新型渦旋排風(fēng)罩捕集污染物的數(shù)值研究

王宏宇 曹智翔、2* 王怡、2

1 西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

2 西部綠色建筑國家重點實驗室

0 引言

局部排風(fēng)罩是局部通風(fēng)系統(tǒng)用以捕集室內(nèi)局部釋放污染物、維護室內(nèi)環(huán)境的重要末端裝置。傳統(tǒng)的局部排風(fēng)罩的排風(fēng)過程類似于“點匯”，排風(fēng)速度隨著與排風(fēng)罩口距離的增加而快速衰減[1]。因此排風(fēng)罩口應(yīng)盡量設(shè)置在污染源附近。但在實際操作過程中經(jīng)常存在生產(chǎn)和工藝的限制，導(dǎo)致排風(fēng)罩口設(shè)置在與污染源有一定距離的位置，這時即使加大排風(fēng)量也很難保證污染物的捕集效果，反而會導(dǎo)致通風(fēng)能耗增大。同時，除吸入污染物之外，排風(fēng)系統(tǒng)還同時從罩口四周吸入大量的潔凈空氣，因此盲目增大排風(fēng)量會導(dǎo)致風(fēng)機、管道、后處理裝置規(guī)模的增大，大幅提高了初投資和運行費用。因此，有必要不斷提高局部排風(fēng)罩對污染物的捕集控制效果，實現(xiàn)局部排風(fēng)系統(tǒng)的高效運行。

龍卷風(fēng)、塵卷風(fēng)等柱狀空氣渦旋具有控制距離長、卷吸能力強等特點，可以將地面附近的物體卷吸到高空中。因此如果能將柱狀空氣渦旋原理應(yīng)用到局部排風(fēng)系統(tǒng)中，可以很大程度地高局部排風(fēng)系統(tǒng)對污染物的捕集效果。對這類柱狀空氣渦旋發(fā)生機理的研究表明[2-4]，其生成需要滿足3 個條件：底部平面，下部角動量氣流和上升氣流。對于局部排風(fēng)系統(tǒng)來說，所要控制的污染源平面作為底部平面，污染源上方排風(fēng)罩的排風(fēng)氣流流場作為上升氣流。因此，只要能在污染源附近提供合適的角動量送風(fēng)氣流，就可以在空間內(nèi)形成柱狀空氣渦旋，從而實現(xiàn)渦旋排風(fēng)，以達到對污染物的長距離高效捕集[5]。

利用空氣渦旋來控制污染物擴散，之前已經(jīng)進行過一些形式的研究[6-9]。本文基于龍卷風(fēng)等柱狀空氣渦旋的生成機理，將一種新型渦旋排風(fēng)罩應(yīng)用于局部排風(fēng)系統(tǒng)。對于渦旋排風(fēng)罩，其設(shè)計的關(guān)鍵是如何得到穩(wěn)定并且強度、范圍可控制的渦旋流場。本文將柱狀空氣渦旋原理在排風(fēng)罩上進行了應(yīng)用，提出了一種新型渦旋排風(fēng)罩，并使用數(shù)值方式對這種新型渦旋排風(fēng)罩的基本流動特性和對不同種類污染物的捕集控制效果進行了研究，對提高局部排風(fēng)罩的效果具有一定的參考價值。

1 設(shè)計原理

渦旋排風(fēng)罩通過頂部排風(fēng)吸氣而產(chǎn)生負壓，這一負壓核心給底部旋轉(zhuǎn)匯聚氣流以向心力。而氣流由于旋轉(zhuǎn)作用將產(chǎn)生離心力。在向心力和離心力平衡的范圍內(nèi)產(chǎn)生柱狀空氣渦旋，如圖1（a）所示。柱狀空氣渦旋將收束于負壓核四周并朝向吸氣口，利用這種現(xiàn)象形成了本文研究的渦旋排風(fēng)。渦旋排風(fēng)罩的角動量送風(fēng)裝置如圖1（b）所示，在環(huán)形送風(fēng)口設(shè)置與法線方向呈一定夾角的導(dǎo)流葉片，從而使送風(fēng)形成帶有固定的角度的角動量送風(fēng)。

圖1 渦旋排風(fēng)罩

2 流場數(shù)值計算

2.1 數(shù)值計算方法

本文使用流體力學(xué)軟件ANSYS Fluent，對新型渦旋排風(fēng)罩的模型進行了流場數(shù)值計算。計算基于雷諾時均N-S 方程方法（RANS），湍流模型選用了Realizable k-ε 模型，該模型可以較好地模擬旋轉(zhuǎn)剪切流。近壁面處理選擇標(biāo)準壁面函數(shù)Standard wall function?？臻g無粘項采用二階迎風(fēng)格式離散，運用SIMPLE 算法對離散方程進行求解。

2.2 計算模型與網(wǎng)格劃分

排風(fēng)系統(tǒng)數(shù)值模擬的物理模型（圖2）置于一個計算空間中，空間尺寸為6 m×6 m×4 m。圓形污染源置于空間底面中部，直徑為1 m。排風(fēng)罩在污染源上方2 m的位置，直徑為0.5 m。污染源平面四周設(shè)置直徑為0.6 m，高0.1 m 的環(huán)形角動量送風(fēng)口以提供合適的下部角動量氣流，從而形成柱狀空氣渦旋。

圖2 計算空間模型示意圖

利用Gambit 網(wǎng)格生成軟件對計算模型進行非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分，并對污染源，送風(fēng)口和排風(fēng)口附近位置進行局部網(wǎng)格加密以提高計算精度，同時保證網(wǎng)格無關(guān)性。

2.3 邊界條件設(shè)置

本研究中數(shù)值模擬邊界條件的設(shè)置如表1 所示。其中，為排除墻壁等邊界對渦旋排風(fēng)罩的影響，以便真實地反映系統(tǒng)的流動規(guī)律和特性，將計算空間中除地面以外的四周邊界設(shè)為壓力入口邊界，從而模擬無限空間內(nèi)渦旋排風(fēng)罩的性能表現(xiàn)。同時，利用組分傳輸模型，以相對分子量小于空氣的一氧化碳CO 和相對分子量大于空氣的六氟化硫SF6作為代表性污染氣體，對排風(fēng)罩的捕集效率進行分析。污染源處釋放的污染物質(zhì)量分數(shù)為氣體總質(zhì)量的1%。

表1 邊界條件設(shè)置

3 數(shù)值計算結(jié)果及分析

為了分析新型渦旋排風(fēng)罩的作用效果，本文首先研究了渦旋排風(fēng)罩的基本流動特性，并對比了一般頂吸排風(fēng)罩和渦旋排風(fēng)罩的核心區(qū)域的壓力和軸向速度分布，并將兩種排風(fēng)罩對密度大于和小于空氣的代表性氣體（CO 和SF6）的捕集控制效果進行了對比。當(dāng)渦旋排風(fēng)罩的底部角動量送風(fēng)不工作、只有頂部排風(fēng)罩工作時，可認為是一般頂吸排風(fēng)罩。兩種排風(fēng)系統(tǒng)除送風(fēng)方式不一樣外，其它排風(fēng)參數(shù)，排風(fēng)罩布置參數(shù)及污染物散發(fā)參數(shù)保持一致。

3.1 流場分布

渦旋排風(fēng)罩作用下的污染物跡線如圖3 所示。從圖中可見，當(dāng)環(huán)繞污染源提供角動量送風(fēng)時，污染源附近的流體通過角動量送風(fēng)得到了切向動量，流場具有明顯的切向旋轉(zhuǎn)速度，流體向中間匯聚，旋轉(zhuǎn)上升，最終在頂部排風(fēng)罩排風(fēng)上升氣流的共同作用下生成了穩(wěn)定的柱狀空氣渦旋流場。

圖3 渦旋排風(fēng)罩污染物跡線圖

圖4、5 分別對比了一般頂吸排風(fēng)罩和渦旋排風(fēng)罩的豎直截面壓力分布和速度分布。由圖4 可知，渦旋排風(fēng)罩在污染源和排風(fēng)口之間的軸心位置存在明顯的負壓分布，因此污染源處散發(fā)的污染物在隨空氣渦旋上升過程中，受到軸心負壓梯度的限制而難以向周邊環(huán)境逃逸，從而顯著提高了渦旋排風(fēng)罩對污染物的控制效果。從圖5 可知，渦旋排風(fēng)在柱狀渦旋邊緣位置具有較大的上升速度，污染物在柱狀空氣渦旋作用下上升至排風(fēng)罩口位置，顯著增強了排風(fēng)罩的控制距離。而一般頂吸排風(fēng)罩的速度分布則為匯流流動，其排風(fēng)速度隨著與排風(fēng)口距離的增加而快速衰減，對較遠距離的污染源位置幾乎沒有影響。

圖4 豎直截面壓力分布圖

圖5 豎直截面速度分布圖

3.2 核心位置壓力和軸向速度分布對比

圖6、7 分別對比了一般頂吸排風(fēng)罩和渦旋排風(fēng)罩在污染源與排風(fēng)罩之間的核心壓力分布和軸向速度分布?？芍谖廴驹吹脚棚L(fēng)罩口的整個范圍內(nèi)，渦旋排風(fēng)罩在核心區(qū)域都擁有更大的負壓梯度，有助于減少污染物的擴散，提高控制捕集效果。同時，在污染源到排風(fēng)罩口的整個范圍內(nèi)，渦旋排風(fēng)罩在核心區(qū)域都擁有更大的軸向速度，因此可以讓污染物更快的從污染源輸運至排風(fēng)罩口，不但降低了污染物在輸送過程中逃逸的幾率，也降低了污染物的室內(nèi)滯留時間，從而提高了控制捕集效果。

圖6 軸心核心壓力對比圖

圖7 核心軸向速度對比圖

3.3 對不同特性污染物的捕集控制效果

根據(jù)污染物特性的不同，其運動規(guī)律會存在顯著差異，需要局部排風(fēng)罩對污染物具有較強的適應(yīng)性。本節(jié)對比了一般頂吸排風(fēng)罩和渦旋排風(fēng)罩分別對2 種密度小于空氣（CO）和大于空氣（SF6）的代表性污染氣體的捕集控制效果。

圖8 對比了當(dāng)污染物為CO 氣體時，兩種排風(fēng)罩對污染物的控制效果。由于CO 氣體的分子量（28）較空氣（29）略小，因此從污染源排出的污染物受浮力作用，固有向上運動的趨勢。從圖8 可以看出，當(dāng)污染物本身有運動到排風(fēng)口的趨勢時，兩種排風(fēng)系統(tǒng)都能較好地控制和捕集這些污染物，捕集效率較高。

圖8 對CO 氣體的捕集效果圖

圖9 對比了當(dāng)污染物是SF6氣體時，兩種排風(fēng)罩的污染物捕集控制效果。由于SF6氣體的分子量（146）遠大于空氣，因此污染物從污染源釋放后受重力影響，很快失去上升速度并發(fā)生橫向擴散沉積。在這種情況下，一般頂吸排風(fēng)罩由于距離污染源過遠，排風(fēng)速度隨著距離增大而迅速衰減，無法捕集到遠距離的污染物，導(dǎo)致捕集效率低下。而對于渦旋排風(fēng)罩，由于較大的中心負壓梯度和軸向速度，將污染源釋放的污染物卷吸入渦旋中輸運至排風(fēng)口位置，因此對遠距離污染物依然保持了較高的控制捕集效果。對比可知，渦旋排風(fēng)罩對于長距離工況下大密度污染物的控制捕集具有明顯優(yōu)勢。

圖9 對SF6 氣體的捕集效果圖

4 結(jié)論

根據(jù)柱狀空氣渦旋形成所需的基本條件，本文利用數(shù)值模擬方法研究了一種新型渦旋排風(fēng)罩的基本流場特性和對不同特性的污染物的捕集控制效果，得到了以下結(jié)論：

①通過在污染源附近設(shè)置角動量送風(fēng)裝置，配合頂部排風(fēng)罩，可滿足柱狀空氣渦旋生成的基本條件，得到了較為穩(wěn)定的柱狀空氣渦旋流場，驗證了渦旋排風(fēng)的可能性。

②分析了一種新型渦旋排風(fēng)罩的流線分布，壓力分布和軸向速度分布，得到了渦旋排風(fēng)罩的基本流場特性，為進一步研究和優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

③渦旋排風(fēng)罩軸心位置存在較大負壓梯度和上升速度，可以在長距離上對不同類型和特性的污染物進行高效的捕集控制，通過和一般頂吸排風(fēng)罩進行對比發(fā)現(xiàn)，渦旋排風(fēng)罩對于污染物的適應(yīng)性顯著優(yōu)于一般頂吸排風(fēng)罩，尤其對于長距離下大密度污染物的捕集效果更好。