基于CFD模擬的煙氣在吸煙室中的擴散狀態研究

舒 璠，王 予，潘曉薇，吳君章，陶 紅,曾勁松*

(1.華南理工大學 植物纖維研究中心，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學，制漿與造紙工程國家重點實驗室，廣東 廣州 510640；3.廣東中煙工業有限責任公司，廣東 廣州 510385)

隨著人們生活水平的提高，人們對降低香煙煙氣危害越來越重視，如何設計凈化香煙煙霧的吸煙室，使凈化后的空氣符合環境標準，已經成為科研人員的研究重點。目前降低吸煙室有害氣體濃度的主要措施有三種[1-5]：一是從源頭減少有害氣體產生；二是加大新風量；三是改善排風系統。目前，煙氣的模擬多針對卷煙煙絲和濾嘴部分，杜亮[6]、余其昌[7]對煙絲部分進行了數值模擬，得出不同卷煙紙厚度、不同卷煙紙孔隙率下煙氣在煙絲的擴散和流動狀態。唐大榮[8]、文建輝[9]等以卷煙濾嘴為研究對象，基于CFD 模擬，研究了煙氣粒子在濾嘴中的擴散、截留機理，得出了不同結構的濾嘴對于煙氣中粒相物的過濾效率。但是，運用CFD技術對吸煙室內的煙氣擴散進行數值模擬的研究很少。宋黎[10]運用CFD技術對室內的有毒有害氣體的擴散進行了模擬，分析了送風速度和釋放源位置對有毒有害氣體濃度場的影響，但并未建立吸煙室模型，對于吸煙室的選型無指導意義。

本次研究利用CFD技術建立吸煙室的三維模型，并利用步進電機實驗得到模擬的初始數據，利用PIV實驗測量煙氣速度，對CFD模型的準確性進行驗證，最終模擬得到不同的送排風方式、煙氣源量和新風風量下，吸煙室內部煙氣速度場分布和CO質量分數分布等數據，比較不同工況下的吸煙室的有害氣體凈化效率，對于吸煙室的選型提供了數據參考與指導。

1 實驗裝置與方法

吸煙機和PIV系統為主要的實驗裝置。吸煙機用來模擬卷煙抽吸的過程，提供模擬的初始數據。實驗過程中利用流量計測量煙氣流量；利用劍橋濾片采集煙氣固相并進行稱重，得到固相質量；利用鋁箔采樣袋采集煙氣氣相并進行稱重，得到氣相質量，將鋁箔采樣袋中的煙氣經過氣相色譜儀，經分析確定煙氣成分，為后續的模擬提供初始數據。PIV系統用于測量吸煙室內煙氣的速度，將實驗結果和模擬結果進行對比，驗證模型的準確性。

如圖 1 所示，吸煙機包含以下幾部分：步進電機、電機控制箱、抽吸套筒、流量計、單向閥以及金屬煙嘴，主要是利用步進電機的前后運動，帶動抽吸套筒，對桶內的煙氣進行抽吸和排出。抽吸開始前，用鑷子將劍橋濾片放入金屬煙嘴中，完全密封后點燃煙支并開始抽吸100 mL煙氣，利用流量計測量抽吸煙氣的流量。抽吸完成后，用100 mL注射器將抽吸套筒內的煙氣全部注射到鋁箔采樣袋中。實驗過程中，分別對鋁箔采樣帶和劍橋濾片抽吸前后的質量進行稱重測量，計算煙氣中的氣相質量分數為91.34%，粒相、氣相物質的總質量為0.145 g。

圖1 卷煙煙氣收集實驗裝置[6]Fig.1 Experimental facility for cigarette smoke collection[6]

如圖2所示，PIV的原理主要是利用激光發射器，在煙氣所在的位置形成激光平面，在垂直于激光平面的方向上放置CCD相機，利用CCD相機拍攝圖片，通過電腦計算兩張圖片之間同一示蹤粒子的移動距離、時間，得出煙氣的速度分布矢量圖、云圖。其中，PIV系統最大輸出800 mJ，脈沖持續時間4 ms，波長1 064 nm、532 nm；CCD 相機分辨率為2 048×2 048。

圖2 PIV原理簡圖Fig.2 The principle diagram of PIV

2 數值模擬

2.1 吸煙室的模型建立與網格劃分

如圖3所示，通過proe初步建立起吸煙室的三維模型，整體吸煙室為2 m×2 m×2.5 m的長方體。吸煙室中共有4個座位供煙客抽煙，因此煙氣源共4個，1、2號座位距離壁面0.75 m，3、4號座位距離壁面0.55 m，煙氣產生位置的高度為1.5 m。在房間的4個角落設有4個側面風口，頂部是一塊風口頂板。當吸煙室的送排風方式為側送上排時，側面風口為新風口，頂部風口為排風口；當吸煙室的送排風方式為上送側排時，頂部風口為新風口，側面風口為排風口。使用 CFD 軟件構建吸煙室的三維模型，網格劃分采用八叉樹法，網格數量約為 2 000萬。

圖3 吸煙室的三維模型Fig.3 Three-dimensional model of smoking room

2. 2 控制方程與邊界條件

本次吸煙室煙氣模擬采用Realizable的k-ε湍流模型，控制方程為：

Gk+Gb-ρε-Ym

(1)

(2)

邊界條件采用速度進口和壓力出口，采用WALL 邊界作為模型的壁面條件，同時選擇無滑移固壁面，并使用標準壁面函數處理近壁區。采用組分運輸模型模擬煙氣在吸煙室內的流動與擴散。本次模擬在對照組的基礎上改變3個參數，共做了4組吸煙室的模擬，具體的邊界條件及相關參數如表1 所示。

表1 4組吸煙室模擬的邊界條件及相關參數

2.3 其他設置

此次模擬選用壓力(Pressure-based)求解器，壓力-速度耦合選用COUPLE 算法，動量方程選用1階迎風格式。

3 數值模擬結果

通過之前所設置的邊界條件和相關參數，共進行了4組吸煙室模擬，得到了t=15 min時4種狀態下的吸煙室內的煙氣速度分布、CO質量分數分布。

3.1 速度場分布

圖4是煙氣源所在位置的吸煙室縱向截面的速度場分布，速度范圍為0～0.2 m/s。可以看出，室內的煙氣氣流在經過座位的時候速度較大，因為煙氣在經過桌椅的時候產生繞流和回流，且在相同的流量下，流通面積下降，導致流速增大。在煙氣經過墻壁的時候，由于煙氣碰到墻壁障礙物引起回流，以及煙氣在壁面的累積，導致煙氣氣流速度在局部加快，所以在部分壁面形成了較大的煙氣氣流速度，最明顯的就是實驗組2，因為產生的煙氣較多，墻壁處累積的煙氣越多，越容易發生煙氣回流的現象。

圖4 煙氣源所在位置的吸煙室縱向截面的速度場分布Fig.4 Longitudinal cross-section velocity field distribution of the smoking room in air source location

圖5是煙氣源所在縱向軸線的速度分布，將實驗組1和對照組對比，使用fluent計算得出對照組的室內平均煙氣速度為0.083 m/s，實驗組1的室內平均煙氣速度為0.068 m/s，可以看出上送側排的吸煙室內，煙氣的整體速度較低。將實驗組2和對照組對比，使用fluent計算得出實驗組2的室內平均煙氣速度為0.092 m/s，可以看出當煙氣源量增加的時候，室內的整體煙氣速度、煙氣濃度都呈現明顯的上升趨勢，且煙氣源所在位置的煙氣速度上升幅度較大，因為煙氣濃度增大，煙氣氣流與送排風氣流混合，產生漩渦，產生較強烈的湍動，流速增大。將實驗組3和對照組對比，使用fluent計算得出實驗組3的室內平均煙氣速度為0.033 m/s，發現當新風速度下降后，室內整體的煙氣速度下降得更加明顯。

圖5 煙氣源所在縱向軸線速度場分布Fig.5 Longitudinal axis speed field distribution in smoke source location

3.2 CO質量分數分布

圖6是煙氣源所在位置的吸煙室縱向截面的CO質量分數分布，可以看出，上送側排的送排風方式下，吸煙室的CO質量分數從上到下依次上升，CO質量分數范圍在4.5×10-6～4.5×10-5之間，因為送風口處有大量的新風涌入，極大地稀釋了煙氣的濃度，降低了吸煙室內的CO質量分數。而側送上排的送排風方式下，吸煙室的CO質量分數從上到下依次下降，CO質量分數范圍在0～4.5×10-5之間，因為4個空調的底部送風口送來大量的新風，稀釋煙氣的同時推動室內的煙氣向上流動，上方的煙氣越來越濃。將實驗組3和對照組進行對比，發現當新風速度提升時，吸煙室底部的煙氣幾乎被凈化。

圖6 煙氣源所在位置的吸煙室縱向截面的CO質量分數分布Fig.6 Longitudinal cross-section CO mass fraction distribution of the smoking room in air source location

圖7是煙氣源所在位置的吸煙室橫向截面的CO質量分數分布，將實驗組1和對照組對比，使用fluent計算得出對照組的室內平均CO質量分數為4.88×10-6，實驗組1的室內平均CO質量分數為1.26×10-5，可以看出上送側排的送排風方式下，吸煙室整體的CO質量分數較高，對于吸煙室內煙氣的清潔效率不如側送上排的送排風方式，因為煙氣由煙支燃燒產生，熱空氣的比重較小，會向上升，帶動煙氣中的CO和細小粒相物向上升，而側送上排的吸煙室內的送排風氣流流動方向和煙氣氣流方向相同，凈化效率較高。將實驗組3和對照組對比，使用fluent計算得出實驗組3的室內平均CO質量分數為1.94×10-5，發現當新風速度提升時，室內CO質量分數加速下降，因為隨著新風速度的增大, 新風量也增大，送入室內的新鮮空氣增多,相當于對室內氣體進行了有效地稀釋, 在一定程度上能夠提高排污效率。

圖7 煙氣源所在位置的吸煙室橫向截面的CO質量分數分布Fig.7 Longitudinal cross-section CO mass fraction distribution of the smoking room in air source location

圖8是煙氣源所在橫向軸線的CO質量分數分布圖，將實驗組1和對照組對比，發現在上送側排的吸煙室中，煙氣源產生位置的CO質量分數較低，因為在上送側排吸煙室中，側面排風口距離煙氣源很近，污染物被上送風的氣流帶動，通過排風口迅速排出。

圖8 煙氣源所在橫向軸線CO質量分數分布Fig.8 Horizontal axis CO mass fraction distribution in smoke source location

室內煙氣擴散的質量分數分布主要取決于室內的氣流分布特征和煙氣源的特性,從吸煙室質量分數分布的模擬結果也不難看出，煙氣源量、邊界條件、通風口設置、室內障礙物以及空間結構布局都是影響煙氣擴散的重要因素。

3.3 模型驗證

為了驗證CFD模型的準確性，建立起吸煙室的1∶1模型，在兩側墻壁各開1個1.5 m×1 m的玻璃窗，用PIV裝置對吸煙室內4個煙氣源附近的煙氣速度進行測量，將對照組的模擬結果中4點的煙氣速度與PIV實驗測得的4點的煙氣速度進行對比分析，對CFD模型的準確性進行驗證。

如圖9所示，使用PIV系統對煙氣源所在的激光平面進行拍攝，得到煙氣的原始圖像，因為流場中存在較多外界光源或者反光造成的雜信號，對計算造成了影響，使用Dynamic Studio V3.41軟件對該圖片截取煙氣流動時外界干擾較少的圖片。通過 Image Mean處理，把所有拍攝的兩幀圖片像素值的平均值組成一張圖片。通過 Image Arithmetic 處理，將每一張原始圖片的兩幀圖片減去Image Mean 算法得到有效去除雜信號影響的圖片。通過 Adaptive Correlation 相關計算得到流場的瞬時原始 PIV矢量圖。通過 Average Filter 處理，使用周圍 3×3 網格的平均矢量來過濾掉相關計算過程中有可能產生的錯誤矢量。對瞬時的PIV流場矢量圖做平均統計，得出煙氣的速度。從表2中可以看出，實驗結果和模擬結果的平均相對誤差為17.9%，最大相對誤差控制在25%以內，實驗結果與模擬結果保持著較好的相似性，因此驗證了模型的準確性。

圖9 PIV流場圖Fig.9 The flow chart of PIV

表2 對照組吸煙室的4個煙氣源點的煙氣流速模擬結果與實驗結果對比

4 結論

建立了吸煙室的三維模型，運用商業軟件 FLUENT 中的組分運輸模型模擬了15 min內4組吸煙室內煙氣的擴散和流動，得到煙氣的速度分布和CO質量分數分布，得到如下結論：

1) 上送側排的送排風方式，對于吸煙室內煙氣的凈化效果一般，對于煙客所在區域的煙氣凈化效率較高；側送上排的送排風方式，是更為有效的降低室內煙氣濃度、凈化空氣的方式。

2) 在吸煙室內，不同高度的煙氣濃度、CO質量分數是不同的，這主要取決于送排風方式、污染源的位置。

3) 當煙氣源量增加的時候，室內的煙氣氣流速度呈現上升的趨勢，且室內煙氣濃度較高，煙客受到二手煙的危害較高。

4) 當新風速度上升的時候，可以看出吸煙室的煙氣凈化效率大幅提升，提升新風量是降低吸煙室內煙氣濃度的有效方法。但是，應當注重空調系統的新風比例，正確處理吸煙室內熱舒適和空氣質量之間的矛盾，保證煙客的健康。