建筑群中涂料擴(kuò)散的建模與仿真

倪冬香 李 超 范秦寅 金哲晃

(1.上海交通大學(xué),國(guó)家工程數(shù)字研究中心,上海 200030;2.日本科瑞多軟件工程技術(shù)股份有限公司,日本)

1 引言

建筑物在進(jìn)行內(nèi)部或外部裝潢改造時(shí),常常會(huì)將毒性很強(qiáng)的涂料直接噴到工件表面作最后處理。在此過程中,常有可能出現(xiàn)操作工人或者附近其他人員,吸進(jìn)這種有毒空氣,造成喉痛、咳嗽等呼吸器官病變等事故。為了調(diào)查造成事故的原因,再現(xiàn)事故現(xiàn)場(chǎng),需要對(duì)涂料擴(kuò)散的過程進(jìn)行分析。但是,由于建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜,容易誘發(fā)復(fù)雜的漩渦系統(tǒng),進(jìn)而使污染物在建筑內(nèi)外部的擴(kuò)散和運(yùn)輸變得極為復(fù)雜。曾被廣泛運(yùn)用于預(yù)測(cè)污染物濃度場(chǎng)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法,因其自身的局限性(成本過高、預(yù)測(cè)精度不足)在實(shí)際應(yīng)用中受到很大的限制[1]。

同時(shí),近年來(lái)隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)和商業(yè) CFD軟件的不斷發(fā)展,CFD仿真應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛,也已逐漸滲透到建筑內(nèi)部及外部的污染物擴(kuò)散計(jì)算中。CFD仿真技術(shù)本身所具有的特點(diǎn):成本相對(duì)低廉,適用于處理各種復(fù)雜條件等,使其在與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、傳統(tǒng)測(cè)試方法相比具有非常大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),是今后的發(fā)展方向和應(yīng)用的重點(diǎn)[2]。

本文就是在這個(gè)大背景下,利用通用的商用CFD軟件 STREAM,對(duì)某建筑內(nèi)外部涂料擴(kuò)散的事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬再現(xiàn)。首先用標(biāo)準(zhǔn)的 k-ε湍流模型方程模擬噴涂開始前建筑物內(nèi)的流場(chǎng)分布,然后利用粒子追蹤功能和擴(kuò)散分析模擬涂料污染物顆粒在建筑物內(nèi)部各位置的擴(kuò)散軌跡和濃度分布,獲取發(fā)生事故位置的污染物濃度。

2 事故模型

建筑物處于斜坡上方如圖1所示,共有四層,分別為地下一層和地上三層。斜坡兩側(cè)的建筑物由地下走廊連通,如圖2,事故發(fā)生在地下一層。噴涂作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工作人員因戴了口罩沒有受傷,在地下一層的所有人員用不同顏色表示其在涂料污染物擴(kuò)散時(shí)的身體狀況。紅色表示重癥,綠色表示中度,藍(lán)綠色表示輕度,藍(lán)色表示沒有癥狀,如圖3所示。

3 計(jì)算模型

事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的詳細(xì)風(fēng)速、風(fēng)向及建筑物門窗關(guān)閉情況不明,在距離噴刷涂料現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)的位置也現(xiàn)了若干名病發(fā)人員。需要關(guān)心的是涂料污染物是否會(huì)到達(dá)病發(fā)人員所處的位置,到達(dá)該位置的污染物濃度在什么范圍等。

圖1 建筑物側(cè)視圖

圖2 建筑物俯視圖

圖3 建筑內(nèi)人員中毒情況示意圖

圖4 計(jì)算步驟示意圖

首先,根據(jù)建筑圖紙和實(shí)際建筑模型,建立涂料擴(kuò)散仿真的三維模型。在此過程中對(duì)不必要建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化,著重關(guān)注涂料污染物可能擴(kuò)散的所有途徑,在三維模型中標(biāo)識(shí)人員所在的具體位置。

其次,確定涂料污染物的物理屬性,建立涂料的控制方程。

此次事故中所使用的涂料是氟素系的特殊復(fù)合硅膠化合物,是有機(jī)溶劑的混合物。氟素系的特殊復(fù)合硅膠化合物具有比較高的急毒性,易引起呼吸困難、咳嗽等呼吸器官中毒癥狀。當(dāng)微粒子的大小約為10μm時(shí),會(huì)造成氣管障礙;大小為 2μm時(shí),會(huì)造成肺障礙并發(fā)癥。此外,高濃度的有機(jī)溶劑也會(huì)造成輕微嘔吐、頭昏等神經(jīng)系統(tǒng)中毒癥狀。

涂料的密度為 840kg/m3,有機(jī)溶劑的質(zhì)量比為 55%。噴涂時(shí),溶劑的一部分揮發(fā)(擴(kuò)散現(xiàn)象),剩下的溶劑及硅膠化合物的霧狀物質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間滯留不散,且霧狀顆粒(帶質(zhì)量粒子)的直徑隨時(shí)間變小。

粒子直徑的變化:在不可壓縮計(jì)算中,顆粒的直徑和密度認(rèn)為不變,使用用戶函數(shù)控制阻力系數(shù),得到近似顆粒的直徑和體積:

r(t)=r0-α? t

穿過大門，就來(lái)到了王宮的內(nèi)庭。整座王宮大致呈“回”字形，在中間圍成一個(gè)方正的庭院，庭院正中是一座燈塔，石頭做成的燈柱上有兩盞明燈，還有很多金色的裝飾。

V=4π(r0-α? t)3/3

r0為初期半徑[m],t為時(shí)間[s],α為揮發(fā)速度(單位時(shí)間,單位面積內(nèi)的揮發(fā)體積)。

圖5 速度場(chǎng)比較位置示意圖

溶劑的揮發(fā)速度:rs=r0-α?ts

其中,rs為只剩下硅膠化合物時(shí)的離子半徑[m],ts為溶劑完全揮發(fā)時(shí)的時(shí)間[s]。

假設(shè) 30分鐘后溶劑全部揮發(fā),噴霧時(shí)的直徑以20μm的噴狀物為基準(zhǔn),則:

α=2.0478603×10-9

其中,ρv為有機(jī)溶劑的密度[kg/m3],ρs為硅膠化合物的密度[kg/m3],只剩硅膠化合物時(shí)的體積[m3]。

最后,確定控制方程和計(jì)算方法。

流場(chǎng)計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn) k-ε方程,溶劑揮發(fā)、顆粒擴(kuò)散的控制方程為[4]:

計(jì)算分為三步(如圖4所示):

第一步:建筑物處于密閉狀態(tài),利用穩(wěn)態(tài)計(jì)算,求出噴涂開始前建筑物內(nèi)部的流場(chǎng)分布。

第二步:噴涂開始后,作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)三個(gè)通風(fēng)口打開,風(fēng)扇開始工作,考慮顆粒(霧狀物)、擴(kuò)散物質(zhì)(揮發(fā)的溶劑)運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)計(jì)算(實(shí)際時(shí)間 60分鐘)。經(jīng)過實(shí)際時(shí)間 10分鐘后,每隔 10s計(jì)算一次流場(chǎng)。

第三步:噴涂作業(yè)一段時(shí)間后,打開建筑物的中間通風(fēng)口,考慮顆粒(霧狀物)、擴(kuò)散物質(zhì)(揮發(fā)的溶劑)運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)計(jì)算(實(shí)際時(shí)間 10分鐘)。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

本計(jì)算模型使用的 CFD軟件為日本Cradle公司的 Stream軟件。該軟件是一款使用控制體積法和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的熱流體分析軟件,在建筑行業(yè)有廣泛地應(yīng)用。

在上述計(jì)算模型和控制方程條件下,主頻為3.6GHz,8CPU的硬件條件下,計(jì)算時(shí)間約為42個(gè)小時(shí),共約 127,000個(gè)循環(huán),得到一系列仿真結(jié)果,包括顆粒密度和直徑變化、建筑內(nèi)速度場(chǎng)分布、有機(jī)溶劑濃度分布、硅膠顆粒分布情況等。

4.1 速度場(chǎng)分布

選擇了建筑物內(nèi)五個(gè)測(cè)點(diǎn)(如圖5所示),在四種情況下進(jìn)行比較:a.所有通風(fēng)口關(guān)閉,噴涂開始前;b.三個(gè)通風(fēng)口打開,噴涂 10鐘后;c.三個(gè)通風(fēng)口打開,噴涂開始 60分鐘后;d.中間通風(fēng)口打開,噴涂開始 70分鐘后。(三個(gè)通風(fēng)口和中間通風(fēng)口所在位置見圖4)

五個(gè)位置在不同情況下的平均速度如圖6所示。

圖6 各位置的平均速度

圖7 有機(jī)物濃度分布

由上表可知,噴涂開始 10分鐘后的流場(chǎng)與 60分鐘的流場(chǎng)差別微小,表示噴涂 10分鐘后流場(chǎng)已經(jīng)基本穩(wěn)定。此外,中間通風(fēng)口開啟對(duì)流場(chǎng)的影響程度較大。

4.2 有機(jī)物濃度分布

由圖7 a-e可以清晰地看到,噴涂作業(yè)過程中有機(jī)物濃度隨時(shí)間的變化。噴涂剛開始時(shí),噴涂室內(nèi)有機(jī)物濃度最高,紅色最深的濃度為 1000mg/m3,藍(lán)色最深的濃度為 0 mg/m3。噴涂作業(yè) 70分鐘時(shí),建筑內(nèi)有機(jī)物濃度最高值為 400 mg/m3,位于連接走廊右側(cè)的房間內(nèi)。

4.3 硅膠顆粒分布

硅膠顆粒按其直徑分為五種,分別為:粉紅色顆粒其直徑為 40μm;黃色顆粒直徑為 20μm;綠色顆粒直徑為 10μm;青藍(lán)色顆粒直徑為 6μm;深藍(lán)色顆粒直徑為 3μm,如圖8所示。

圖8 顆粒顏色與直徑示意圖

由圖9可知,硅膠顆粒在擴(kuò)散過程中,密度隨發(fā)生了較大的變化。有噴涂作業(yè)開始時(shí),主要為粉紅色和黃色的顆粒,轉(zhuǎn)變絕大部分的青藍(lán)色和藍(lán)色顆粒。根據(jù)硅膠顆粒的屬性知道,當(dāng)微粒子的大小約為 10μm時(shí),會(huì)造成氣管障礙;大小為 2μm時(shí),會(huì)造成肺障礙并發(fā)癥。所以,噴涂作業(yè)進(jìn)行一段時(shí)間,遠(yuǎn)離作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的人員反而更加危險(xiǎn)。如圖10、圖11所示,噴涂作業(yè)分別進(jìn)行了 60分鐘、70分鐘后,建筑內(nèi)不同直接硅膠顆粒的濃度分布和人員的中毒情況。

某室內(nèi)有三個(gè)中毒患者,通過粒子濃度比較可發(fā)現(xiàn),該室內(nèi)直徑≦ 10μm的顆粒濃度最大,噴涂作業(yè) 70分鐘時(shí),高達(dá) 7.65×107個(gè) /m3,比 60分鐘時(shí)高出 3.38×107個(gè)/m3,幾乎是作業(yè) 60分鐘時(shí)濃度的兩倍。

圖10 噴涂作業(yè) 60分鐘,不同直徑粒子濃度

圖11 噴涂作業(yè) 70分鐘,不同直徑粒子濃度

5 結(jié)論

建筑內(nèi)部本身結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,涂料等污染物在其內(nèi)部擴(kuò)散時(shí),對(duì)應(yīng)內(nèi)部流場(chǎng)亦非常復(fù)雜。故,在建立事故模型時(shí),在保證模擬精度的前提下,進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化。確定合適的求解控制方程和求解步驟,以真實(shí)再現(xiàn)故事現(xiàn)場(chǎng)。

本文使用 STREAM軟件進(jìn)行模擬仿真,通過對(duì)不同時(shí)刻不同地點(diǎn)建筑物內(nèi)污染物顆粒濃度的分析,合理解釋了離事故現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)處的人員出現(xiàn)中毒現(xiàn)象而較近處的人員卻沒有中毒的現(xiàn)象。

[1]汪新.計(jì)算模擬建筑物對(duì)近源大氣污染物擴(kuò)散的影響[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2007.2:24(2).

[2]遲妍妍,張惠遠(yuǎn).大氣污染物擴(kuò)散模式的應(yīng)用研究綜述.[J]環(huán)境污染與防治.2007.5:29(5)

[3]汪新,K.F.McNamara.大渦模擬建筑物對(duì)近源大氣污染物擴(kuò)散的影響[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào).2007.3:24(1)[4]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安交通大學(xué)出版社.2001.