基于CFD模擬的煙氣在吸煙室中的擴(kuò)散狀態(tài)研究

舒 璠，王 予，潘曉薇，吳君章，陶 紅,曾勁松*

(1.華南理工大學(xué) 植物纖維研究中心，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學(xué)，制漿與造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；3.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510385)

隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)降低香煙煙氣危害越來越重視，如何設(shè)計(jì)凈化香煙煙霧的吸煙室，使凈化后的空氣符合環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)成為科研人員的研究重點(diǎn)。目前降低吸煙室有害氣體濃度的主要措施有三種[1-5]：一是從源頭減少有害氣體產(chǎn)生；二是加大新風(fēng)量；三是改善排風(fēng)系統(tǒng)。目前，煙氣的模擬多針對(duì)卷煙煙絲和濾嘴部分，杜亮[6]、余其昌[7]對(duì)煙絲部分進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出不同卷煙紙厚度、不同卷煙紙孔隙率下煙氣在煙絲的擴(kuò)散和流動(dòng)狀態(tài)。唐大榮[8]、文建輝[9]等以卷煙濾嘴為研究對(duì)象，基于CFD 模擬，研究了煙氣粒子在濾嘴中的擴(kuò)散、截留機(jī)理，得出了不同結(jié)構(gòu)的濾嘴對(duì)于煙氣中粒相物的過濾效率。但是，運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)吸煙室內(nèi)的煙氣擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬的研究很少。宋黎[10]運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)室內(nèi)的有毒有害氣體的擴(kuò)散進(jìn)行了模擬，分析了送風(fēng)速度和釋放源位置對(duì)有毒有害氣體濃度場(chǎng)的影響，但并未建立吸煙室模型，對(duì)于吸煙室的選型無指導(dǎo)意義。

本次研究利用CFD技術(shù)建立吸煙室的三維模型，并利用步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)得到模擬的初始數(shù)據(jù)，利用PIV實(shí)驗(yàn)測(cè)量煙氣速度，對(duì)CFD模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，最終模擬得到不同的送排風(fēng)方式、煙氣源量和新風(fēng)風(fēng)量下，吸煙室內(nèi)部煙氣速度場(chǎng)分布和CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布等數(shù)據(jù)，比較不同工況下的吸煙室的有害氣體凈化效率，對(duì)于吸煙室的選型提供了數(shù)據(jù)參考與指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

吸煙機(jī)和PIV系統(tǒng)為主要的實(shí)驗(yàn)裝置。吸煙機(jī)用來模擬卷煙抽吸的過程，提供模擬的初始數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過程中利用流量計(jì)測(cè)量煙氣流量；利用劍橋?yàn)V片采集煙氣固相并進(jìn)行稱重，得到固相質(zhì)量；利用鋁箔采樣袋采集煙氣氣相并進(jìn)行稱重，得到氣相質(zhì)量，將鋁箔采樣袋中的煙氣經(jīng)過氣相色譜儀，經(jīng)分析確定煙氣成分，為后續(xù)的模擬提供初始數(shù)據(jù)。PIV系統(tǒng)用于測(cè)量吸煙室內(nèi)煙氣的速度，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

如圖 1 所示，吸煙機(jī)包含以下幾部分：步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)控制箱、抽吸套筒、流量計(jì)、單向閥以及金屬煙嘴，主要是利用步進(jìn)電機(jī)的前后運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)抽吸套筒，對(duì)桶內(nèi)的煙氣進(jìn)行抽吸和排出。抽吸開始前，用鑷子將劍橋?yàn)V片放入金屬煙嘴中，完全密封后點(diǎn)燃煙支并開始抽吸100 mL煙氣，利用流量計(jì)測(cè)量抽吸煙氣的流量。抽吸完成后，用100 mL注射器將抽吸套筒內(nèi)的煙氣全部注射到鋁箔采樣袋中。實(shí)驗(yàn)過程中，分別對(duì)鋁箔采樣帶和劍橋?yàn)V片抽吸前后的質(zhì)量進(jìn)行稱重測(cè)量，計(jì)算煙氣中的氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為91.34%，粒相、氣相物質(zhì)的總質(zhì)量為0.145 g。

圖1 卷煙煙氣收集實(shí)驗(yàn)裝置[6]Fig.1 Experimental facility for cigarette smoke collection[6]

如圖2所示，PIV的原理主要是利用激光發(fā)射器，在煙氣所在的位置形成激光平面，在垂直于激光平面的方向上放置CCD相機(jī)，利用CCD相機(jī)拍攝圖片，通過電腦計(jì)算兩張圖片之間同一示蹤粒子的移動(dòng)距離、時(shí)間，得出煙氣的速度分布矢量圖、云圖。其中，PIV系統(tǒng)最大輸出800 mJ，脈沖持續(xù)時(shí)間4 ms，波長(zhǎng)1 064 nm、532 nm；CCD 相機(jī)分辨率為2 048×2 048。

圖2 PIV原理簡(jiǎn)圖Fig.2 The principle diagram of PIV

2 數(shù)值模擬

2.1 吸煙室的模型建立與網(wǎng)格劃分

如圖3所示，通過proe初步建立起吸煙室的三維模型，整體吸煙室為2 m×2 m×2.5 m的長(zhǎng)方體。吸煙室中共有4個(gè)座位供煙客抽煙，因此煙氣源共4個(gè)，1、2號(hào)座位距離壁面0.75 m，3、4號(hào)座位距離壁面0.55 m，煙氣產(chǎn)生位置的高度為1.5 m。在房間的4個(gè)角落設(shè)有4個(gè)側(cè)面風(fēng)口，頂部是一塊風(fēng)口頂板。當(dāng)吸煙室的送排風(fēng)方式為側(cè)送上排時(shí)，側(cè)面風(fēng)口為新風(fēng)口，頂部風(fēng)口為排風(fēng)口；當(dāng)吸煙室的送排風(fēng)方式為上送側(cè)排時(shí)，頂部風(fēng)口為新風(fēng)口，側(cè)面風(fēng)口為排風(fēng)口。使用 CFD 軟件構(gòu)建吸煙室的三維模型，網(wǎng)格劃分采用八叉樹法，網(wǎng)格數(shù)量約為 2 000萬。

圖3 吸煙室的三維模型Fig.3 Three-dimensional model of smoking room

2. 2 控制方程與邊界條件

本次吸煙室煙氣模擬采用Realizable的k-ε湍流模型，控制方程為：

Gk+Gb-ρε-Ym

(1)

(2)

邊界條件采用速度進(jìn)口和壓力出口，采用WALL 邊界作為模型的壁面條件，同時(shí)選擇無滑移固壁面，并使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理近壁區(qū)。采用組分運(yùn)輸模型模擬煙氣在吸煙室內(nèi)的流動(dòng)與擴(kuò)散。本次模擬在對(duì)照組的基礎(chǔ)上改變3個(gè)參數(shù)，共做了4組吸煙室的模擬，具體的邊界條件及相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 4組吸煙室模擬的邊界條件及相關(guān)參數(shù)

2.3 其他設(shè)置

此次模擬選用壓力(Pressure-based)求解器，壓力-速度耦合選用COUPLE 算法，動(dòng)量方程選用1階迎風(fēng)格式。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

通過之前所設(shè)置的邊界條件和相關(guān)參數(shù)，共進(jìn)行了4組吸煙室模擬，得到了t=15 min時(shí)4種狀態(tài)下的吸煙室內(nèi)的煙氣速度分布、CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。

3.1 速度場(chǎng)分布

圖4是煙氣源所在位置的吸煙室縱向截面的速度場(chǎng)分布，速度范圍為0～0.2 m/s?？梢钥闯觯覂?nèi)的煙氣氣流在經(jīng)過座位的時(shí)候速度較大，因?yàn)闊煔庠诮?jīng)過桌椅的時(shí)候產(chǎn)生繞流和回流，且在相同的流量下，流通面積下降，導(dǎo)致流速增大。在煙氣經(jīng)過墻壁的時(shí)候，由于煙氣碰到墻壁障礙物引起回流，以及煙氣在壁面的累積，導(dǎo)致煙氣氣流速度在局部加快，所以在部分壁面形成了較大的煙氣氣流速度，最明顯的就是實(shí)驗(yàn)組2，因?yàn)楫a(chǎn)生的煙氣較多，墻壁處累積的煙氣越多，越容易發(fā)生煙氣回流的現(xiàn)象。

圖4 煙氣源所在位置的吸煙室縱向截面的速度場(chǎng)分布Fig.4 Longitudinal cross-section velocity field distribution of the smoking room in air source location

圖5是煙氣源所在縱向軸線的速度分布，將實(shí)驗(yàn)組1和對(duì)照組對(duì)比，使用fluent計(jì)算得出對(duì)照組的室內(nèi)平均煙氣速度為0.083 m/s，實(shí)驗(yàn)組1的室內(nèi)平均煙氣速度為0.068 m/s，可以看出上送側(cè)排的吸煙室內(nèi)，煙氣的整體速度較低。將實(shí)驗(yàn)組2和對(duì)照組對(duì)比，使用fluent計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)組2的室內(nèi)平均煙氣速度為0.092 m/s，可以看出當(dāng)煙氣源量增加的時(shí)候，室內(nèi)的整體煙氣速度、煙氣濃度都呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，且煙氣源所在位置的煙氣速度上升幅度較大，因?yàn)闊煔鉂舛仍龃螅瑹煔鈿饬髋c送排風(fēng)氣流混合，產(chǎn)生漩渦，產(chǎn)生較強(qiáng)烈的湍動(dòng)，流速增大。將實(shí)驗(yàn)組3和對(duì)照組對(duì)比，使用fluent計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)組3的室內(nèi)平均煙氣速度為0.033 m/s，發(fā)現(xiàn)當(dāng)新風(fēng)速度下降后，室內(nèi)整體的煙氣速度下降得更加明顯。

圖5 煙氣源所在縱向軸線速度場(chǎng)分布Fig.5 Longitudinal axis speed field distribution in smoke source location

3.2 CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖6是煙氣源所在位置的吸煙室縱向截面的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，可以看出，上送側(cè)排的送排風(fēng)方式下，吸煙室的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)從上到下依次上升，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍在4.5×10-6～4.5×10-5之間，因?yàn)樗惋L(fēng)口處有大量的新風(fēng)涌入，極大地稀釋了煙氣的濃度，降低了吸煙室內(nèi)的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)。而側(cè)送上排的送排風(fēng)方式下，吸煙室的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)從上到下依次下降，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍在0～4.5×10-5之間，因?yàn)?個(gè)空調(diào)的底部送風(fēng)口送來大量的新風(fēng)，稀釋煙氣的同時(shí)推動(dòng)室內(nèi)的煙氣向上流動(dòng)，上方的煙氣越來越濃。將實(shí)驗(yàn)組3和對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)新風(fēng)速度提升時(shí)，吸煙室底部的煙氣幾乎被凈化。

圖6 煙氣源所在位置的吸煙室縱向截面的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.6 Longitudinal cross-section CO mass fraction distribution of the smoking room in air source location

圖7是煙氣源所在位置的吸煙室橫向截面的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，將實(shí)驗(yàn)組1和對(duì)照組對(duì)比，使用fluent計(jì)算得出對(duì)照組的室內(nèi)平均CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.88×10-6，實(shí)驗(yàn)組1的室內(nèi)平均CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.26×10-5，可以看出上送側(cè)排的送排風(fēng)方式下，吸煙室整體的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，對(duì)于吸煙室內(nèi)煙氣的清潔效率不如側(cè)送上排的送排風(fēng)方式，因?yàn)闊煔庥蔁熤紵a(chǎn)生，熱空氣的比重較小，會(huì)向上升，帶動(dòng)煙氣中的CO和細(xì)小粒相物向上升，而側(cè)送上排的吸煙室內(nèi)的送排風(fēng)氣流流動(dòng)方向和煙氣氣流方向相同，凈化效率較高。將實(shí)驗(yàn)組3和對(duì)照組對(duì)比，使用fluent計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)組3的室內(nèi)平均CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.94×10-5，發(fā)現(xiàn)當(dāng)新風(fēng)速度提升時(shí)，室內(nèi)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)加速下降，因?yàn)殡S著新風(fēng)速度的增大, 新風(fēng)量也增大，送入室內(nèi)的新鮮空氣增多,相當(dāng)于對(duì)室內(nèi)氣體進(jìn)行了有效地稀釋, 在一定程度上能夠提高排污效率。

圖7 煙氣源所在位置的吸煙室橫向截面的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.7 Longitudinal cross-section CO mass fraction distribution of the smoking room in air source location

圖8是煙氣源所在橫向軸線的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖，將實(shí)驗(yàn)組1和對(duì)照組對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在上送側(cè)排的吸煙室中，煙氣源產(chǎn)生位置的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，因?yàn)樵谏纤蛡?cè)排吸煙室中，側(cè)面排風(fēng)口距離煙氣源很近，污染物被上送風(fēng)的氣流帶動(dòng)，通過排風(fēng)口迅速排出。

圖8 煙氣源所在橫向軸線CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.8 Horizontal axis CO mass fraction distribution in smoke source location

室內(nèi)煙氣擴(kuò)散的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布主要取決于室內(nèi)的氣流分布特征和煙氣源的特性,從吸煙室質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的模擬結(jié)果也不難看出，煙氣源量、邊界條件、通風(fēng)口設(shè)置、室內(nèi)障礙物以及空間結(jié)構(gòu)布局都是影響煙氣擴(kuò)散的重要因素。

3.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證CFD模型的準(zhǔn)確性，建立起吸煙室的1∶1模型，在兩側(cè)墻壁各開1個(gè)1.5 m×1 m的玻璃窗，用PIV裝置對(duì)吸煙室內(nèi)4個(gè)煙氣源附近的煙氣速度進(jìn)行測(cè)量，將對(duì)照組的模擬結(jié)果中4點(diǎn)的煙氣速度與PIV實(shí)驗(yàn)測(cè)得的4點(diǎn)的煙氣速度進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)CFD模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

如圖9所示，使用PIV系統(tǒng)對(duì)煙氣源所在的激光平面進(jìn)行拍攝，得到煙氣的原始圖像，因?yàn)榱鲌?chǎng)中存在較多外界光源或者反光造成的雜信號(hào)，對(duì)計(jì)算造成了影響，使用Dynamic Studio V3.41軟件對(duì)該圖片截取煙氣流動(dòng)時(shí)外界干擾較少的圖片。通過 Image Mean處理，把所有拍攝的兩幀圖片像素值的平均值組成一張圖片。通過 Image Arithmetic 處理，將每一張?jiān)紙D片的兩幀圖片減去Image Mean 算法得到有效去除雜信號(hào)影響的圖片。通過 Adaptive Correlation 相關(guān)計(jì)算得到流場(chǎng)的瞬時(shí)原始 PIV矢量圖。通過 Average Filter 處理，使用周圍 3×3 網(wǎng)格的平均矢量來過濾掉相關(guān)計(jì)算過程中有可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤矢量。對(duì)瞬時(shí)的PIV流場(chǎng)矢量圖做平均統(tǒng)計(jì)，得出煙氣的速度。從表2中可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的平均相對(duì)誤差為17.9%，最大相對(duì)誤差控制在25%以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果保持著較好的相似性，因此驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

圖9 PIV流場(chǎng)圖Fig.9 The flow chart of PIV

表2 對(duì)照組吸煙室的4個(gè)煙氣源點(diǎn)的煙氣流速模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

建立了吸煙室的三維模型，運(yùn)用商業(yè)軟件 FLUENT 中的組分運(yùn)輸模型模擬了15 min內(nèi)4組吸煙室內(nèi)煙氣的擴(kuò)散和流動(dòng)，得到煙氣的速度分布和CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，得到如下結(jié)論：

1) 上送側(cè)排的送排風(fēng)方式，對(duì)于吸煙室內(nèi)煙氣的凈化效果一般，對(duì)于煙客所在區(qū)域的煙氣凈化效率較高；側(cè)送上排的送排風(fēng)方式，是更為有效的降低室內(nèi)煙氣濃度、凈化空氣的方式。

2) 在吸煙室內(nèi)，不同高度的煙氣濃度、CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)是不同的，這主要取決于送排風(fēng)方式、污染源的位置。

3) 當(dāng)煙氣源量增加的時(shí)候，室內(nèi)的煙氣氣流速度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，且室內(nèi)煙氣濃度較高，煙客受到二手煙的危害較高。

4) 當(dāng)新風(fēng)速度上升的時(shí)候，可以看出吸煙室的煙氣凈化效率大幅提升，提升新風(fēng)量是降低吸煙室內(nèi)煙氣濃度的有效方法。但是，應(yīng)當(dāng)注重空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)比例，正確處理吸煙室內(nèi)熱舒適和空氣質(zhì)量之間的矛盾，保證煙客的健康。