自然通風條件下催淚劑室內(nèi)擴散特性的模擬研究

歐陽的華，張倩韜，趙 雁

（1. 武警工程大學裝備工程學院，陜西 西安，710086；2. 陜西國際商貿(mào)學院，陜西 咸陽，712046）

目前，基于環(huán)境改善和污染控制的需要，國內(nèi)外學者對空氣或其他氣體的室內(nèi)擴散做了大量研究。如Paramasivam[1]研究了在自然通風時，窗口尺寸對室內(nèi)環(huán)境的影響，確定了使室內(nèi)處于熱舒適情況下的通風口布置位置和窗口的長寬比。Yassin等人[2]則針對風速分布和大氣污染物擴散之間的耦合統(tǒng)計關(guān)系，構(gòu)建了相關(guān)的數(shù)學模型。國內(nèi)，吳晉湘等[3]基于雙尺度湍流模型對室內(nèi)可燃氣體泄漏進行了研究，并推導出了相應的經(jīng)驗公式；王曉華[4]采用數(shù)值模擬的方法，研究了可燃氣體室內(nèi)的擴散特性，蔣裕平等[5]則對甲醛的室內(nèi)擴散特性進行了模擬研究；肖楚璠[6]研究了在自然通風條件下，室內(nèi)家具所釋放的甲醛的擴散特性。

武警部隊在處置突發(fā)事件以及反恐作戰(zhàn)過程中，根據(jù)戰(zhàn)時特定情況需要，經(jīng)常會向室內(nèi)或者相對密閉的空間內(nèi)（如機艙）投放催淚彈，以實現(xiàn)對恐怖分子的刺激作用。其作用效果的好壞則與催淚劑濃度的演變規(guī)律密切相關(guān)，而關(guān)于防暴彈催淚劑室內(nèi)擴散特性研究的文獻資料尚未見報道。因此，開展催淚劑在室內(nèi)擴散特性的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

為此，本文對催淚劑在室內(nèi)自然通風條件下的擴散特性進行了研究，分析了室內(nèi)不同觀測點水平或豎直方向的催淚劑濃度，以期為今后催淚彈作用效能的評估和改進提供理論參考。

1 計算模型

1.1 數(shù)學模型

1.1.1 氣相控制方程

假定催淚劑為均勻球體，在不考慮兩相間的溫度差、相變、顆粒物的形變及顆粒物間的相互作用時，其可視為二維定常不可壓縮流動，對應的控制方程為：

（1）連續(xù)性方程：

式（1）中：ug和ρg分別為氣體的速度與密度。

（2）動量方程：

式（2）～（4）中：τg為氣相應力張量；μg為氣相粘度；μlam,g為氣相層流動力粘度；μt為氣相湍流動力粘度；I為單位矢量；Sp-g為兩相間的作用力，其表達式為：

式（5）中：N為網(wǎng)格中催淚劑的數(shù)量；Num為單個模擬顆粒物所代表的真實催淚劑粒子數(shù)；Si為催淚劑粒子所在計算網(wǎng)格的球表面積。

1.1.2 運動學方程

計算時只考慮重力、薩夫曼（Saffman）升力和氣體曳力的作用，依據(jù)牛頓第二定律，催淚劑的運動方程可表示為：

式（6）中：mi，ui分別表示催淚劑的質(zhì)量和速度；g為重力加速度；FS為薩夫曼升力；FD為氣體曳力。其中：

式（7）～（9）中：ρi，Vi，di分別為催淚劑的密度、體積和粒徑；μ，ρg分別為空氣的粘度系數(shù)和密度。

1.2 室內(nèi)物理模型

首先構(gòu)建房間的幾何模型，如圖1所示，房間長為5m（x軸方向），寬為4m（z軸方向），高為3 m（y軸方向）。房間左側(cè)有一個門，右側(cè)有一個可以開啟的 1.6×1.6m2窗戶。催淚彈的釋放位置為點 s（x=1.55m，z=2.0m）。為了較好地觀測不同位置的催淚劑濃度，計算時在垂直方向上選取了N1～N6共6個觀測點，其對應的坐標位置分別為：N1（x=0.6m，z=0.6m），N2（x=0.6m，z=2.0m），N3（x=0.6m，z=3.4m），N4（x=2.5m，z=0.6m），N5（x=2.5m，z=2.0m），N6（x=2.5m，z=3.4m）；在水平方向上選取了N10～N12共 3個觀測點，其對應的坐標位置分別為： N10（z=0.6m，y=1.1m），N11（z=2.0m，y=1.1m），N12（z=3.4m，y=1.1m）。

圖1 室內(nèi)模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the interior model

室內(nèi)的溫度設(shè)定為常溫（25℃），由于恐怖分子在室內(nèi)時，門往往是緊閉的，所以可以不考慮室內(nèi)通風，初始氣流為靜止流場，窗口為唯一的出口條件。催淚劑釋放時的出口速度 ui,0=10m/s，催淚劑的直徑為 10μm，密度為 1.3g/cm3?？紤]到室內(nèi)彈體釋放源為單個彈體釋放源，體積濃度計算起來相對較小，誤差將增大，因此采用歸一法的方法，將釋放源處的催淚劑濃度設(shè)為1，其余位置濃度是相對釋放源處的濃度大小。

1.3 物理及網(wǎng)格模型

如圖 2（a）所示，先利用 CFD 前處理軟件（Gambit）建立其三維模型，而后再采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行體網(wǎng)格劃分，如圖2（b）。根據(jù)文獻[7]，網(wǎng)格特征尺寸（△s）應滿足：

式（10）中λ為粒子間的平均自由程，其值在計算前通過估算獲得。

圖2 室內(nèi)的物理模型與網(wǎng)格模型Fig.2 Physical and mesh model of the interior

2 結(jié)果分析與討論

2.1 流場及濃度分布

本文采用 FLUENT軟件來求解各控制方程，通過有限體積法對各控制方程進行離散，壓力與速度耦合采用 SIMPLE 算法，差分格式采用二階迎風格式，以求得合理的控制方程的解。

圖3 催淚劑的流場圖及濃度分布（z=0）Fig. 3 The flow field of the lachrymator and concentration distribution (at z=0)

圖3（a）是在z=0的對稱中心截面上的流場圖，由圖3（a）可知，由于室內(nèi)流場的流速較低，所以基本上形成了以彈體釋放源S處為中心，向兩側(cè)逐漸擴散的流場分布。這主要是因為對于本流場而言，外界流場的作用十分微弱，催淚劑主要是依賴自身的釋放速度以及它們所受的重力、氣體曳力以及隨機力等各種作用力所驅(qū)動的，因此其不易擴散開來。圖3（b）為對應的催淚劑濃度分布，圖中通過顏色來表示催淚劑濃度的高低，顏色越接近藍色代表催淚劑的濃度越低，反之，顏色越接近紅色則表示催淚劑的濃度越高。由該圖可知，由于形成的催淚劑不易擴散，因此其濃度較高，基本在0.7～0.9的范圍內(nèi)。

2.2 不同位置處的催淚劑濃度分布

圖4為不同高度處y方向的催淚劑濃度分布，圖4（a）為x=0.6m處，不同高度處y方向的催淚劑濃度分布；圖4（b）為x=2.5m處，不同高度處y方向的催淚劑濃度分布。

圖4 不同高度處y方向的催淚劑濃度分布Fig.4 The lachrymator concentration distribution at y direction with different height

由圖4可知，不同高度處y方向的催淚劑存在一定的濃度梯度。同時還可發(fā)現(xiàn)，N2和N5雖然都正對窗口，但是由于N5在釋放點的右邊，比較靠近窗口所在的截面，所以催淚劑較容易被窗口吸引而向外擴散，濃度相對其他位置來說明顯較小。而N2雖然也正對窗口，但其位于釋放點的左邊正上方，且離窗口較遠，故濃度較大。

圖5為在高度y=1.1m處，不同前后處x方向的催淚劑濃度分布。

圖5 x方向不同觀測點處的顆粒濃度分布Fig.5 The concentration distribution at x direction with different observation point

由圖5可見，在最前點和最后點的濃度變化不大，而在中間點處，呈現(xiàn)一種先增大，之后又不斷減小的趨勢。這主要是因為N11處的x方向濃度會先經(jīng)過釋放源位置，后又靠近窗口，故呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，而N10、N12水平方向，由于受氣流影響較弱，故濃度較高，之后距離窗口處越來越近，故濃度也在逐步地減少，這一點與Fick擴散定律[8]：“粒子將由濃度高的地方向著濃度較低的地方不斷遷移，使粒子濃度梯度逐步減小”是一致的。

但是，總體而言，由于催淚劑一直是處于室內(nèi)，不受外界的其他影響，其主要是在重力、氣體曳力及隨機力等的作用下，進行隨機擴散運動，因此各點位置的濃度均比較高，基本維持在0.7～0.9的范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

本文采用Fluent軟件對催淚劑擴散動力學特性進行了數(shù)值模擬，經(jīng)計算分析得到以下結(jié)論：

（1）在自由擴散的情況下，室內(nèi)形成了以彈體釋放位置為中心，向兩側(cè)擴散的氣流場和粒子濃度場，由于沒有外界的影響，整個室內(nèi)的濃度分布普遍較高，不易擴散。

（2）通過比較不同位置的催淚劑濃度，發(fā)現(xiàn)無論是豎直方向還是水平方向上，離通風窗口越近的位置，濃度越低。

（3）本研究為催淚劑的擴散特性研究提供了一種新的思路，但作為嘗試，計算中未考慮催淚劑自身的影響，如催淚劑粒子之間的碰撞與凝并等效應，其還有待于進一步改進。

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