自然通風(fēng)下室內(nèi)細(xì)顆粒物運(yùn)動(dòng)模擬分析

何偉軒+關(guān)穎+孫昊+許昂

摘 要：PM2.5是指空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱為細(xì)顆粒物或可入肺顆粒物，易沉積于人體內(nèi)部不易排出，造成人體的免疫功能衰退，產(chǎn)生一系列有關(guān)呼吸系統(tǒng)疾病。高校作為典型的人員密集場(chǎng)所，有著嚴(yán)格的室內(nèi)空氣品質(zhì)要求。本文以沈陽市某高校多媒體教室為研究對(duì)象，通過Gambit建立物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并運(yùn)用fluent模擬軟件，研究分析了風(fēng)速0.5 m/s、1 m/s、2 m/s工況下，室內(nèi)PM2.5速度場(chǎng)與濃度場(chǎng)的分布。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)顆粒物氣流跟隨性強(qiáng)，在入冬時(shí)期室外細(xì)顆粒物濃度高、風(fēng)速大，不易開窗換氣。

關(guān)鍵詞：PM2.5；室內(nèi)細(xì)顆粒物；運(yùn)動(dòng)模擬分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.171

0 引言

大氣顆粒物是影響大氣環(huán)境的一個(gè)重要因素，霧霾天氣的持續(xù)且越加劇烈的出現(xiàn)，吸引了人們?cè)絹碓蕉嗟囊曇啊Ｊ彝忸w粒物濃度的高低直接的決定了室內(nèi)空氣品質(zhì)的優(yōu)劣。而人們生活和工作的80%時(shí)間都是在室內(nèi)活動(dòng)，對(duì)于某些弱勢(shì)群體則需要更多的時(shí)間。室外風(fēng)速變化頻率高，不易控制。通過數(shù)值模擬能夠有效的分析顆粒物隨風(fēng)速的改變從室外到室內(nèi)傳輸軌跡的影響。

1 數(shù)值模擬分析

1.1 物理模型建立

以沈陽市內(nèi)某高校多媒體教室作為本次模擬分析的研究對(duì)象。所選教室位于沈陽市東南部，全年夏季以東南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，冬季則為西北風(fēng)，全年平均風(fēng)速達(dá)到4.4m/s，7月-9月份平均風(fēng)速為2.8m/s。高校教室位于建筑物二層，室內(nèi)房間尺寸為：7.5×5.84×3.6（m），房間內(nèi)布兩人課桌15張，多媒體講臺(tái)1個(gè)，講桌1張，黑板等一些相關(guān)配套設(shè)施。由于本文研究室外細(xì)顆粒物隨不同風(fēng)速傳入室內(nèi)軌跡，為研究更具有針對(duì)性，在模擬時(shí)簡化室內(nèi)物體均為長方形。其大小分別為：1.2×0.4×0.8（m）、0.89×0.5×1.15（m）、1.3×0.7×0.42（m）。房間視圖見圖1。

本文研究自然通風(fēng)形式下的室內(nèi)PM2.5的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在簡化室內(nèi)裝置布局的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步簡化沒有室內(nèi)PM2.5發(fā)散源。模型的簡化有助于模擬的研究，并提高了模擬效率，使模擬更具有針對(duì)性。實(shí)際生活中，風(fēng)速和風(fēng)向是隨時(shí)變化的，模擬中假設(shè)室外風(fēng)垂直于外窗吹響室內(nèi)，并假設(shè)風(fēng)速穩(wěn)定不變，對(duì)比風(fēng)速大小對(duì)其顆粒物軌跡的影響。室外空氣從南側(cè)的窗戶進(jìn)入室內(nèi)，從北側(cè)的門洞流出，模擬與實(shí)測(cè)條件一致。采用自然通風(fēng)，送風(fēng)速度分別為0.5 m/s、1 m/s、2 m/s。

1.2 顆粒物受力分析

對(duì)PM2.5在室內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受質(zhì)量力和表面力加以考慮，并綜合了細(xì)顆粒物所受Brownain力、熱泳力、Saffman升力、Basset力、虛假質(zhì)量力及Magnus力的影響。模型采用標(biāo)準(zhǔn)k – ε兩方程模型，用離散相模型來模擬室內(nèi)細(xì)顆粒物的運(yùn)動(dòng)軌跡。并采用氣固兩相流混合物模型分析出細(xì)顆粒物在室內(nèi)的濃度分布。模擬設(shè)立三種不同的進(jìn)風(fēng)速度0.5 m/s、1 m/s、2 m/s，室外進(jìn)入室內(nèi)顆粒物質(zhì)量流量分別為0.00075kg/s、0.0015 kg/s、0.003 kg/s。

1.3 邊界條件分析

空氣和細(xì)顆粒物在室內(nèi)的流動(dòng)屬于典型的室內(nèi)氣固兩項(xiàng)流模型，解決該問題的方法有多相流模型及離散相模型。多相流模型含有VOF模型、混合物模型和歐拉模型，這三種模型都屬于用歐拉法的觀點(diǎn)處理多相流，而離散相模型是將求解連續(xù)相的輸運(yùn)方程的同時(shí)，在拉格朗日坐標(biāo)下模擬流場(chǎng)中離散相的第二相。離散相模型適用第二相體積分?jǐn)?shù)一般說來要小于10-12%，離散相模型還可追蹤單個(gè)顆粒的運(yùn)行軌道。通風(fēng)下的室內(nèi)pm2.5體積分?jǐn)?shù)較低，所以采用離散相模型來模擬細(xì)顆粒在不同通風(fēng)下的室內(nèi)pm2.5的運(yùn)動(dòng)分布和沉積規(guī)律。室內(nèi)細(xì)顆粒含量低，對(duì)連續(xù)相影響甚微，故只考慮連續(xù)相對(duì)離散相的影響，采用拉格朗日單相耦合計(jì)算方法。

模擬中著重了解室內(nèi)顆粒的流速場(chǎng)，忽略了空氣與墻壁之間的傳熱，速度入口邊界與出口邊界均設(shè)置為escape類型；壁面粗糙度H=5um，壁面邊界條件采用最常見的無滑移條件，粒子和壁面之間的碰撞均為trap類型。顆粒進(jìn)入室內(nèi)的速度和進(jìn)入室內(nèi)的風(fēng)速相等。

2 室內(nèi)細(xì)顆粒物的分布特性

模擬自然通風(fēng)風(fēng)速分別0.5 m/s、1 m/s、2 m/s工況下，室外進(jìn)入室內(nèi)顆粒物質(zhì)量流量分別為0.00075kg/s、0.0015 kg/s、0.003 kg/s，對(duì)其室內(nèi)細(xì)顆粒物的分布進(jìn)行討論。

模擬結(jié)果表明圖2，細(xì)顆粒物PM2.5具有較強(qiáng)的氣流跟隨性， 細(xì)顆粒物隨室內(nèi)風(fēng)速的增加擴(kuò)散軌跡增長，而且其質(zhì)量濃度分布也比較均勻，受重力沉積機(jī)制作用不明顯。

3 結(jié)論

通過數(shù)值模擬研究，室內(nèi)細(xì)顆粒物具有較強(qiáng)的氣流跟隨性，細(xì)顆粒物運(yùn)行軌跡隨風(fēng)速的增大而增長。因此，在室外空氣質(zhì)量允許的情況下盡量保持通風(fēng)，同時(shí)盡量減少室內(nèi)污染源的散發(fā)，為高校師生學(xué)習(xí)提供一個(gè)優(yōu)良的室內(nèi)環(huán)境。

作者簡介：何偉軒（1993-），男，甘肅天水人，碩士，在讀研究生，研究方向：高校浴池余熱回收系統(tǒng)改造。