艙內(nèi)顆粒污染物運(yùn)動(dòng)及分布數(shù)值模擬

王璐皓 楊麗紅

摘 要：為快速有效降低因吸煙產(chǎn)生的駕駛艙艙內(nèi)顆粒污染物濃度，提升艙內(nèi)空氣總質(zhì)量，建立汽車駕駛艙及外流道模型，運(yùn)用FLUENT模擬5種不同通風(fēng)條件下的通風(fēng)效果，得到駕駛艙內(nèi)剩余顆粒物總質(zhì)量和主、副駕駛代表點(diǎn)顆粒物濃度。結(jié)果表明，一定通風(fēng)時(shí)間后，低數(shù)值工況下剩余顆粒物總質(zhì)量?jī)H為高數(shù)值工況的1/17，且主、副駕駛顆粒物濃度明顯低于高數(shù)值工況。研究結(jié)果說(shuō)明通風(fēng)條件對(duì)艙內(nèi)顆粒物有很大影響，并能夠?yàn)轳{駛艙內(nèi)顆粒污染物特性的進(jìn)一步研究提供參考。

關(guān)鍵詞：顆粒污染物;數(shù)值模擬;[κ-ε]模型;虛擬仿真

DOI：10. 11907/rjdk. 191505 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP302文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）002-0035-04

英標(biāo)：Numerical Simulations of Fume Particles Transport and Distribution in Cockpit

英作：WANG Lu-hao，YANG Li-hong

英單：（School of Mechanical Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093，China）

Abstract：To reduce the total mass caused by smoking in the automotive cockpit of the particulate pollutants efficiently， cockpit and outflow model is established in the paper. FLUENT is applied to simulate the ventilation effect under five different conditions， and the total mass of residual particulates in the cockpit and the concentration of particulates at master pilot and co-pilot are obtained. Results show that a certain time later， the minimum total mass of residual particulates in the cockpit under all conditions is one-seventeenth of the maximum. Meanwhile， the concentration of particulates at master and co-pilot points are much lower. The research output shows that ventilation conditions can influence particulate pollutants greatly， providing valuable reference for the further study on particulate pollutants in the automotive cockpit.

Key Words：particulate pollutant;numerical simulation;k-epsilon model;virtual simulation

0 引言

隨著人們生活條件的改善，汽車普及化程度不斷提高。人們?cè)谙硎芷噹?lái)便利的同時(shí)，也面臨各種風(fēng)險(xiǎn)。汽車駕駛艙環(huán)境相對(duì)密閉，顆粒污染物一旦形成，將長(zhǎng)時(shí)間停留在艙內(nèi)，危害艙內(nèi)人員身體健康。因汽車尾氣等原因，空氣中不可避免地存在顆粒污染物，若在艙內(nèi)吸煙，顆粒污染物濃度將大大增加[1]。因此，研究如何有效、快速降低艙內(nèi)顆粒污染物濃度具有重要意義。

密閉駕駛艙內(nèi)的空氣質(zhì)量問(wèn)題屬于室內(nèi)空氣質(zhì)量問(wèn)題。Li等[2]模擬了地板下空氣分配（Under-floor Air Distribution）室內(nèi)由乘客行走及排氣造成的顆粒污染物運(yùn)動(dòng)與再懸浮過(guò)程;汪燁等[3]使用火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬器FDS，研究吸煙后產(chǎn)生的一氧化碳在室內(nèi)的分布及擴(kuò)散規(guī)律;王芳等[4]研究了采暖通風(fēng)方式對(duì)室內(nèi)PM2.5濃度的影響，結(jié)果表明夏熱冬冷地區(qū)居民應(yīng)改變傳統(tǒng)的開(kāi)窗通風(fēng)模式。

當(dāng)場(chǎng)景為駕駛艙時(shí)，要充分考慮車身及車載設(shè)備等因素。國(guó)外學(xué)者較早展開(kāi)相關(guān)研究，但局限于顆粒污染物濃度測(cè)量[5-6];國(guó)內(nèi)學(xué)者則將更多精力投入到對(duì)分布及擴(kuò)散規(guī)律的研究。潘峰[7]建立了針對(duì)顆粒污染物的空調(diào)性能評(píng)價(jià)方法，并研究了顆粒物在空氣場(chǎng)、溫度場(chǎng)下的熱運(yùn)動(dòng);莊晨[8]也針對(duì)送風(fēng)溫度、速度、方向等空調(diào)送風(fēng)參數(shù)對(duì)顆粒物運(yùn)動(dòng)及分布的影響進(jìn)行了研究。此外，還有大量空調(diào)過(guò)濾系統(tǒng)相關(guān)研究[9-10]，旨在提高空調(diào)濾網(wǎng)性能以減少流入艙內(nèi)的顆粒污染物。研究數(shù)據(jù)表明，僅通過(guò)車載空調(diào)無(wú)法有效、快速降低艙內(nèi)顆粒物濃度。

本文不考慮車載空調(diào)，僅通過(guò)車窗開(kāi)閉改變通風(fēng)條件，研究不同通風(fēng)條件下，顆粒污染物在駕駛艙內(nèi)的運(yùn)動(dòng)及分布規(guī)律，找出有效、快速降低艙內(nèi)顆粒物總質(zhì)量的方法。

1 CFD仿真模型

1.1 三維模型及其網(wǎng)格劃分

本文使用Pro/E軟件進(jìn)行三維建模，比例為1∶1，駕駛艙具體尺寸參考MIRA模型[11]。由于本文以駕駛艙艙內(nèi)區(qū)域作為計(jì)算流域，過(guò)于精細(xì)的駕駛艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)增加網(wǎng)格劃分難度和網(wǎng)格數(shù)量，導(dǎo)致消耗增加甚至計(jì)算發(fā)散，且不可壓縮低速流動(dòng)條件下，精細(xì)的內(nèi)飾對(duì)空氣流動(dòng)影響不大[12]，因此，對(duì)駕駛艙流域作出以下簡(jiǎn)化：①對(duì)計(jì)算流域外的行李箱、輪胎、外飾等部分予以忽略;②對(duì)方向盤(pán)、檔位架等內(nèi)飾予以忽略，并補(bǔ)平駕駛艙內(nèi)的各凹凸面;③僅保留駕駛員人體模型的重要部分，如頭部、軀干、四肢。此外，計(jì)算流域還應(yīng)包括一條或多條與駕駛艙艙內(nèi)相連的長(zhǎng)直外流道，用于模擬不同的通風(fēng)條件。根據(jù)實(shí)際通風(fēng)條件，共選取5種不同情況。側(cè)車窗和天窗在車行駛過(guò)程中空氣的流通情況不同，因此設(shè)計(jì)3種外流道。其中，外流道1用于僅打開(kāi)側(cè)車窗時(shí)的情況，外流道2用于僅打開(kāi)天窗時(shí)的情況，外流道3用于同時(shí)打開(kāi)側(cè)車窗和天窗時(shí)的情況。簡(jiǎn)化后的駕駛艙模型如圖1所示。

本文使用ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分。仿真計(jì)算結(jié)果精度很大程度取決于網(wǎng)格精度，因此網(wǎng)格生成技術(shù)具有重要意義。本文采用四面體網(wǎng)格劃分，并在尺寸細(xì)小處局部加密，如圖2所示。得到5個(gè)模型的網(wǎng)格質(zhì)量均在0.28以上，質(zhì)量較高。

1.2 顆粒物性質(zhì)

查詢相關(guān)資料[13-14]，煙草燃燒產(chǎn)生的顆粒污染物密度約1 180kg/m3，其粒徑分布參考文獻(xiàn)[15]的研究結(jié)果。該結(jié)果與Rosin-Rammler模型較為吻合，基本滿足式（1）。

其中，[d]為顆粒物直徑，[d]為尺寸常數(shù)，[n]為粒度分布參數(shù)， 為直徑大于[d]的顆粒物占總顆粒物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，[d]取0.5，[n]取3.3。原曲線與擬合曲線如圖3所示，兩者誤差為2.3%。

顆粒物流入質(zhì)量參考文獻(xiàn)[16]的研究結(jié)果，中國(guó)大陸某烤煙型香煙經(jīng)6分鐘左右燃盡，燃燒產(chǎn)生顆粒物約10.8mg，故顆粒物流入質(zhì)量取3×10-8kg/s。

固體顆粒受到的浮力遠(yuǎn)小于重力，可以忽略不計(jì)。高溫顆粒污染物產(chǎn)生后，會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)降至室溫，故熱泳力也不計(jì)[5]。因此，顆粒物主要受到重力、曳力、薩夫曼升力和布朗力作用。

顆粒物在湍流中運(yùn)動(dòng)時(shí)速度會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。本文描述顆粒物的運(yùn)動(dòng)速度時(shí)使用隨機(jī)軌道模型（Discrete Random Walk Model）。在該模型中，速度由平均速度和脈沖速度組成，脈沖速度是關(guān)于時(shí)間的離散分段常數(shù)函數(shù)，且滿足高斯分布[17]。

1.3 模型設(shè)置

本文在研究通風(fēng)條件下車內(nèi)顆粒污染物的擴(kuò)散特性時(shí)，對(duì)模型作出以下假設(shè)和簡(jiǎn)化[18]：①駕駛艙內(nèi)空氣為純凈空氣，不含顆粒污染物;②不考慮計(jì)算流域與外界的熱交換;③不考慮燃燒的香煙及其產(chǎn)生的顆粒污染物對(duì)周圍產(chǎn)生的熱量;④不考慮先進(jìn)的新型除塵設(shè)備;⑤顆粒物接觸駕駛艙內(nèi)壁后粘附在內(nèi)壁上，且不造成二次污染。

在上述簡(jiǎn)化下，采用雷諾時(shí)均方程和RNG[κ-ε]模型進(jìn)行計(jì)算。雷諾時(shí)均方程將控制方程進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)平均，使得其無(wú)需計(jì)算各尺度的湍流脈動(dòng)，只需計(jì)算出平均運(yùn)動(dòng)，從而降低了空間與時(shí)間分辨率，減少了計(jì)算工作量。RNG[κ-ε]模型提高了快速應(yīng)變流精度，并考慮了渦流對(duì)湍流的影響以提高旋流精度，比標(biāo)準(zhǔn)[κ-ε]模型在廣泛流動(dòng)中有更高的可信度[19]。

基本控制方程主要包括質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）、動(dòng)量守恒方程（N-S方程）、能量守恒方程、湍流動(dòng)能[κ]方程、湍動(dòng)能耗散率[ε]方程，方程具體內(nèi)容不再贅述。

本文采用FLUENT進(jìn)行三維瞬態(tài)模擬，依據(jù)實(shí)際情況設(shè)置邊界條件，具體如下：重力加速度為9.8m/s2，沿y軸反向;送風(fēng)口為velocity-inlet，風(fēng)速10m/s，沿x軸正向;出風(fēng)口為outflow;內(nèi)壁均為無(wú)滑移墻邊界;顆粒從駕駛員口部附近流入，流入質(zhì)量為3×10-8kg/s;除出風(fēng)口的顆粒項(xiàng)邊界條件為escape外，其余壁面的邊界條件均為trap;使用具有較高效率和穩(wěn)定性的SIMPLEC算法進(jìn)行求解。

在主、副駕駛頭部附近設(shè)置面積為0.02m2的平面，在面上對(duì)顆粒物濃度取平均值;在主、副駕駛頭部附近取水平面和豎直面并設(shè)置動(dòng)畫(huà)監(jiān)控，用于研究顆粒物擴(kuò)散特性。

1.4 計(jì)算工況

本文通過(guò)改變車內(nèi)四扇側(cè)車窗和一扇天窗的開(kāi)閉以實(shí)現(xiàn)不同的通風(fēng)條件。打開(kāi)的側(cè)車窗和天窗均為打開(kāi)整扇窗的一半。計(jì)算各工況時(shí)，先關(guān)閉顆粒項(xiàng)，對(duì)艙內(nèi)作通風(fēng)預(yù)處理10s;接著打開(kāi)顆粒項(xiàng)，釋放顆粒10s;然后再次關(guān)閉顆粒項(xiàng)，運(yùn)行30s。研究?jī)?nèi)容是釋放顆粒的10s和之后30s內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)及擴(kuò)散特性。

為方便說(shuō)明具體工況，在駕駛艙艙內(nèi)流域俯視圖上給側(cè)車窗和天窗編號(hào)，主駕駛左側(cè)窗為1號(hào)窗，副駕駛右側(cè)窗為2號(hào)窗，后排左側(cè)窗為3號(hào)窗，右側(cè)窗為4號(hào)窗，天窗為5號(hào)窗。不同工況為側(cè)車窗、天窗開(kāi)閉的組合，具體如表1所示。

1.5 網(wǎng)格獨(dú)立性與時(shí)間步長(zhǎng)獨(dú)立性驗(yàn)證

進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，保持局部加密尺寸不變，全局尺寸分別設(shè)置為40、60、80。

由于模擬的是瞬態(tài)空氣流動(dòng)及顆粒運(yùn)動(dòng)，因此有必要進(jìn)行時(shí)間步長(zhǎng)獨(dú)立性驗(yàn)證[20]。時(shí)間步長(zhǎng)分別設(shè)置為0.005、0.01、0.02、0.04。

在工況一下進(jìn)行預(yù)仿真，得到流域內(nèi)剩余顆粒物總質(zhì)量如圖4（a）和圖4（b）所示。本文選取網(wǎng)格全局尺寸為60、時(shí)間步長(zhǎng)為0.01時(shí)，誤差分別為2.7%和3.6%?？梢哉J(rèn)為，參數(shù)的選取合理可行。

2 結(jié)果分析

2.1 流域內(nèi)剩余顆粒物總質(zhì)量對(duì)比

5種工況下，流域內(nèi)剩余顆粒物總質(zhì)量如圖5所示。 從圖5可以看出：①顆粒物總質(zhì)量峰值：工況五>工況二>工況一>工況三>工況四;②顆粒物總質(zhì)量峰值來(lái)臨時(shí)間：工況一≈工況四≈工況五>工況二>工況三;③40s時(shí)剩余顆粒物總質(zhì)量：工況一>工況二>工況三>工況四≈工況五。工況五下剩余顆粒物總質(zhì)量為6.2×10-11kg，是高數(shù)值工況的1/17。

剩余顆粒物總質(zhì)量最小的工況四和工況五，顆粒物總質(zhì)量峰值一個(gè)排名第五、一個(gè)排名第一;顆粒物總質(zhì)量峰值來(lái)臨時(shí)間相近的工況一、四、五，剩余顆粒物總質(zhì)量同樣兩極分化。因此，剩余顆粒物總質(zhì)量與顆粒物質(zhì)量峰值及其來(lái)臨時(shí)間沒(méi)有明顯關(guān)系。

2.2 工況一、工況四對(duì)比

選擇顆粒物總質(zhì)量峰值來(lái)臨時(shí)間相近但剩余顆粒物總質(zhì)量同樣兩極分化的工況一和工況四進(jìn)行對(duì)比。圖6（a）顯示了主駕駛員頭部附近顆粒物濃度變化情況，可以看出，前10s內(nèi)，顆粒物濃度劇烈波動(dòng)，持續(xù)上升，工況一下波動(dòng)更為劇烈，峰值也更高;顆粒物濃度的劇烈波動(dòng)符合艙內(nèi)流場(chǎng)處于紊流狀態(tài);在10s左右，顆粒物停止流入時(shí)，濃度出現(xiàn)了驟降，兩種工況下降幅均在97%以上。對(duì)比圖5，剩余顆粒物總質(zhì)量并未出現(xiàn)驟降，因此可以認(rèn)為原先聚集在駕駛員頭部附近的顆粒物隨氣流運(yùn)動(dòng)至艙內(nèi)的其它空間。

忽略圖6（a）中顆粒物濃度極高的前10s，繪制圖6（b）?？梢钥闯?，顆粒物濃度劇烈波動(dòng)，整體呈下降態(tài)勢(shì)。整個(gè)考察時(shí)間段內(nèi)，工況一下顆粒物濃度明顯高于工況四。

圖7顯示了副駕駛頭部附近顆粒物濃度變化情況?？梢钥闯觯r一下，副駕駛員頭部附近顆粒物濃度劇烈波動(dòng)，持續(xù)上升，在8s左右達(dá)到最大值;停止注入顆粒物后濃度震蕩下降且趨勢(shì)逐漸變緩，20s后不再明顯減少。顆粒物濃度的劇烈波動(dòng)符合艙內(nèi)流場(chǎng)處于紊流狀態(tài)。整個(gè)考察時(shí)間段內(nèi)，工況四下顆粒物濃度明顯低于工況一。

2.3 工況四、工況五對(duì)比

選擇剩余顆粒物總質(zhì)量最小但顆粒物總質(zhì)量峰值截然不同的工況四和工況五進(jìn)行對(duì)比。主駕駛員頭部附近顆粒物濃度變化情況如圖8所示。從圖9可以看出，工況五下顆粒物濃度明顯低于工況四。工況五下，在8s左右，顆粒物濃度開(kāi)始明顯上升;10s左右，濃度開(kāi)始下降。為了解釋這段時(shí)間的濃度變化，繪制駕駛員頭部高度水平面和豎直面的速度矢量圖如圖9和圖10所示。圖9和圖10中，駕駛員面前的空間內(nèi)形成了明顯的渦流?？梢哉J(rèn)為，顆粒物在空間渦流內(nèi)無(wú)序運(yùn)動(dòng);上文的平面過(guò)大且忽略了空間因素，以該平面上的顆粒物濃度平均值代替該點(diǎn)的顆粒物濃度有局限性。平面上顆粒物濃度變化動(dòng)畫(huà)可以佐證這種說(shuō)法。

副駕駛頭部附近顆粒物濃度變化如圖11所示，可以看出，工況四下顆粒物濃度明顯低于工況五。原因在于：工況四下，天窗的打開(kāi)使大量顆粒物向上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)主駕駛員頭部與駕駛艙頂部間的流道，流出艙內(nèi)或流至后排;盡管也有部分顆粒受到1號(hào)窗打開(kāi)的影響向副駕駛方向流動(dòng)，但仍受天窗影響，經(jīng)主駕駛與副駕駛間的流道流至后排。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值模擬方法，對(duì)不同通風(fēng)條件下駕駛艙內(nèi)顆粒污染物的運(yùn)動(dòng)及分布進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，通風(fēng)條件對(duì)駕駛艙內(nèi)剩余顆粒物質(zhì)量影響較大;不同通風(fēng)條件下駕駛艙內(nèi)剩余顆粒物質(zhì)量基本符合預(yù)期。研究結(jié)果可以為類似情況下獲得更好的通風(fēng)效果提供依據(jù)。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）