孔板送風(fēng)房間內(nèi)污染物分布的模擬與實(shí)驗(yàn)

孫麗穎，魏慧嬌

(1．哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院，150001哈爾濱，sunliying@hrbeu．edu．cn;2．中國(guó)建筑科學(xué)研究院天津分院，300834天津)

孔板送風(fēng)房間內(nèi)污染物分布的模擬與實(shí)驗(yàn)

孫麗穎1，魏慧嬌2

(1．哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院，150001哈爾濱，sunliying@hrbeu．edu．cn;2．中國(guó)建筑科學(xué)研究院天津分院，300834天津)

為研究孔板送風(fēng)條件下室內(nèi)污染物體積分?jǐn)?shù)的分布規(guī)律，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬兩種方法．建模時(shí)采用基本模型和N點(diǎn)風(fēng)口模型兩種方法進(jìn)行孔板入口邊界條件的處理，模擬結(jié)果表明:兩種處理方法計(jì)算的污染物體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律相近;將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其變化趨勢(shì)吻合良好，其中N點(diǎn)風(fēng)口模型的模擬結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)情況，從而驗(yàn)證了應(yīng)用該模型研究室內(nèi)污染物分布特性的可行性．

孔板送風(fēng);污染物;數(shù)值模擬

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們對(duì)室內(nèi)裝修的要求不斷提高，各種新型材料在室內(nèi)裝飾裝修中的廣泛采用，導(dǎo)致室內(nèi)空氣品質(zhì)開(kāi)始惡化，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到室內(nèi)人員的身心健康．因此，解決室內(nèi)空氣污染問(wèn)題日益受到人們的關(guān)注．空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)對(duì)室內(nèi)污染物可以起到去除或稀釋的作用，在送風(fēng)過(guò)程中，污染物體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律與分布情況可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法來(lái)研究．隨著計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，室內(nèi)空氣品質(zhì)的研究借助于數(shù)值模擬方法，取得了很多成績(jī)，李麗等［1］用數(shù)值模擬方法研究了新風(fēng)量對(duì)室內(nèi)Total Votatile Organic Compound(簡(jiǎn)稱(chēng)TVOC)體積分?jǐn)?shù)的影響．張明遠(yuǎn)［2］運(yùn)用數(shù)值計(jì)算的方法，分析比較了不同送回風(fēng)方式對(duì)室內(nèi)污染物體積分?jǐn)?shù)分布的影響．趙彬等［3］采用三維CFD程序STACH－3對(duì)潔凈室的速度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出的結(jié)論是用“N點(diǎn)風(fēng)口動(dòng)量模型”描述孔板風(fēng)口可以得到與實(shí)際相符合的模擬結(jié)果．張文勝等［4］對(duì)一個(gè)體積為0.45×0.45×0.4(m3)的密閉小室，在送風(fēng)溫度恒定的條件下對(duì)小室內(nèi)孔板送風(fēng)氣流分布情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究．李勇［5］利用CFD軟件，對(duì)各種通風(fēng)空調(diào)方案下ICU病房?jī)?nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析比較，得出結(jié)論:百葉送風(fēng)時(shí)病房的排污能力要優(yōu)于孔板送風(fēng)．目前，國(guó)內(nèi)外通過(guò)數(shù)值模擬分析室內(nèi)氣流組織的研究較多，對(duì)孔板送風(fēng)條件下室TVOC體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)的CFD模擬分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相對(duì)較少，存在的問(wèn)題是數(shù)值模擬的方法、邊界條件和初始條件設(shè)定的合理性未能很好地用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，使得模擬結(jié)果的可信度降低．本文以某一采用孔板送風(fēng)的實(shí)驗(yàn)房間為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬的方法，研究孔板送風(fēng)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)房間內(nèi)污染物TVOC體積分?jǐn)?shù)的分布規(guī)律，在進(jìn)行孔板送風(fēng)口的邊界條件處理時(shí)，采用兩種不同形式的簡(jiǎn)化，并將實(shí)驗(yàn)與2種模擬結(jié)果進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證所建模型的正確性．

1 數(shù)值模擬基礎(chǔ)及模型建立

1.1 計(jì)算基礎(chǔ)

以哈爾濱工程大學(xué)人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的空調(diào)房間作為研究對(duì)象，房間的物理模型見(jiàn)圖1．房間尺寸為5m×3.5 m×2.8 m，一門(mén)一窗位于南墻上．設(shè)實(shí)驗(yàn)房間內(nèi)共有2張桌子和2個(gè)人，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)2張桌子是污染物TVOC的主要散發(fā)源．室內(nèi)溫度為18℃，送風(fēng)方式為孔板送風(fēng)，并且整個(gè)頂棚布滿(mǎn)孔板．回風(fēng)口為百葉風(fēng)口，尺寸為0.65 m×0.42 m，位于房間的西墻下方，桌子尺寸為0.7 m×0.4 m×0.6 m．

圖1 房間的物理模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

大量實(shí)驗(yàn)表明空調(diào)房間內(nèi)的氣流基本上是湍流，本文采用目前應(yīng)用最廣、接受檢驗(yàn)最多、數(shù)值技術(shù)也最成熟的湍流模型——k－ε二方程模型［6］．采用k－ε二方程模型求解湍流對(duì)流換熱問(wèn)題時(shí)，k－ε方程與動(dòng)量方程、能量方程、連續(xù)性方程一起構(gòu)成了室內(nèi)空氣流動(dòng)的控制方程，其通用形式［7］為

式中:φ為通用變量，分別表示動(dòng)量方程中的速度u，能量方程中的溫度T，體積分?jǐn)?shù)方程中的C，湍流動(dòng)能方程中的湍流動(dòng)能K及湍流動(dòng)能耗散方程中的耗散率ε;Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù);Sφ表示廣義源項(xiàng)．

劃分網(wǎng)格時(shí)在x、y、z方向上網(wǎng)格的長(zhǎng)度≤0.11 m，并在人體、桌子、風(fēng)口附近進(jìn)行加密，共生成143 851網(wǎng)格．然后采用控制容積法將控制方程在網(wǎng)格上離散，差分格式使用混合格式，求解算法為SIMPLE算法．

1.3 邊界條件和初始條件

在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，計(jì)算所需的邊界條件和初始條件如下:

1)精確的CFD模型可對(duì)室內(nèi)污染物體積分?jǐn)?shù)的分布進(jìn)行全面預(yù)測(cè)，風(fēng)口模型的設(shè)定是影響計(jì)算精度的主要因素之一．孔板送風(fēng)口的邊界條件簡(jiǎn)化采用以下兩種處理方法:模型一采用“N點(diǎn)風(fēng)口模型”［3］，即利用外形面積與原孔板風(fēng)口相等的簡(jiǎn)單開(kāi)口替換復(fù)雜孔板風(fēng)口，以描述其入流邊界條件，并保證入流的質(zhì)量流量和動(dòng)量流量與實(shí)際一致;模型二將孔板風(fēng)口等效為一個(gè)簡(jiǎn)單開(kāi)口，其面積與孔板風(fēng)口的有效通過(guò)面積相等，這樣可確保入流的動(dòng)量流量和質(zhì)量流量與實(shí)際一致［8］．

2)在滿(mǎn)足工作區(qū)溫濕度和風(fēng)速要求的基礎(chǔ)上，房間送風(fēng)量可取 750 m3/h，送風(fēng)溫度為18℃．

3)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室建在室內(nèi)，可忽略實(shí)驗(yàn)室圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外的傳熱問(wèn)題，模型中設(shè)定墻體為沒(méi)有厚度的絕熱墻體．

4)室內(nèi)空氣中TVOC的初始體積分?jǐn)?shù)為620×10－9．認(rèn)為室內(nèi)空氣為干空氣，室內(nèi)空氣初始溫度18℃．由于桌子散發(fā)污染物速率很小，短時(shí)間內(nèi)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響較小，所以近似認(rèn)為桌子散發(fā)污染物速率為0．

2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

為得出實(shí)際情況下室內(nèi)污染物體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律，對(duì)實(shí)驗(yàn)房間內(nèi)的污染物分布進(jìn)行了測(cè)試．實(shí)驗(yàn)在圖1所示的房間中距地面1.0 m處布置測(cè)點(diǎn)5個(gè)，其位置如圖2所示．圖2中將人和桌子簡(jiǎn)化成長(zhǎng)方體，圓圈代表測(cè)試點(diǎn)．實(shí)驗(yàn)前在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人為布置污染源，污染源采用建筑裝修中常用的粘合劑涂在桌面上，則室內(nèi)的兩張桌子成為污染物TVOC的主要散發(fā)源．為了使室內(nèi)污染物的體積分?jǐn)?shù)符合實(shí)際新裝修建筑室內(nèi)的一般水平，將污染源在室外放置約1 h，再放置室內(nèi)約6 h，以使其污染物充分散發(fā)并均勻分布在室內(nèi)．污染物釋放過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室的門(mén)窗全部關(guān)閉，以防止人為的擾動(dòng)．室內(nèi)總揮發(fā)性有機(jī)物(TVOC)的體積分?jǐn)?shù)用PpbRAE VOC檢測(cè)儀(PGM－7240X型)檢測(cè)，該設(shè)備的測(cè)試范圍是 0～9 999×10－9，精度為10%．

主要實(shí)驗(yàn)步驟:

1)按照儀器的使用要求連接儀器，并進(jìn)行使用前的校準(zhǔn)工作．

2)在各測(cè)點(diǎn)測(cè)試TVOC的初始體積分?jǐn)?shù)，測(cè)試時(shí)盡量減少室內(nèi)人員走動(dòng)，以防止氣流擾動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的誤差．

3)打開(kāi)空調(diào)系統(tǒng)，設(shè)置送風(fēng)溫度為18℃，送風(fēng)相對(duì)濕度為36%，風(fēng)量設(shè)置為750 m3/h．開(kāi)始送風(fēng)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)處的污染物體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化時(shí)開(kāi)始測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的污染物體積分?jǐn)?shù)，本實(shí)驗(yàn)取各測(cè)點(diǎn)5 s內(nèi)的污染物體積分?jǐn)?shù)的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果．每組測(cè)試時(shí)間間隔為60 s，共計(jì)測(cè)試10～15組．

4)當(dāng)室內(nèi)污染物體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化不大時(shí)，停止測(cè)量，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)儀器，關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)．

圖2 測(cè)試點(diǎn)布置(m)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 兩種模型不同時(shí)刻模擬結(jié)果比較

圖3為不同時(shí)刻兩種模型模擬結(jié)果比較，可以看出:

1)采用兩種不同模型的模擬結(jié)果，室內(nèi)污染物體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律相近，其中測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)4由于距離污染源較近體積分?jǐn)?shù)較高．采用模型一時(shí)同一時(shí)刻室內(nèi)測(cè)點(diǎn)2的體積分?jǐn)?shù)最低，而采用模型二時(shí)測(cè)點(diǎn)3的體積分?jǐn)?shù)最低，其主要原因是模型二相對(duì)于模型一送風(fēng)口尺寸減小了，使得模型2中的測(cè)點(diǎn)3剛好位于送風(fēng)口的正下方，而測(cè)點(diǎn)2位于送風(fēng)口的邊緣處．

2)同一時(shí)刻模型二所得室內(nèi)污染物體積分?jǐn)?shù)較低，主要是因?yàn)槟Ｐ投惋L(fēng)口較小，風(fēng)速相對(duì)較大．模型二中測(cè)點(diǎn)4所處的位置位于體積分?jǐn)?shù)“死角”內(nèi)，所以體積分?jǐn)?shù)偏高．

3)送風(fēng)1 000 s時(shí)，室內(nèi)污染物體積分?jǐn)?shù)變化趨于穩(wěn)定，兩種模型模擬得到的室內(nèi)污染物體積分?jǐn)?shù)基本相同，各測(cè)點(diǎn)TVOC體積分?jǐn)?shù)相差1 ～2 ×10－9．

圖3 兩種模型不同時(shí)刻模擬結(jié)果對(duì)比

3.2 各測(cè)點(diǎn)污染物體積分?jǐn)?shù)逐時(shí)變化情況

圖4是采用兩種模型時(shí)測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3污染物體積分?jǐn)?shù)逐時(shí)變化曲線(xiàn)，兩曲線(xiàn)基本重合，體積分?jǐn)?shù)下降趨勢(shì)完全相同，在大約第900 s時(shí)體積分?jǐn)?shù)變化曲線(xiàn)的斜率很小，室內(nèi)TVOC體積分?jǐn)?shù)已趨于穩(wěn)定．

3.3 Y方向污染物體積分?jǐn)?shù)分布

孔板送風(fēng)所形成的室內(nèi)氣流組織形式是典型的“活塞流”，送風(fēng)從上部空間逐漸向下推進(jìn)，所以同一時(shí)刻距地面不同高度的測(cè)點(diǎn)上污染物體積分?jǐn)?shù)有較大差別，本文取房間內(nèi)測(cè)點(diǎn)3位置上距地面不同高度上的5個(gè)測(cè)點(diǎn)，分析同一時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)的體積分?jǐn)?shù)值．

從圖5可以看出:

1)兩種模型的模擬結(jié)果均表明，在送風(fēng)初期，離地面距離越大，測(cè)點(diǎn)污染物體積分?jǐn)?shù)越低．采用模型二得出的各測(cè)點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)隨高度變化較大，60 s時(shí)刻模型一最大與最小體積分?jǐn)?shù)值相差20×10－9，模型二最大與最小體積分?jǐn)?shù)值相差45×10－9．

2)隨著送風(fēng)時(shí)間的延長(zhǎng)各測(cè)點(diǎn)的體積分?jǐn)?shù)差值逐漸減小，說(shuō)明室內(nèi)污染物體積分?jǐn)?shù)逐漸趨于均勻狀態(tài)．

3)距地面較近的測(cè)點(diǎn)污染物體積分?jǐn)?shù)隨高度的變化并不大，而在距地面1.4 m以上的區(qū)域內(nèi)高度會(huì)對(duì)污染物體積分?jǐn)?shù)產(chǎn)生很大影響，模型二表現(xiàn)得更加明顯．這說(shuō)明射流區(qū)污染物體積分?jǐn)?shù)變化較明顯，在工作區(qū)污染物體積分?jǐn)?shù)較均勻．

圖4 測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3體積分?jǐn)?shù)變化曲線(xiàn)

圖5 y方向體積分?jǐn)?shù)分布對(duì)比

3.4 速度場(chǎng)比較

圖6是采用兩種不同模型模擬時(shí)，室內(nèi)(z=0.5 m截面與x=0.25 m截面)的流線(xiàn)分布情況．

圖6 兩種模型模擬的流線(xiàn)分布

采用不同簡(jiǎn)化模型進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，室內(nèi)氣流分布有很大的不同．采用模型一時(shí)室內(nèi)氣流分布均勻，送風(fēng)口下的區(qū)域內(nèi)流線(xiàn)近似平行，較為符合實(shí)際情況下的氣流分布;采用模型二時(shí)，在出風(fēng)口下的區(qū)域內(nèi)流線(xiàn)近似平行，而在出風(fēng)口的兩側(cè)氣流分布出現(xiàn)漩渦，其中z=0.5 m截面左側(cè)氣流因?yàn)槭艿饺说淖钃醵霈F(xiàn)一個(gè)很大的漩渦．正是由于兩種模型模擬的室內(nèi)氣流分布的差異導(dǎo)致室內(nèi)污染物的體積分?jǐn)?shù)分布有所不同．

4 數(shù)值模擬的驗(yàn)證

數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用兩種不同的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行模擬的結(jié)果相差不大，但是哪種模型的模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況，還需通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)．

圖7是將不同時(shí)刻的模擬值和實(shí)驗(yàn)值繪制在同一坐標(biāo)系下的體積分?jǐn)?shù)分布曲線(xiàn)．

圖7 模擬值和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

通過(guò)圖7中模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，可得出下述結(jié)論:

1)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示的室內(nèi)空氣中污染物體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律符合較好，對(duì)于不同測(cè)點(diǎn)，兩者在數(shù)值上存在0.1% ～15%的誤差，測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)4由于靠近污染源，TVOC體積分?jǐn)?shù)比較高，測(cè)點(diǎn)2與測(cè)點(diǎn)5體積分?jǐn)?shù)較低，而測(cè)點(diǎn)3處于平均水平．

2)第1 000 s時(shí)，室內(nèi)TVOC體積分?jǐn)?shù)基本達(dá)到穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的平均值(142×10－9)與模擬結(jié)果(137×10－9)有一定差別，但誤差較小，進(jìn)一步證實(shí)了用數(shù)值模擬的方法研究室內(nèi)污染物分布特性的可行性．

3)實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)與采用模型一所得的計(jì)算結(jié)果更為接近，因?yàn)樵趯?shí)際情況中送風(fēng)小孔均勻布滿(mǎn)整個(gè)天花板，“N點(diǎn)風(fēng)口模型”利用外形面積與原孔板風(fēng)口相等的簡(jiǎn)單開(kāi)口替換復(fù)雜孔板風(fēng)口，更符合實(shí)際情況，更適合進(jìn)行孔板送風(fēng)條件下污染物分布的數(shù)值研究．

5 結(jié)論

1)孔板送風(fēng)對(duì)室內(nèi)污染物有明顯稀釋作用．對(duì)于本文研究的空調(diào)房間，送風(fēng)量為750 m3/h時(shí)，房間開(kāi)始送風(fēng)120 s后人坐姿呼吸層上的污染物體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)降到了國(guó)家規(guī)定值500×10－9之下，送風(fēng)900 s后，污染物體積分?jǐn)?shù)趨于穩(wěn)定．

2)模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，室內(nèi)污染物體積分?jǐn)?shù)分布和送回風(fēng)口、污染源的位置有很大關(guān)系，距離送風(fēng)口較近的區(qū)域內(nèi)污染物體積分?jǐn)?shù)較低，污染源及其周邊的污染物體積分?jǐn)?shù)較高．

3)孔板送風(fēng)采用兩種入流邊界條件處理方法的模擬結(jié)果均和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，模型一的模擬結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)情況，因此建議采用模型一的“N點(diǎn)風(fēng)口模型”進(jìn)行孔板送風(fēng)條件下污染物分布的數(shù)值研究．

［1］李麗，徐文華．新風(fēng)量對(duì)室內(nèi)VOCs濃度分布影響的模擬分析［J］．潔凈與空調(diào)技術(shù)，2003(3):16－20．

［2］張明遠(yuǎn)．室內(nèi)高大空間污染物分布數(shù)值模擬［D］．北京:華北電力大學(xué)，2003．

［3］趙彬，曹莉，李先庭．潔凈室孔板型風(fēng)口入流邊界條件的處理方法［J］．清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版， 2003，43(5):690 －692．

［4］張文勝，安大偉，董瑞，等．密閉恒溫小室流場(chǎng)均勻性的研究［J］．山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)， 2006，21(5):430－433．

［5］李勇．ICU病房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)值模擬［D］．武漢:華中科技大學(xué)，2006．

［6］鹿世化，黃虎，李奇賀．?dāng)?shù)值模擬用于室內(nèi)空氣質(zhì)量控制的研究進(jìn)展［J］．暖通空調(diào)， 2007，37(5):40 －46．

［7］陶文銓?zhuān)當(dāng)?shù)值傳熱學(xué)［M］．2版．西安:西安交通大學(xué)出版社，2001．

［8］NIELSEN P V．Description of supply openings in numerical models for room air distribution ［J］．ASHRAE Transactions， 1992，98(1):963 －971．

Numerical simulation and experimental investigation of contamination distribution in a chamber with perforated ceiling air supply

SUN Li-ying1，WEI Hui-jiao2

(1．College of Aerospace and Civil Engineering，Harbin Engineering University，150001 Harbin，China，sunliying@hrbeu．edu．cn;2．China Academy of Building Research(Tianjin Branch)，300834 Tianjin，China)

To study the contamination distribution in a chamber with perforated ceiling air supply，simulative analysis and experimental tests are carried out in this paper．In modeling，the Basic model and N-spot air model are both used for defining the orifice entrance boundary condition．The simulation results show that the distribution of contamination concentration agrees well with the test result．Especially，the simulation result of the N-spot air model is closer to the experimental one，which proves the feasibility of this model in analyzing indoor contamination distribution．

perforated ceiling air supply;contamination;numerical simulation

TU831.3

A

0367－6234(2011)08－0135－05

2010－03－10．

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(HEUCF100206)．

孫麗穎(1973—)，女，博士，副教授．

(編輯 趙麗瑩)