基于Fluent軟件的室內(nèi)顆粒物濃度分布影響研究

吳志猛，董敏

（1.山東約蘭機(jī)電工程有限公司，山東 德州 253000；2.山東華宇工學(xué)院 能源與建筑工程學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引 言

研究不同風(fēng)速下室內(nèi)顆粒物濃度、顆粒密度和顆粒的分布情況，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，闡明了空氣流速對(duì)不同顆粒粒徑分布的影響。調(diào)整送風(fēng)速度，合理控制室內(nèi)顆粒物的數(shù)量分布，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，降低顆粒物對(duì)人體健康的影響。

調(diào)查結(jié)果顯示，國(guó)內(nèi)對(duì)室內(nèi)環(huán)境中顆粒物的調(diào)查研究仍非常有限。研究不同送風(fēng)速度對(duì)室內(nèi)顆粒物濃度分布的影響，對(duì)于改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，促進(jìn)室內(nèi)環(huán)境的健康可持續(xù)發(fā)展有著十分重要的意義。在理想數(shù)值模擬中考慮送風(fēng)速度的影響，建立室內(nèi)顆粒流動(dòng)分布模型，也可為室內(nèi)空氣污染的治理及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的設(shè)定提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 物理模型

室內(nèi)空氣流動(dòng)遵守的原理有連續(xù)性方程、質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律。

連續(xù)性方程：

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

本文以某小型辦公室內(nèi)顆粒物濃度分布為研究對(duì)象，由于受硬件條件和計(jì)算時(shí)間的影響，模擬計(jì)算時(shí)只考慮將電腦和人作為計(jì)算的熱源，創(chuàng)建的辦公室模型尺寸為5 m×4 m×3.5 m，如圖1所示。

圖1 幾何模型

建立的幾何模型基本參數(shù)如表1所示。

表1 模型基本參數(shù)

對(duì)辦公室布局進(jìn)行簡(jiǎn)化，確保模擬結(jié)果接近真實(shí)值，同時(shí)節(jié)省計(jì)算機(jī)的運(yùn)算時(shí)間，只考慮將人員和電腦作為熱源，所以在模型中將桌椅去除掉，人員的簡(jiǎn)化模型高度是設(shè)定坐姿接近真實(shí)值的1.3 m。人員的熱通量和電腦的熱通量保持默認(rèn)設(shè)置，不考慮空氣的可壓縮性，室內(nèi)空氣密度為1.225 kg/m，空氣黏性系數(shù)為1.7894e-05 kg/m.s。送風(fēng)口的邊界條件設(shè)置為速度入口，回風(fēng)口的邊界條件設(shè)定為outflow，墻壁不考慮熱量粗糙度0.37，開啟能量方程，湍流模型為k-e 模型。

2 流場(chǎng)模擬

在查閱了空調(diào)的送風(fēng)速度規(guī)格后，了解到當(dāng)送風(fēng)口風(fēng)速在2.5 ～4 m/s 之間、送風(fēng)溫度在18 ～25 ℃之間時(shí)，工作人員的工作區(qū)域可獲得良好的舒適感，因此以標(biāo)準(zhǔn)工況為基礎(chǔ)，選取幾個(gè)不同的工作條件進(jìn)行模擬計(jì)算，如表2所示。

表2 模擬工況參數(shù)

本次溫度場(chǎng)和流場(chǎng)模擬工況的輸出結(jié)果考慮到人員在靜坐和站立時(shí)的兩個(gè)高度，截取房間內(nèi)豎直高度方向上的水平截面=1 m 和=1.5 m。

由工況云圖可知：=1 m 時(shí)，如圖2所示房間內(nèi)溫度區(qū)間在296 K 到307 K 之間，本次模擬考慮熱源問題，人體和計(jì)算機(jī)設(shè)備散發(fā)熱量區(qū)域?yàn)樽畲笾祬^(qū)域，人體區(qū)域散發(fā)的熱量比計(jì)算機(jī)設(shè)備區(qū)域低一些，為299 K，計(jì)算機(jī)區(qū)域散發(fā)的熱量為最高值307 K。=1.5 m 時(shí)，如圖3所示房間內(nèi)溫度區(qū)間在295 K 到299 K 之間，同樣，人體和計(jì)算機(jī)設(shè)備區(qū)域溫度最高，人體區(qū)域?yàn)?98 K，計(jì)算機(jī)區(qū)域?yàn)樽罡咧?99 K。

圖2 y=1 m 高度處溫度場(chǎng)

圖3 y=1.5 m 高度處溫度場(chǎng)

=1 m 時(shí)，如圖4所示房間內(nèi)壓力區(qū)間在2.93 Pa 到3.12 Pa之間，送風(fēng)口處為2.98 Pa，人體周圍為2.97 Pa。=1.5 m 時(shí)，如圖5所示房間內(nèi)壓力區(qū)間在2.93 Pa 到3.26 Pa 之間，送風(fēng)口處為3.01 Pa，人體周圍為2.98 Pa。

圖4 y=1 m 高度處壓力場(chǎng)

圖5 y=1.5 m 高度處壓力場(chǎng)

=1 m 時(shí)，如圖6所示房間內(nèi)流速區(qū)間在0.04 m/s 到0.49 m/s 之間，人體區(qū)域的流速區(qū)間在0.11 m/s 到0.35 m/s 之間。=1.5 m 時(shí)，如圖7所示房間內(nèi)流速區(qū)間在0.05 m/s 到0.69 m/s 之間。

圖6 房間y=1 m 高度處流速分布

圖7 房間y=1.5 m 高度處流速場(chǎng)

工況：當(dāng)送風(fēng)溫度為298 K、送風(fēng)速度為2.8 m/s 時(shí)，所得溫度場(chǎng)分別如圖8、圖9所示，所得壓力場(chǎng)如圖10（=1.5 m 高度處壓力場(chǎng)分布）、圖11（=1 m 高度處壓力場(chǎng)分布）所示，所得流速分布如圖12（=1.5 m 高度處流速分布）、圖13（=1 m 高度處流速分布）所示。

圖8 y=1 m 高度處溫度場(chǎng)

圖9 y=1.5 m 高度處溫度場(chǎng)

圖10 y=1.5 m 高度處壓力場(chǎng)

圖11 y=1 m 高度處壓力場(chǎng)

圖12 y=1.5 m 高度處流速

圖13 y=1 m 高度處流速

由以上1 m 和1.5 m處壓力云圖和速度云圖可知：

=1 m 時(shí)，房間內(nèi)溫度區(qū)間在299 K 到310 K 之間，本次模擬考慮熱源的問題，人體和計(jì)算機(jī)設(shè)備散發(fā)熱量區(qū)域?yàn)樽畲笾祬^(qū)域：人體區(qū)域散發(fā)的熱量比計(jì)算機(jī)設(shè)備區(qū)域低一些，為301 K，計(jì)算機(jī)區(qū)域散發(fā)熱量為最高值310 K。=1.5 m 時(shí)，房間內(nèi)溫度區(qū)間在298 K 到302 K 之間，同樣，人體和計(jì)算機(jī)設(shè)備區(qū)域溫度最高，人體區(qū)域?yàn)?00 K，計(jì)算機(jī)區(qū)域?yàn)樽罡咧?02 K。

=1 m 時(shí)，房間內(nèi)壓力區(qū)間在2.92 Pa 到2.98 Pa 之間，送風(fēng)口處為2.96 Pa，人體周圍為2.94 Pa。=1.5 m 時(shí)，房間內(nèi)壓力區(qū)間在2.93 Pa 到2.97 Pa 之間，送風(fēng)口處為2.95 Pa，人體周圍為2.93 Pa。=1 m 時(shí)，房間內(nèi)流速區(qū)間在0.01 m/s 到0.51 m/s 之間，人體區(qū)域的流速區(qū)間在0.11 m/s 到0.26 m/s 之間。=1.5 m 時(shí)，房間內(nèi)流速區(qū)間在0.42 m/s 到0.76 m/s 之間。

工況：當(dāng)送風(fēng)溫度為295 K、送風(fēng)速度為3.25 m/s 時(shí)，所得溫度場(chǎng)分別如圖14、圖15 所示，所得壓力場(chǎng)如圖16（=1.5 m 高度處壓力場(chǎng)分布）、圖17（=1 m 高度處壓力場(chǎng)分布），所得流速分布如圖18（=1.5 m 高度處流速分布）、圖19（=1 m 高度處流速分布）所示。

圖14 y=1.5 m 高度處溫度場(chǎng)

圖15 y=1.5 m 高度處溫度場(chǎng)

圖16 y=1.5 m 高度處壓力場(chǎng)

圖17 y=1 m 高度處壓力場(chǎng)

圖18 y=1.5 m 高度處流速

圖19 y=1 m 高度處流速

由以上1 m 和1.5 m 處壓力云圖和速度云圖可知：

=1 m 時(shí)，房間內(nèi)溫度區(qū)間在295 K 到306 K 之間，本次模擬考慮熱源問題，人體和計(jì)算機(jī)設(shè)備散發(fā)熱量區(qū)域?yàn)樽畲笾祬^(qū)域：人體區(qū)域散發(fā)的熱量比計(jì)算機(jī)設(shè)備區(qū)域低一些，為298 K；計(jì)算機(jī)區(qū)域散發(fā)的熱量為最高值306 K。=1.5 m時(shí)，房間內(nèi)溫度區(qū)間在295 K 到298 K 之間，同樣，人體和設(shè)備區(qū)域溫度最高，人體區(qū)域?yàn)?97 K，計(jì)算機(jī)區(qū)域?yàn)樽罡咧?98 K。=1 m時(shí)，房間內(nèi)壓力區(qū)間在3.94 Pa到4.2 Pa 之間，送風(fēng)口處為4.01 Pa，人體周圍為3.99 Pa。=1.5 m 時(shí)，房間內(nèi)壓力區(qū)間在3.95 Pa 到4.39 Pa 之間，送風(fēng)口處為4.06 Pa，人體周圍為4.02 Pa。=1 m 時(shí)，房間內(nèi)流速區(qū)間在0.01 m/s到0.6 m/s 之間，人體區(qū)域的流速在0.13 m/s 到0.24 m/s 之間。=1.5 m 時(shí)，房間內(nèi)流速區(qū)間在0.01 m/s 到0.89 m/s 之間。

由以上溫度云圖可知，三個(gè)工況的溫度分布都是以人員和設(shè)備為中心以不規(guī)則環(huán)形向四周分布，并且逐漸減小。=1 m 時(shí)，工況下人員周圍溫度值為299 K ，工況下人員周圍溫度值為301 K ，工況下人員周圍溫度值為298 K 。=1.5 m 時(shí)，工況下人員周圍溫度值為298 K，工況下人員周圍溫度值為300 K，工況下人員周圍溫度值為297 K 。對(duì)比=1 m 和=1.5 m 時(shí)3 個(gè)工況下的溫度值，得出工況下的溫度值最符合人體工作時(shí)的溫度。

因?yàn)閴毫Ψ植? 個(gè)工況的特點(diǎn)比較類似，最大壓力都出現(xiàn)在送風(fēng)口對(duì)側(cè) 的墻角邊上，且壓力分布狀況對(duì)顆粒物濃度分布影響在本次課題中不做重點(diǎn)研究，所以流場(chǎng)重點(diǎn)考慮流速的分布影響。

由于本次模擬工況的現(xiàn)實(shí)環(huán)境為辦公室內(nèi)，人員靜坐的時(shí)長(zhǎng)遠(yuǎn)大于人員站立的時(shí)長(zhǎng)，所以取高度=1 m 時(shí)人員周圍的流速來分析工況 ，以更接近于真實(shí)值。

=1 m 時(shí)：工況下人員周圍的流速為0.105 8 m/s 到0.352 7 m/s 之間，工況下人員周圍的流速為0.108 m/s到0.260 m/s 之間，工況下人員周圍的流速為0.125 m/s到0.240 m/s 之間，3 個(gè)工況下流速云圖都呈湍流分布且最大流速都在送風(fēng)口對(duì)側(cè)墻角邊上。

人長(zhǎng)時(shí)間靜坐在辦公室內(nèi)，最大允許流速為0.3 ～0.4 m/s之間，對(duì)于人體停留區(qū) ，流速在0 ～0.08 m/s 之間時(shí)，人會(huì)有一種 空氣停滯的感覺，感覺不舒服。當(dāng)辦公室側(cè)送風(fēng)口最大允許流速為2.5 m/s ～3.8 m/s 之間、人體停留區(qū)流速 為0.127 m/s 時(shí)，人會(huì)感覺比較舒適；當(dāng)人體周圍流速為0.127 m/s ～0.25 m/s 之間時(shí)，人會(huì)感到基 本舒適，這些 規(guī)范都是查閱空調(diào)送風(fēng)規(guī)范所知，在此用來評(píng)價(jià)工況流速的優(yōu)劣。

由以上送風(fēng)規(guī)范可得：工況、工況、工況=1 m處人周圍 的流速都滿 足人對(duì)送風(fēng)舒適度的要求，但是工況的流速范圍0.125 m/s ～0.240 m/s 剛好滿足人的基本舒適度要求。

結(jié)合溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的綜合分析可知，工況（送風(fēng)溫度22 ℃、送風(fēng)速度 3.25 m/s）為最優(yōu)工況。

3 顆粒物濃度模擬

本次模擬顆粒物在真實(shí)環(huán)境下由釋放源噴射60 s 所得的工況濃度分布云圖。在模擬計(jì)算完成后，同樣截取=1 m 高度處顆粒物濃度分布圖做工況分析，所得顆粒物濃度分布圖如圖20、圖21、圖22（=1 m高度處顆粒物濃度分布圖）所示。

圖20 A1 工況

圖21 A2 工況

圖22 A3 工況

工況分析：理想的模擬結(jié)果是讓顆粒 物流動(dòng)到房間里的所有區(qū)域，受計(jì)算條件的影響，在模擬60 s 噴射顆粒物內(nèi)房間里的顆粒物濃度分布很低，但也不會(huì)對(duì)本次課題的研究結(jié)果造成影響。從以上顆粒物濃度云圖可以大體分析出房間內(nèi)的顆粒物濃度在墻壁周圍最高，有少數(shù)的顆粒物濃度極大值出現(xiàn)在人體周圍，這也符合真實(shí)的生活環(huán)境現(xiàn)象。從以上3個(gè)工況云圖中得到以下數(shù)據(jù)：

工況（=1 m 時(shí)）：送風(fēng)溫度為295 K、送風(fēng)速度為2.8 m/s 時(shí)，=1 m 截面上室內(nèi)顆粒物濃度分布區(qū)間為1.29e-20 kg/m～4.93e-17 kg/m，人員周圍平均顆粒物濃度為1.73e-17 kg/m。工況（=1 m時(shí)）：送風(fēng)溫度為298 K、送風(fēng)速度為2.8 m/s 時(shí)，=1 m 截面上室內(nèi)顆粒物濃度分布區(qū)間為8.08e-21 kg/m～4.66e-17 kg/m，人員周圍平 均顆粒物濃度為1.63e-17 kg/m。工況（=1 m 時(shí)）：送風(fēng)溫度為295 K、送風(fēng)速度為3.25 m/s 時(shí)，=1 m 截面上室內(nèi)顆粒物濃度分布區(qū)間為7.13e-21 kg/m～4.04e-17 kg/m，人員周圍平均顆粒物濃度為1.41e-17 kg/m。

比較3 個(gè)工況下人員周圍平均顆粒物濃度可得：工況下人員周圍平均顆粒物濃度最低為1.41e-17 kg/m，工況下人員周圍平均顆粒物濃度最高為1.73e-17 kg/m。綜合流場(chǎng)模擬數(shù)據(jù)分析和顆粒物濃度模擬數(shù)據(jù)分析最終確定工況（送風(fēng)速度3.25 m/s、送風(fēng)溫度22 ℃）為最優(yōu)工況。

4 結(jié) 論

本文3 個(gè)工況下人員周圍平均顆粒物濃度最低為 1.41e-17 kg/m，顆粒物濃度越低，越有益于人的身體健康。綜合流場(chǎng)模擬數(shù)據(jù)分析和顆粒物濃度模擬數(shù)據(jù)分析最終確定工況為最優(yōu)工況。在相同送風(fēng)溫度條件下，送風(fēng)速度大的工況下顆粒物濃度分布稀疏，送風(fēng)速度小的工況下顆粒物濃度分布稠密。