(nodes),具体如图2所示。

图2 网格划分示意图Fig.2 Schematic diagram of grid division

1.2 数学模型

数学模型的建立基于以下假设:1)室内气流为定常流、低速、不可压缩的牛顿流体,忽略其黏性引起的耗散;2)室内热源均匀或无大的温度浮动;3)颗粒直径为1～10 μm,颗粒为球状、无相变,颗粒之间无化学反应,以初始状态均匀分布在空气中。

1.2.1连续相模型

本研究选用的是 RNGk-ε模型,RNGk-ε模型相比于k-ε模型,提高了原模型处理高应变率及流线弯曲程度较大流动的能力。

涡黏系数:

(1)

k方程:

(2)

ε方程:

(3)

式(1)至式(3)中:Cμ=0.09,c1=1.44,c2=1.92,σk=1.0,σε=1.33。

壁面附近的流动视为简单的紊流边界层流动,采用壁面函数法。

1.2.2离散相模型(DPM)

本研究中PM2.5的体积分数小于10%,因此使用DPM模型。气流中,在重力、浮力、压力等的综合作用下,微小固体颗粒的速度基本没有变化。

颗粒相在X方向上的运动方程为

(4)

颗粒相与连续相的耦合有单向耦合和双向耦合两种方式,双向耦合比单向耦合较难收敛。本研究考虑了流体与颗粒的相互影响,在DPM中选用了双向耦合。

2 边界条件

在RNGk-ε模型中,近壁采用壁面函数处理;在DPM模型中,选择萨夫曼升力(Staffman lift force)。每迭代1次连续相迭代10次,仅考虑萨夫曼升力的影响,并考虑紊流效应。送风口的风速设为2.5 m/s,送风口定义为velocity-inlet,回风口定义为自由出口(outflow),门窗和墙的边界类型为trap,散发污染物的桌面DPM模型设置为escape。由于桌面设为模型的污染源,故设置Z轴即桌面法线的扩散速率为0.002 m/s,X轴和Y轴的扩散速率为默认值。空气密度采用1.225 kg/m3,球形颗粒的材料设为ash-solid、密度为600 kg/m3。模拟实验的质量流动速率为0.000 03 kg/s。

3 结果与分析

3.1 上送上回

上送上回式气流组织中,风从房间上部进入,气流会从送风口沿着侧墙壁慢慢向回风口扩散。风进入房间后,气流影响范围很小且分布不均匀。上送上回式气流组织的气流速度分布见图3。如图3所示,气流靠墙侧慢慢向房间中部扩散,在高度为1.3 m时,送风速度可达到0.8 m/s左右;在到达人体头部位置时(距离地面约1.1 m),水平面风速在0.7 m/s 左右。由此可见,速度随着高度变化较快。模拟结果还显示,当送风速度在东、西墙壁处达到0.5 m/s时,部分气流会较均匀地在房间里分布。

图3 Z=1.3 m时气流速度分布(上送上回)Fig.3 Air velocity distribution diagram at Z=1.3 m for upward delivery and upward returning

上送上回式气流组织中,气流的流速矢量分布见图4。由图4可以看出,房间中部区域靠近回风口处(距地面约1.2 m),空气反方向运动形成分布不匀的漩涡,且比送风口下方漩涡的影响范围要大。气流运动方向较乱,向周围不规则扩散。

图4 Z=1.2 m时气流的流速矢量分布(上送上回)Fig.4 Velocity vector plot at Z=1.2 m for upward delivery and upward returning

上送上回式气流组织的PM2.5污染物分布见图5。由图5可以看出,在上送上回式气流组织的模型中,污染物大多都滞留在房间里,并没有随气流从回风口排出,这导致房间里聚集的污染物越来越多,室内空气质量得不到有效改善。

图5 房间污染物分布(上送上回)Fig.5 Pollutant distribution map of the room for upward delivery and upward returning

3.2 上送下回

上送下回式气流组织中,风从房间上部进入后,沿墙壁速度逐渐降低,到达人体附近时,速度约为0.8 m/s。模拟结果显示,气流向布置在房间下部距地面0.5 m的回风口流动时,空气流动分布不均匀现象加重,在贴近地面时风速分布最不均匀。气流由上部向地面方向运动,桌面处的污染物也随着气流向地面扩散,从而进入回风口。

上送下回式气流组织中,房间桌面处污染物分布见图6。由图6可以看出:约从7.6 s开始,污染物从桌面向下运动;约在19 s时,房间里仍有部分污染物向回风口处流动。 此种气流组织下,污染物分布范围窄,随气流整体向回风口运动,对人体危害较小。

图6 桌面处污染物分布(上送下回)Fig.6 Distribution of pollutant at the desktop for upward delivery and downward return

3.3 侧送侧回

侧送侧回式气流组织中,送、回风口分别设在相对的两面墙上部。风以2 m/s的速度从风口进入房间,影响范围较大,但在垂直方向影响逐渐变小。在人体头部高度所在空间,风速约为0.2 m/s,在回风口处风速约为0.7 m/s。侧送侧回气流组织风口处气流的流速矢量分布见图7。如图7所示,气流从送风口进入后向地面运动,在送风口垂直方向形成一个漩涡,漩涡中心风速可达0.8 m/s左右。回风口附近靠近房间中部区域的空气分布较均匀,气流遇到墙时也会形成一个漩涡,此时中心最高风速较低,为0.15 m/s左右。

图7 风口处气流的流速矢量分布(侧送侧回)Fig.7 Velocity vector diagram at the air outlet for side delivery and side returning

侧送侧回式气流组织中,房间桌面处污染物分布见图8。如图8所示,在侧送侧回送风模型中,桌面处的PM2.5因送风气流的作用向四周扩散,经过9.1 s后,部分污染物开始向回风口方向扩散,而在约第22 s,房间里仍有大量颗粒物悬浮。

图8 桌面处污染物分布(侧送侧回)Fig.8 Distribution of pollutants at the desktop for side delivery and side returning

4 结论

本研究采用CFD软件包FLUENT软件对3种不同的气流组织形式建立物理模型,并对其进行数值模拟分析,研究发现:

1)3种模型都在送风口处对周围气流产生影响,且垂直于送风方向的影响范围比沿送风方向大。

2)侧送侧回式气流组织中,PM2.5的浓度在人体头部高度扩散较快;上送下回气流组织中,从送风口进入的新风,沿送风口垂直方向形成一个漩涡,导致桌面处的污染物在垂直方向较难扩散,且向地面扩散较多,更多的颗粒物聚集在地面,所以PM2.5浓度较高。在此气流组织下,人体附近的风速可保持在0.2 m/s左右,满足设计规范的要求,而且空气流动较稳定,具有较好的舒适感,但在这种气流组织下,去除污染物的效果不够明显。

3)相比于另外两种气流组织,上送上回气流组织的房间里聚集了较多的颗粒物,较少的颗粒物向回风口处扩散并且散布在房间上方。