基于FLUENT的辦公室內(nèi)污染物擴散濃度分布規(guī)律模擬計算

劉浩然，韋新東，丑雪松

吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長春 130118

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活水平逐漸提高,進而人們對室內(nèi)的居住環(huán)境及室內(nèi)空氣質(zhì)量的要求也越來越高,建筑室內(nèi)的設(shè)計要求在不斷更新.近年來，室內(nèi)空氣污染問題引起了人們的廣泛關(guān)注.眾所周知,建筑室內(nèi)主要污染物是甲醛(HCHO)、氨(NH3)、硫化氫(H2S)等有害氣體,還有其他粉塵顆粒對人體健康造成傷害[1].由于建筑的功能不同，污染物的種類也不同,辦公建筑室內(nèi)主要以人平常吸煙所散發(fā)出的一氧化碳(CO)污染為主,雖然室內(nèi)CO濃度較低,但長期接觸低濃度的CO會造成輕度中毒頭痛、昏迷，重者會產(chǎn)生神經(jīng)衰弱、失語、肺癌等.因此,辦公建筑室內(nèi)具有良好的通風(fēng)設(shè)計,不僅可以改善室內(nèi)環(huán)境,而且有利于解決由吸煙、毒氣泄漏引起的緊急事故等問題[2].國內(nèi)外諸多學(xué)者對此問題進行了研究,但應(yīng)用FLUENT方法模擬計算辦公室內(nèi)CO擴散數(shù)值的分析研究較少,以FLUENT模擬計算結(jié)果為設(shè)計方案依據(jù)可大大縮短設(shè)計時間,降低實驗成本,對辦公建筑的合理設(shè)計具有重要作用.

1 物理模型的建立

模擬對象為某建筑辦公室,根據(jù)實際計算需要將該辦公室抽象簡化為在10 m(長)×5 m(寬)×5 m(高)的房間內(nèi)地面中心處放置1個CO污染擴散源、0.5 m×2.0 m進風(fēng)口、1.0 m×0.5 m出風(fēng)口的物理模型，如圖1所示.

圖1 基于Gambit的建筑物理模型Fig.1 Physical model of building based on Gambit

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 經(jīng)典計算模型

污染物的擴散受到溫度梯度、濃度梯度和壓力梯度等因素的影響.污染源表面的污染物按照蒸發(fā)、對流和擴散的順序向室內(nèi)傳遞.基于對流傳質(zhì)組分方程經(jīng)典計算模型包括污染物散發(fā)的壓力與空氣邊界層的模型、傳質(zhì)模型、通用擴散模型.但基于經(jīng)典模型實驗不僅需要消耗大量的人力物力財力，而且還受到實驗不同條件的限制，同時經(jīng)驗?zāi)Ｐ投际菑膶嶒炛械玫降模什荒茏C明其具有合理的物理意義.隨著時代的發(fā)展，應(yīng)用FLUENT軟件可降低運營計算成本，同時縮小時間，還可針對不同情況進行預(yù)測，該軟件已成為研究室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要方法之一.

2.2 室內(nèi)氣流控制方程

利用FLUENT軟件對辦公室的污染物進行模擬計算,假設(shè)模擬中的流體為不可壓流體穩(wěn)定流動,湍流模型方程采用k-ε模型方程,對控制方程采用simple格式、壓強-絕對速度穩(wěn)態(tài)格式混合進行求解.忽略污染物的重力影響、污染物與空氣之間的對流換熱和污染物與其他氣體之間的混合作用,僅考慮CO組分在空氣中的傳輸.室內(nèi)氣體流動遵循以下組分控制方程[3-6]:

氣體狀態(tài)方程：

P=ρRT

(1)

連續(xù)性方程:

(2)

能量守恒方程:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中，u為X軸速度分量,m/s;v為Y軸速度分量,m/s;w為Z軸速度分量,m/s;ρ為氣體密度,kg/m3;ui為i方向速度分量,m/s;uj為j方向速度分量,m/s;p為壓強,Pa;R為某氣體的氣體常數(shù),J/(kg·K)；μ為動力粘度,kg/(m·s);T為熱力學(xué)溫度,K;a為熱擴散系數(shù),m2/s;k為湍動能,m2/s2;μeff為有效動力粘度，kg/(m·s);ε為耗散率,m2/s3;Gk為平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項,kg/(m·s3);αε為耗散率ε對應(yīng)的普朗特數(shù);μt為湍流動力粘度,kg/(m·s)；下標(biāo)符號i,j為張量符號，其取值范圍為1,2.

3 邊界條件的設(shè)定

根據(jù)實際情況,辦公室內(nèi)工作環(huán)境溫度為293 K,壓力為101 325 Pa(1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓),進風(fēng)口邊界條件為Pressure-inlet, 初始壓強與室外大氣壓力相等,污染物邊界條件為Velocity-inlet,初始擴散速度為0.5 m/s,風(fēng)機為Fan,通過改變風(fēng)機相對壓力的大小來觀察室內(nèi)CO濃度的分布及擴散情況,求得最合理的取值,風(fēng)機出口處為Pressure-outlet,確保出口處壓力與室外大氣壓力相等.

4 結(jié)果與分析

為觀察室內(nèi)CO擴散濃度的分布情況,建立以z=2.5 m平面為監(jiān)控平面(Monitoring surface),圖2～圖9分別為風(fēng)機相對壓力0 Pa,1 Pa,10 Pa,15 Pa,20 Pa,25 Pa,30 Pa,50 Pa下的CO濃度分布云圖,
圖2～圖9中顏色由藍(lán)至紅表示CO濃度由低到高.

由圖2～圖9可見,CO濃度隨著風(fēng)機風(fēng)壓增大而減小，同時擴散速度加快.通過圖2～圖9的對比觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)壓≥25 Pa時, 室內(nèi)污染物完全不出現(xiàn)倒流情況,此時室內(nèi)污染物濃度符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，25 Pa為滿足衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的最小值.

圖2 風(fēng)機壓強 0 Pa時CO濃度分布云圖Fig.2 CO concentration distribution at the fan pressure of 0 Pa

圖3 風(fēng)機壓強1 Pa時CO濃度分布云圖Fig.3 CO concentration distribution at the fan pressure of 1.0 Pa

圖4 風(fēng)機壓強10 Pa時CO濃度分布云圖Fig.4 CO concentration distribution at the fan pressure of 10.0 Pa

圖5 風(fēng)機壓強15 Pa時CO濃度分布云圖Fig.5 CO concentration distribution at the fan pressure of 15.0 Pa

圖6 風(fēng)機壓強20 Pa時CO濃度分布云圖Fig.6 CO concentration distribution at the fan pressure of 20.0 Pa

圖7 風(fēng)機壓強25 Pa時CO濃度分布云圖Fig.7 CO concentration distribution at the fan pressure of 25.0 Pa

圖8 風(fēng)機壓強30 Pa時CO濃度分布云圖Fig.8 CO concentration distribution at the fan pressure of 30.0 Pa

圖9 風(fēng)機壓強50 Pa時CO濃度分布云圖Fig.9 CO concentration distribution at the fan pressure of 50.0 Pa

圖10為風(fēng)壓25 Pa時物理模型在人呼吸口高度線(z=2.5 m,y=1.5 m)上室內(nèi)混合氣體相對壓力(負(fù)壓)隨x的分布曲線.

由圖10可知,當(dāng)CO污染源位于(x=2.5 m,y=0 m，z=2.5 m)處時,室內(nèi)混合氣體在高度線(z=2.5 m,y=1.5 m)x=5 m處的相對壓力(即負(fù)壓)值為P= -23.5×10-2Pa，此時其絕對值最大,該處污染物最不利于排出,設(shè)計時可根據(jù)實際情況合理調(diào)整該處送風(fēng)量或適當(dāng)增設(shè)排風(fēng)口數(shù)量，以便更好地排放污染物，使室內(nèi)污染物濃度符合國標(biāo)要求[7-8].

圖10 沿z=2.5 m,y=1.5 m直線上室內(nèi)混合物相對壓力(負(fù)壓)的分布曲線Fig.10 Relative pressure (negative pressure) distribution of indoor mixture along the line of z=2.5 m and y=1.5 m

5 結(jié)論

(1) 在辦公建筑室內(nèi)外大氣壓強相等的狀態(tài)下,通過改變排風(fēng)扇風(fēng)機的風(fēng)壓,可以使污染物更好地排出從而改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量達(dá)到室內(nèi)空氣標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)本例模擬仿真計算可以看出,當(dāng)風(fēng)壓為25 Pa 以上時,室內(nèi)的污染物不會出現(xiàn)倒流現(xiàn)象,確定為最佳的風(fēng)壓值.

(2) 當(dāng)風(fēng)扇開啟時空氣開始流動,室內(nèi)的污染物開始進行擴散,此時室內(nèi)的壓強以及氣流，室內(nèi)氣體的組分開始出現(xiàn)變化,可以根據(jù)這些影響因素的參數(shù)變化進行合理的通風(fēng)設(shè)計以及選擇設(shè)備的大小.

(3) 辦公建筑室內(nèi)的空氣環(huán)境應(yīng)該在合理的通風(fēng)設(shè)計范圍內(nèi)的前提下結(jié)合室內(nèi)采光、能耗、施工合理以及安全等因素綜合考慮使空氣品質(zhì),室內(nèi)環(huán)境達(dá)到最佳標(biāo)準(zhǔn).