新型渦旋排風罩捕集污染物的數值研究

王宏宇 曹智翔、2* 王怡、2

1 西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

2 西部綠色建筑國家重點實驗室

0 引言

局部排風罩是局部通風系統用以捕集室內局部釋放污染物、維護室內環境的重要末端裝置。傳統的局部排風罩的排風過程類似于“點匯”，排風速度隨著與排風罩口距離的增加而快速衰減[1]。因此排風罩口應盡量設置在污染源附近。但在實際操作過程中經常存在生產和工藝的限制，導致排風罩口設置在與污染源有一定距離的位置，這時即使加大排風量也很難保證污染物的捕集效果，反而會導致通風能耗增大。同時，除吸入污染物之外，排風系統還同時從罩口四周吸入大量的潔凈空氣，因此盲目增大排風量會導致風機、管道、后處理裝置規模的增大，大幅提高了初投資和運行費用。因此，有必要不斷提高局部排風罩對污染物的捕集控制效果，實現局部排風系統的高效運行。

龍卷風、塵卷風等柱狀空氣渦旋具有控制距離長、卷吸能力強等特點，可以將地面附近的物體卷吸到高空中。因此如果能將柱狀空氣渦旋原理應用到局部排風系統中，可以很大程度地高局部排風系統對污染物的捕集效果。對這類柱狀空氣渦旋發生機理的研究表明[2-4]，其生成需要滿足3 個條件：底部平面，下部角動量氣流和上升氣流。對于局部排風系統來說，所要控制的污染源平面作為底部平面，污染源上方排風罩的排風氣流流場作為上升氣流。因此，只要能在污染源附近提供合適的角動量送風氣流，就可以在空間內形成柱狀空氣渦旋，從而實現渦旋排風，以達到對污染物的長距離高效捕集[5]。

利用空氣渦旋來控制污染物擴散，之前已經進行過一些形式的研究[6-9]。本文基于龍卷風等柱狀空氣渦旋的生成機理，將一種新型渦旋排風罩應用于局部排風系統。對于渦旋排風罩，其設計的關鍵是如何得到穩定并且強度、范圍可控制的渦旋流場。本文將柱狀空氣渦旋原理在排風罩上進行了應用，提出了一種新型渦旋排風罩，并使用數值方式對這種新型渦旋排風罩的基本流動特性和對不同種類污染物的捕集控制效果進行了研究，對提高局部排風罩的效果具有一定的參考價值。

1 設計原理

渦旋排風罩通過頂部排風吸氣而產生負壓，這一負壓核心給底部旋轉匯聚氣流以向心力。而氣流由于旋轉作用將產生離心力。在向心力和離心力平衡的范圍內產生柱狀空氣渦旋，如圖1（a）所示。柱狀空氣渦旋將收束于負壓核四周并朝向吸氣口，利用這種現象形成了本文研究的渦旋排風。渦旋排風罩的角動量送風裝置如圖1（b）所示，在環形送風口設置與法線方向呈一定夾角的導流葉片，從而使送風形成帶有固定的角度的角動量送風。

圖1 渦旋排風罩

2 流場數值計算

2.1 數值計算方法

本文使用流體力學軟件ANSYS Fluent，對新型渦旋排風罩的模型進行了流場數值計算。計算基于雷諾時均N-S 方程方法（RANS），湍流模型選用了Realizable k-ε 模型，該模型可以較好地模擬旋轉剪切流。近壁面處理選擇標準壁面函數Standard wall function。空間無粘項采用二階迎風格式離散，運用SIMPLE 算法對離散方程進行求解。

2.2 計算模型與網格劃分

排風系統數值模擬的物理模型（圖2）置于一個計算空間中，空間尺寸為6 m×6 m×4 m。圓形污染源置于空間底面中部，直徑為1 m。排風罩在污染源上方2 m的位置，直徑為0.5 m。污染源平面四周設置直徑為0.6 m，高0.1 m 的環形角動量送風口以提供合適的下部角動量氣流，從而形成柱狀空氣渦旋。

圖2 計算空間模型示意圖

利用Gambit 網格生成軟件對計算模型進行非結構化四面體網格劃分，并對污染源，送風口和排風口附近位置進行局部網格加密以提高計算精度，同時保證網格無關性。

2.3 邊界條件設置

本研究中數值模擬邊界條件的設置如表1 所示。其中，為排除墻壁等邊界對渦旋排風罩的影響，以便真實地反映系統的流動規律和特性，將計算空間中除地面以外的四周邊界設為壓力入口邊界，從而模擬無限空間內渦旋排風罩的性能表現。同時，利用組分傳輸模型，以相對分子量小于空氣的一氧化碳CO 和相對分子量大于空氣的六氟化硫SF6作為代表性污染氣體，對排風罩的捕集效率進行分析。污染源處釋放的污染物質量分數為氣體總質量的1%。

表1 邊界條件設置

3 數值計算結果及分析

為了分析新型渦旋排風罩的作用效果，本文首先研究了渦旋排風罩的基本流動特性，并對比了一般頂吸排風罩和渦旋排風罩的核心區域的壓力和軸向速度分布，并將兩種排風罩對密度大于和小于空氣的代表性氣體（CO 和SF6）的捕集控制效果進行了對比。當渦旋排風罩的底部角動量送風不工作、只有頂部排風罩工作時，可認為是一般頂吸排風罩。兩種排風系統除送風方式不一樣外，其它排風參數，排風罩布置參數及污染物散發參數保持一致。

3.1 流場分布

渦旋排風罩作用下的污染物跡線如圖3 所示。從圖中可見，當環繞污染源提供角動量送風時，污染源附近的流體通過角動量送風得到了切向動量，流場具有明顯的切向旋轉速度，流體向中間匯聚，旋轉上升，最終在頂部排風罩排風上升氣流的共同作用下生成了穩定的柱狀空氣渦旋流場。

圖3 渦旋排風罩污染物跡線圖

圖4、5 分別對比了一般頂吸排風罩和渦旋排風罩的豎直截面壓力分布和速度分布。由圖4 可知，渦旋排風罩在污染源和排風口之間的軸心位置存在明顯的負壓分布，因此污染源處散發的污染物在隨空氣渦旋上升過程中，受到軸心負壓梯度的限制而難以向周邊環境逃逸，從而顯著提高了渦旋排風罩對污染物的控制效果。從圖5 可知，渦旋排風在柱狀渦旋邊緣位置具有較大的上升速度，污染物在柱狀空氣渦旋作用下上升至排風罩口位置，顯著增強了排風罩的控制距離。而一般頂吸排風罩的速度分布則為匯流流動，其排風速度隨著與排風口距離的增加而快速衰減，對較遠距離的污染源位置幾乎沒有影響。

圖4 豎直截面壓力分布圖

圖5 豎直截面速度分布圖

3.2 核心位置壓力和軸向速度分布對比

圖6、7 分別對比了一般頂吸排風罩和渦旋排風罩在污染源與排風罩之間的核心壓力分布和軸向速度分布。可知在污染源到排風罩口的整個范圍內，渦旋排風罩在核心區域都擁有更大的負壓梯度，有助于減少污染物的擴散，提高控制捕集效果。同時，在污染源到排風罩口的整個范圍內，渦旋排風罩在核心區域都擁有更大的軸向速度，因此可以讓污染物更快的從污染源輸運至排風罩口，不但降低了污染物在輸送過程中逃逸的幾率，也降低了污染物的室內滯留時間，從而提高了控制捕集效果。

圖6 軸心核心壓力對比圖

圖7 核心軸向速度對比圖

3.3 對不同特性污染物的捕集控制效果

根據污染物特性的不同，其運動規律會存在顯著差異，需要局部排風罩對污染物具有較強的適應性。本節對比了一般頂吸排風罩和渦旋排風罩分別對2 種密度小于空氣（CO）和大于空氣（SF6）的代表性污染氣體的捕集控制效果。

圖8 對比了當污染物為CO 氣體時，兩種排風罩對污染物的控制效果。由于CO 氣體的分子量（28）較空氣（29）略小，因此從污染源排出的污染物受浮力作用，固有向上運動的趨勢。從圖8 可以看出，當污染物本身有運動到排風口的趨勢時，兩種排風系統都能較好地控制和捕集這些污染物，捕集效率較高。

圖8 對CO 氣體的捕集效果圖

圖9 對比了當污染物是SF6氣體時，兩種排風罩的污染物捕集控制效果。由于SF6氣體的分子量（146）遠大于空氣，因此污染物從污染源釋放后受重力影響，很快失去上升速度并發生橫向擴散沉積。在這種情況下，一般頂吸排風罩由于距離污染源過遠，排風速度隨著距離增大而迅速衰減，無法捕集到遠距離的污染物，導致捕集效率低下。而對于渦旋排風罩，由于較大的中心負壓梯度和軸向速度，將污染源釋放的污染物卷吸入渦旋中輸運至排風口位置，因此對遠距離污染物依然保持了較高的控制捕集效果。對比可知，渦旋排風罩對于長距離工況下大密度污染物的控制捕集具有明顯優勢。

圖9 對SF6 氣體的捕集效果圖

4 結論

根據柱狀空氣渦旋形成所需的基本條件，本文利用數值模擬方法研究了一種新型渦旋排風罩的基本流場特性和對不同特性的污染物的捕集控制效果，得到了以下結論：

①通過在污染源附近設置角動量送風裝置，配合頂部排風罩，可滿足柱狀空氣渦旋生成的基本條件，得到了較為穩定的柱狀空氣渦旋流場，驗證了渦旋排風的可能性。

②分析了一種新型渦旋排風罩的流線分布，壓力分布和軸向速度分布，得到了渦旋排風罩的基本流場特性，為進一步研究和優化打下基礎。

③渦旋排風罩軸心位置存在較大負壓梯度和上升速度，可以在長距離上對不同類型和特性的污染物進行高效的捕集控制，通過和一般頂吸排風罩進行對比發現，渦旋排風罩對于污染物的適應性顯著優于一般頂吸排風罩，尤其對于長距離下大密度污染物的捕集效果更好。