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室内污染物换气过程的数值模拟
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内容提示：利用计算流体力学（CFD）方法模拟了不同通风方式和不同送风速度下室内污染物的浓度分布。模拟和分析结果表明，适当的送风速度可以有效的降低室内污染物的浓度；通风方式应与污染源的位置相适应，异侧送回风对污染物的排出比较有利。
摘要：利用计算流体力学（CFD）方法模拟了不同通风方式和不同送风速度下室内污染物的浓度分布。模拟和分析结果表明，适当的送风速度可以有效的降低室内污染物的浓度；通风方式应与污染源的位置相适应，异侧送回风对污染物的排出比较有利。
关键词：室内污染物 数值模拟 通风方式
Abstract: The concentration distribution of indoor pollutant under different ventilation patterns and different velocity of supplying wind is simulated using the method of computational fluid dynamics (CFD).The result of the simulation and analysis indicate that: the concentration of indoor pollutant can be reduced effectively using suitable velocity of supplying wind; the ventilation pattern should be accorded with the position of the pollutant source, moreover, supplying and returning wind from different sides is good for venting pollutant.
Keywords: indoor pollutant; numerical simulation, ventilation pattern
0 引言
室内空间存在着各种污染物，这些物质直接关系到室内空气品质，对人体健康和舒适性有着重要的影响。污染源空间分布、污染物释放强度、气流组织是影响室内污染物分布的主要因素，其中气流组织的状况决定着室内空气的温度、相对湿度和洁净度是否满足工作、生活、生产和科学试验对内部空气环境的要求，因此空调房间的气流组织是空调设计的重要内容。有效地组织通风气流对于控制室内空气污染物水平，改善室内空气品质，实现健康建筑、健康舒适性空调有着重要的意义[1]。（参考《建筑中文网》）
本文利用CFD技术[2]，建立相应的物理和数学模型，对室内污染物的浓度分布进行数值模拟；并对计算结果进行了处理，对处理结果进行分析和比较，探求快速疏散和排出室内污染物的合理气流组织方法。
1 数学模型
1.1 物理模型的建立
本文采用
的房间模型，布置一个送风口和一个回风口，尺寸均为
，见图1。送风口位于侧墙下部，送风速度为1
，回风口位于房间的顶部。在房间正中有一柱形物体，尺寸为
。柱体顶部有一个污染源，散发速度为1.0
。
图 1 数值模拟模型示意图
Fig.1 The model of numerical simulation
1.2 数学模型的建立
湍流流动采用
模型，其控制方程可统一写为通用的输运方程形式：
（1）
式中
为通用因变量，分别表示动量方程中的速度u,v,w，能量方程中的温度T，浓度方程中的
，湍流动能方程中的湍流动能
及湍流动能耗散方程中的耗散率
；
表示对流项；
表示扩散项；
为广义扩散系数；
表示源项，组分方程中为
，即任意一点的污染物的释放强度，其余详见文献[3]。
边界条件：对于速度，按照固体壁面无滑移边界条件处理；对于和则按照壁面函数法来处理；假设在春秋两季，室内外温差不大的环境下，房间维护结构保温性能良好，壁面按绝热边界处理；送风口采用速度入口边界条件(velocity-inlet)；出口边界采用齐次Neumann条件处理[4]。
基于以上的模型和边界条件，采用有限容积法离散控制方程，网格采用基于直角坐标的均匀网格。对流项和扩散项采用混合格式离散，速度和压力的耦合采用SIMPLE算法进行求解，动量方程采用交错网格系统。求解方法采用交替扫描的三对角解法(TDMA)。
2 模拟结果分析与讨论
本文模拟以甲醛为代表的室内污染物的稳态浓度分布。假设仅柱形物体的顶部置有污染物释放源，释放强度为常数：1.0，其它壁面无甲醛释放。为便于计算将实际污染源转化为离壁距离很小（100mm）的空气层中的源项，即，假设该空气层中存在污染源，其释放量等于实际污染源的释放量[5]。
2.1 模拟结果分析
（a）y=0.5m处x-z断面的速度场
（b）x=1.5m处y-z断面的速度场
（c）z=0.35m处x-y断面的速度场
（d）y=1.5m处x-z断面的浓度场
图2 下侧进上侧出通风房间的室内流场和浓度场
示意图
Fig.2 The flow field and concentration field of ventilation room of the down-inlet and up-inlet on different side
图2(a)中可以看出在柱形物体的左侧也就是风口正对方向，由于柱形物体的阻挡，在柱体上部卷吸形成了一个涡漩，而在柱体右侧由于压强降低又形成了一个涡漩，然后气流向上流出室外。图2(b)中可以看出由于墙壁和柱形物体的阻碍，气流在房间的两侧形成了两个大涡漩，形状基本一样，但由于采用交错网格系统，所以两个涡漩并不完全相同。图2(c)中可以看出在进风口的剖面上，流场受到柱型物体的阻碍后，两侧分流，形成了两个较为对称的大涡漩。图2(d)中可以看出污染物点源处的浓度最高，而在流场形成涡漩处的浓度也较高，并且该处浓度明显要高于涡漩周围的区域，因此图（d）的浓度场的分布和图（a）的流场基本耦合，污染物可以迅速的排出房间。
2.2 送风速度的影响
(a) 送风速度为0.5m/s时的浓度场
(b) 送风速度为3m/s时的浓度场
图3 不同送风速度条件下房间中心平面(y=1.5m)的浓度场分布
Fig.3 The concentration distribution of central section of ventilation room (y=1.5m) under different velocity of supplying wind
图4 不同送风速度下室内污染物的平均浓度比较
Fig.4 The comparison of average concentration under different velocity of supplying wind
图2d、图3a、图3b分别是三种送风速度下房间中心平面的浓度场，由图可见，不同的送风速度下，在送风的主流区域以及房间的下部，污染物浓度都很小（接近零或小于0.003
）；但在房间左半部1.1m-3.0m区域内，当送风速度为0.5m/s时，污染物的浓度达到0.006，而当送风速度增大，为1m/s、3m/s时，污染物浓度小于0.006的区域明显扩大；而在房间右半部0.8m-3.0m污染物高浓度区域内，随着送风速度的增大，该区域污染物的浓度由高向低变化。从图4可以看出随着送风速度的增大，室内污染物的平均浓度逐渐下降，坡度也逐渐变缓，可以得出适当的增大送风速度可以有效降低室内污染物的平均浓度。以上表明在空调送风不含污染物的条件下，增大送风速度可以有效降低室内污染物的浓度。所以，采用自然通风或全新风的通风方式，并增大送风速度，可以达到有效的排污效果。
2.3 通风方式的影响
(a) 送风速度为1.0m/s时的速度场
(b) 送风速度为1.0m/s时的浓度场
图5 异侧上进下出通风房间中心平面(y=1.5m)的流场和浓度场示意图
Fig.5 The flow field and concentration field of central section of ventilation room (y=1.5m) of the up- inlet and down-outlet on opposite side
(a) 送风速度为1.0m/s时的速度场
(b) 送风速度为1.0m/s时的浓度场
图6 同侧上进下出通风房间中心平面(y=1.5m)的流场和浓度场示意图
Fig.6 The flow field and concentration field of central section of ventilation room (y=1.5m) of the up-inlet and down-outlet on the same side
图4和图5分别给出两种通风方式下房间中心平面(y=1.5m)的流场和污染物浓度场分布的示意图。其中柱形物体的尺寸为
，送风速度为1.0m/s。在图4和图5的两种通风方式下，污染物的平均浓度是房间上半部远低于下半部，这是因为房间上半部位于送风的主流区，且距离污染物的产生源又比较远，因此房间的上半部污染物浓度很低；通过比较图4b和图5b，我们可以看出由于同侧上进下出通风房间在右部中下区域形成了一个较大的回流区，以至于该区域中的污染物浓度很高，而异侧上进下出通风房间在该区域没有回流区，且排风口离污染源较近，污染物能快速地排出室外，因此图5b房间中下部污染物的平均浓度要远高于图4c图，再同图2d进行比较，我们可以得出将污染源放置在室内的排风口附近，可以更迅速有效地排出室内污染物。因此，当污染源处于房间内比较高的位置时，最好采用下送上回的通风方式，更容易将污染物直接排出房间；而当污染源处于房间内的位置比较低时，最好采用上送下回的通风方式，由于同侧送回风容易产生回流区，而异侧送回风不容易产生，对污染物的排出比较有利；而且，当污染源靠近排风口时，室内污染物更能有效的排出。
3 结论
以上的数值模拟分析比较了不同通风方式和不同送风速度下室内污染物的浓度分布规律，可以得出以下主要结论：
a）在同种通风方式下，采用自然通风或全新风的通风方式，并增大送风速度，可以有效的降低室内污染物的浓度。
b）应根据污染源的位置来确定适合的通风方式，异侧送回风对污染物的排出比较有利，并且当排风口靠近污染源时，此时的排放效果更好。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200606/8600.htm
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