孔板送風房間內污染物分布的模擬與實驗

孫麗穎，魏慧嬌

(1．哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院，150001哈爾濱，sunliying@hrbeu．edu．cn;2．中國建筑科學研究院天津分院，300834天津)

孔板送風房間內污染物分布的模擬與實驗

孫麗穎1，魏慧嬌2

(1．哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院，150001哈爾濱，sunliying@hrbeu．edu．cn;2．中國建筑科學研究院天津分院，300834天津)

為研究孔板送風條件下室內污染物體積分數的分布規律，采用實驗測試和數值模擬兩種方法．建模時采用基本模型和N點風口模型兩種方法進行孔板入口邊界條件的處理，模擬結果表明:兩種處理方法計算的污染物體積分數分布規律相近;將實驗數據和模擬結果進行對比，其變化趨勢吻合良好，其中N點風口模型的模擬結果更接近實驗情況，從而驗證了應用該模型研究室內污染物分布特性的可行性．

孔板送風;污染物;數值模擬

隨著經濟發展，人們對室內裝修的要求不斷提高，各種新型材料在室內裝飾裝修中的廣泛采用，導致室內空氣品質開始惡化，已經嚴重威脅到室內人員的身心健康．因此，解決室內空氣污染問題日益受到人們的關注．空調系統的送風對室內污染物可以起到去除或稀釋的作用，在送風過程中，污染物體積分數的變化規律與分布情況可以通過實驗與數值模擬的方法來研究．隨著計算流體力學技術的廣泛應用，室內空氣品質的研究借助于數值模擬方法，取得了很多成績，李麗等［1］用數值模擬方法研究了新風量對室內Total Votatile Organic Compound(簡稱TVOC)體積分數的影響．張明遠［2］運用數值計算的方法，分析比較了不同送回風方式對室內污染物體積分數分布的影響．趙彬等［3］采用三維CFD程序STACH－3對潔凈室的速度場進行了數值模擬，得出的結論是用“N點風口動量模型”描述孔板風口可以得到與實際相符合的模擬結果．張文勝等［4］對一個體積為0.45×0.45×0.4(m3)的密閉小室，在送風溫度恒定的條件下對小室內孔板送風氣流分布情況進行了實驗研究．李勇［5］利用CFD軟件，對各種通風空調方案下ICU病房內溫度場、速度場、體積分數場的數值模擬結果進行分析比較，得出結論:百葉送風時病房的排污能力要優于孔板送風．目前，國內外通過數值模擬分析室內氣流組織的研究較多，對孔板送風條件下室TVOC體積分數場的CFD模擬分析與實驗驗證相對較少，存在的問題是數值模擬的方法、邊界條件和初始條件設定的合理性未能很好地用實驗來驗證，使得模擬結果的可信度降低．本文以某一采用孔板送風的實驗房間為研究對象，通過實驗測試和數值模擬的方法，研究孔板送風過程中實驗房間內污染物TVOC體積分數的分布規律，在進行孔板送風口的邊界條件處理時，采用兩種不同形式的簡化，并將實驗與2種模擬結果進行比較，從而驗證所建模型的正確性．

1 數值模擬基礎及模型建立

1.1 計算基礎

以哈爾濱工程大學人工環境實驗室的空調房間作為研究對象，房間的物理模型見圖1．房間尺寸為5m×3.5 m×2.8 m，一門一窗位于南墻上．設實驗房間內共有2張桌子和2個人，根據實際情況設2張桌子是污染物TVOC的主要散發源．室內溫度為18℃，送風方式為孔板送風，并且整個頂棚布滿孔板．回風口為百葉風口，尺寸為0.65 m×0.42 m，位于房間的西墻下方，桌子尺寸為0.7 m×0.4 m×0.6 m．

圖1 房間的物理模型

1.2 數學模型

大量實驗表明空調房間內的氣流基本上是湍流，本文采用目前應用最廣、接受檢驗最多、數值技術也最成熟的湍流模型——k－ε二方程模型［6］．采用k－ε二方程模型求解湍流對流換熱問題時，k－ε方程與動量方程、能量方程、連續性方程一起構成了室內空氣流動的控制方程，其通用形式［7］為

式中:φ為通用變量，分別表示動量方程中的速度u，能量方程中的溫度T，體積分數方程中的C，湍流動能方程中的湍流動能K及湍流動能耗散方程中的耗散率ε;Γφ為廣義擴散系數;Sφ表示廣義源項．

劃分網格時在x、y、z方向上網格的長度≤0.11 m，并在人體、桌子、風口附近進行加密，共生成143 851網格．然后采用控制容積法將控制方程在網格上離散，差分格式使用混合格式，求解算法為SIMPLE算法．

1.3 邊界條件和初始條件

在進行數值計算時，計算所需的邊界條件和初始條件如下:

1)精確的CFD模型可對室內污染物體積分數的分布進行全面預測，風口模型的設定是影響計算精度的主要因素之一．孔板送風口的邊界條件簡化采用以下兩種處理方法:模型一采用“N點風口模型”［3］，即利用外形面積與原孔板風口相等的簡單開口替換復雜孔板風口，以描述其入流邊界條件，并保證入流的質量流量和動量流量與實際一致;模型二將孔板風口等效為一個簡單開口，其面積與孔板風口的有效通過面積相等，這樣可確保入流的動量流量和質量流量與實際一致［8］．

2)在滿足工作區溫濕度和風速要求的基礎上，房間送風量可取 750 m3/h，送風溫度為18℃．

3)因為實驗室建在室內，可忽略實驗室圍護結構內外的傳熱問題，模型中設定墻體為沒有厚度的絕熱墻體．

4)室內空氣中TVOC的初始體積分數為620×10－9．認為室內空氣為干空氣，室內空氣初始溫度18℃．由于桌子散發污染物速率很小，短時間內對室內環境的影響較小，所以近似認為桌子散發污染物速率為0．

2 實驗方法與步驟

為得出實際情況下室內污染物體積分數分布規律，對實驗房間內的污染物分布進行了測試．實驗在圖1所示的房間中距地面1.0 m處布置測點5個，其位置如圖2所示．圖2中將人和桌子簡化成長方體，圓圈代表測試點．實驗前在實驗室內人為布置污染源，污染源采用建筑裝修中常用的粘合劑涂在桌面上，則室內的兩張桌子成為污染物TVOC的主要散發源．為了使室內污染物的體積分數符合實際新裝修建筑室內的一般水平，將污染源在室外放置約1 h，再放置室內約6 h，以使其污染物充分散發并均勻分布在室內．污染物釋放過程中，實驗室的門窗全部關閉，以防止人為的擾動．室內總揮發性有機物(TVOC)的體積分數用PpbRAE VOC檢測儀(PGM－7240X型)檢測，該設備的測試范圍是 0～9 999×10－9，精度為10%．

主要實驗步驟:

1)按照儀器的使用要求連接儀器，并進行使用前的校準工作．

2)在各測點測試TVOC的初始體積分數，測試時盡量減少室內人員走動，以防止氣流擾動對實驗造成的誤差．

3)打開空調系統，設置送風溫度為18℃，送風相對濕度為36%，風量設置為750 m3/h．開始送風時監測測點處的污染物體積分數，當體積分數發生變化時開始測量各測點的污染物體積分數，本實驗取各測點5 s內的污染物體積分數的平均值作為實驗結果．每組測試時間間隔為60 s，共計測試10～15組．

4)當室內污染物體積分數隨時間的變化不大時，停止測量，關閉實驗儀器，關閉空調系統．

圖2 測試點布置(m)

3 模擬結果分析

3.1 兩種模型不同時刻模擬結果比較

圖3為不同時刻兩種模型模擬結果比較，可以看出:

1)采用兩種不同模型的模擬結果，室內污染物體積分數分布規律相近，其中測點1和測點4由于距離污染源較近體積分數較高．采用模型一時同一時刻室內測點2的體積分數最低，而采用模型二時測點3的體積分數最低，其主要原因是模型二相對于模型一送風口尺寸減小了，使得模型2中的測點3剛好位于送風口的正下方，而測點2位于送風口的邊緣處．

2)同一時刻模型二所得室內污染物體積分數較低，主要是因為模型二送風口較小，風速相對較大．模型二中測點4所處的位置位于體積分數“死角”內，所以體積分數偏高．

3)送風1 000 s時，室內污染物體積分數變化趨于穩定，兩種模型模擬得到的室內污染物體積分數基本相同，各測點TVOC體積分數相差1 ～2 ×10－9．

圖3 兩種模型不同時刻模擬結果對比

3.2 各測點污染物體積分數逐時變化情況

圖4是采用兩種模型時測點1和測點3污染物體積分數逐時變化曲線，兩曲線基本重合，體積分數下降趨勢完全相同，在大約第900 s時體積分數變化曲線的斜率很小，室內TVOC體積分數已趨于穩定．

3.3 Y方向污染物體積分數分布

孔板送風所形成的室內氣流組織形式是典型的“活塞流”，送風從上部空間逐漸向下推進，所以同一時刻距地面不同高度的測點上污染物體積分數有較大差別，本文取房間內測點3位置上距地面不同高度上的5個測點，分析同一時刻各測點的體積分數值．

從圖5可以看出:

1)兩種模型的模擬結果均表明，在送風初期，離地面距離越大，測點污染物體積分數越低．采用模型二得出的各測點體積分數隨高度變化較大，60 s時刻模型一最大與最小體積分數值相差20×10－9，模型二最大與最小體積分數值相差45×10－9．

2)隨著送風時間的延長各測點的體積分數差值逐漸減小，說明室內污染物體積分數逐漸趨于均勻狀態．

3)距地面較近的測點污染物體積分數隨高度的變化并不大，而在距地面1.4 m以上的區域內高度會對污染物體積分數產生很大影響，模型二表現得更加明顯．這說明射流區污染物體積分數變化較明顯，在工作區污染物體積分數較均勻．

圖4 測點1和測點3體積分數變化曲線

圖5 y方向體積分數分布對比

3.4 速度場比較

圖6是采用兩種不同模型模擬時，室內(z=0.5 m截面與x=0.25 m截面)的流線分布情況．

圖6 兩種模型模擬的流線分布

采用不同簡化模型進行數值模擬時，室內氣流分布有很大的不同．采用模型一時室內氣流分布均勻，送風口下的區域內流線近似平行，較為符合實際情況下的氣流分布;采用模型二時，在出風口下的區域內流線近似平行，而在出風口的兩側氣流分布出現漩渦，其中z=0.5 m截面左側氣流因為受到人的阻擋而出現一個很大的漩渦．正是由于兩種模型模擬的室內氣流分布的差異導致室內污染物的體積分數分布有所不同．

4 數值模擬的驗證

數值模擬結果表明，采用兩種不同的簡化模型進行模擬的結果相差不大，但是哪種模型的模擬結果更接近實際情況，還需通過實驗檢驗．

圖7是將不同時刻的模擬值和實驗值繪制在同一坐標系下的體積分數分布曲線．

圖7 模擬值和實驗值對比

通過圖7中模擬值與實驗值的對比，可得出下述結論:

1)模擬結果與實驗結果顯示的室內空氣中污染物體積分數分布規律符合較好，對于不同測點，兩者在數值上存在0.1% ～15%的誤差，測點1與測點4由于靠近污染源，TVOC體積分數比較高，測點2與測點5體積分數較低，而測點3處于平均水平．

2)第1 000 s時，室內TVOC體積分數基本達到穩定，實驗所測得的平均值(142×10－9)與模擬結果(137×10－9)有一定差別，但誤差較小，進一步證實了用數值模擬的方法研究室內污染物分布特性的可行性．

3)實驗測得數據與采用模型一所得的計算結果更為接近，因為在實際情況中送風小孔均勻布滿整個天花板，“N點風口模型”利用外形面積與原孔板風口相等的簡單開口替換復雜孔板風口，更符合實際情況，更適合進行孔板送風條件下污染物分布的數值研究．

5 結論

1)孔板送風對室內污染物有明顯稀釋作用．對于本文研究的空調房間，送風量為750 m3/h時，房間開始送風120 s后人坐姿呼吸層上的污染物體積分數已經降到了國家規定值500×10－9之下，送風900 s后，污染物體積分數趨于穩定．

2)模擬和實驗結果表明，室內污染物體積分數分布和送回風口、污染源的位置有很大關系，距離送風口較近的區域內污染物體積分數較低，污染源及其周邊的污染物體積分數較高．

3)孔板送風采用兩種入流邊界條件處理方法的模擬結果均和實驗結果吻合較好，模型一的模擬結果更接近實驗情況，因此建議采用模型一的“N點風口模型”進行孔板送風條件下污染物分布的數值研究．

［1］李麗，徐文華．新風量對室內VOCs濃度分布影響的模擬分析［J］．潔凈與空調技術，2003(3):16－20．

［2］張明遠．室內高大空間污染物分布數值模擬［D］．北京:華北電力大學，2003．

［3］趙彬，曹莉，李先庭．潔凈室孔板型風口入流邊界條件的處理方法［J］．清華大學學報:自然科學版， 2003，43(5):690 －692．

［4］張文勝，安大偉，董瑞，等．密閉恒溫小室流場均勻性的研究［J］．山東建筑大學學報， 2006，21(5):430－433．

［5］李勇．ICU病房空調通風系統數值模擬［D］．武漢:華中科技大學，2006．

［6］鹿世化，黃虎，李奇賀．數值模擬用于室內空氣質量控制的研究進展［J］．暖通空調， 2007，37(5):40 －46．

［7］陶文銓．數值傳熱學［M］．2版．西安:西安交通大學出版社，2001．

［8］NIELSEN P V．Description of supply openings in numerical models for room air distribution ［J］．ASHRAE Transactions， 1992，98(1):963 －971．

Numerical simulation and experimental investigation of contamination distribution in a chamber with perforated ceiling air supply

SUN Li-ying1，WEI Hui-jiao2

(1．College of Aerospace and Civil Engineering，Harbin Engineering University，150001 Harbin，China，sunliying@hrbeu．edu．cn;2．China Academy of Building Research(Tianjin Branch)，300834 Tianjin，China)

To study the contamination distribution in a chamber with perforated ceiling air supply，simulative analysis and experimental tests are carried out in this paper．In modeling，the Basic model and N-spot air model are both used for defining the orifice entrance boundary condition．The simulation results show that the distribution of contamination concentration agrees well with the test result．Especially，the simulation result of the N-spot air model is closer to the experimental one，which proves the feasibility of this model in analyzing indoor contamination distribution．

perforated ceiling air supply;contamination;numerical simulation

TU831.3

A

0367－6234(2011)08－0135－05

2010－03－10．

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(HEUCF100206)．

孫麗穎(1973—)，女，博士，副教授．

(編輯 趙麗瑩)