（农业生物环境与能源工程专业论文）bsl3主实验室气流组织状况的数值模拟研究.pdf

摘要 本论文在动态的情况下对b s l - 3 主实验室的各个环境因子进行了实验研究，在实验测定的基 确主，采帮c f d 方法建立b s l - 3 主实验室的c f d 理论模羹，应用c f d 模型模拟了实验室内气 流场、湛度场、橹瓣湿度场戳及污染物颗粒扩散静分布情况，并与实验测试结果避行辩眈分析。 本文还利用所建立的c f d 模型在送照量保持举变豹攮况下慰不鞠受莲状态对实验室内部定蠢气 流形成的影响用进彳j ：了研究。 针对b s l - 3 主实验宣不同环境因子的实地测量，分析了实验室内部的温度场、相对湿度场以 及气流场的分布情况。同时也对b s l - 3 实验室尘、菌浓度进行了检测，检测分析表明，尘埃粒子 越多，其菌含量也会越多，相关性为繇著相关。在正常的情况下，对尘埃粒子浓度进行控制，同 时也可| 筮实现对菌浓度的控制。 在实验鼍 究的基继主，本文誊j 蠲c f d 方法建立与b s l - 3 主实验窳实物大小稽闷的三维c f d 模型，采用稳态秘r n g k 一漕溅模型对实验室温魔场、耦黠湿度场、气流场以及污染物扩散进 行了c f d 模拟。并梅计算结果与实验测量结暴进行了e b 较，实骏璧和计舞值吻会蛇比鹱好，由 此验证了选用的c f d 软件对b s l - 3 主实验室气流组织逃行数值模拟的可行性和有效性。 并利用所建立的b s l - 3 实验宣的c f d 模型，针对目前实验室工程的实际情况，在送风量保 持不变的情况下对不同负压状态对实验室内部定向气流形成的影响用进行了研究，主要分析了 - 3 0 p a 、4 0 p a 、- 5 0 p a 和一6 0 p a 时的气流组织状况，并给出了合理的设计参考值。 关键词：b s l - 3 实验室，数馑【模拟，污染浓度，颗牧运动轨逑 a b s t r a c t s o m ee x p e r i m e n t sa n dr e s e a r c ha r ec a r t i e do u to na l lt h ee n v i r o n m e n t a la g e n t so fb i o s a f e t y l e v e l 一3 ，o rb s 0 3 ，m a i nr o o mu n d e rt h ed y n a m i cc o n d i t i o ni nt h i sp a p e r 。at h e o l l t i c a lm o d e lo fc f d ( c o m p u t a t i o n a lf i u i dd y n a m i c s ) f o rb s l - 3m a i nr o o m ，e s t a b u s h o db yu s i n gc f dm e t h o db a s e do n t h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t ，i sa p p l i e dt os i m u l a t et h ei n d o o ra i r f l o wf i e l d ，t h et e m p e r a t u r ef i e l d ， t h er e l a t i v eh u m i d i t yf i e l da n dt h e d i s t r i b u t i o no fp o l l u t a n tg r a n u l et oc o n t r a s ta n da n a l y z ew i t ht h e e x p e r i m e n t a lt e s t i n gr e s u l t s 两 sp a p e ra l s os t u d i e sh o w t h ev a r i a b l en e g a t i v ep r e s s u r ei n f l u e n c e st h e f o r m a t i o no fi n d o o rd i r e c t i o n a la i r f l o wu n d e rt h ec o n d i t i o no fi n v a r i a b l ea i rs u p p l yv o l u m e t h et e m p e r a t u r e 。t h er e l a t i v eh u m i d i t yf i e l da n dt h ed i s t r i b u f i o no fa i r f l o wi nt h er o o ma r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ef i e l dm e a s u r e m e n to fd i f f e r e n te n v i m n m e n t a la g e n t s t h ed u s tc o n c e n t r a t i o na n dt h e b a c t e r i a lc o n c e n t r a t i o nf o rb s l - 3l a b o r a t o r ya l lt e s t e d 拍et e s ta n a l y s i ss h o w st h a tt h er e l a t i v i t y b e t w e e nd u s tp a n i c l ea n db a c t e r i a lc o n t e n ti ss i g n i f i c a n t 。u n d e rt h en o r m a lc o n d i t i o n ，t h eb a c t e r 纽l c o n c e n t r a t i o nc a nb ec o n t f o h e dw h e nt h ed u s tp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o ni sc o n t r o l l e d 1 nt h i sp a d e r ，o nt h eb a s eo ft h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，at h r e e - d i m e n s i o n a lc f dm o d e la ss a m es i z e a sf u n - s c a l eb s l - 3m a i nr o o mw i t hc f dm e t h o dl se s t a b l i s b e d t h el a b o r a t o r yt e m p e r a t u r e 嚣e l d ，t h e r e l a t i v eh u m i d i t yf i d d ，t h ea i r f l o wf i e l da n dt h ep o l l u t a n t 痰爨l o na c f ds i m u l a t e dw i t ht h es t a t i c r n g k 一o n f i o wm o d e l c o m p a r i n gw i t ht h ec a l c u l a t e dr e s u l t s ，t h ee x p e r i m e n t a lv a l u e st a l l yw i t ht h e c a l c u l a t e dv a l u e s ，也i sv e r i f i e st h a tt h ea p p f i e dc f ds o f t w a r ei sf e a s i b l ea n de f f e c t u a lt ot h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nf o ra i l f i o wp a t t e r ni nb s l - 3m a i nl o o m w i t ht h ee s t a b l i s h e dc 芋pm o d e lf o rb s l ，3l a b o r a t o r y , a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a ls t a t u so f l a b o r a t o r ye n g i n e e r i n ga tp r e s e n t - t h i sp a p e rs t u d i e sh o wt h ev a r i a b l en e g a t i v ep r e s s u r ei n f l u e n c e st h e f o r m a t i o no fi n d o o rd i r e c t i o n a la i r f l o wu u d e rt h ec o n d i t i o no fi n v a r i a b l ea i rs u p p l yv o l u m e ，m a i n l y a n a l y z e st h ea i rp a t t e r n sa t - 3 0 p a 、一4 0 p a 、5 0 p aa n d 6 0 p ar e s p e c t i v e l y ，a n dp r e s e n t ss o m er e a s o n a b l e d e s i g n i n gr e f e r e n c ev a l u e s 。 k e yw o r d s ：b s l - 3l a b o r a t o r y ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n ，g r a n u l em o v e m e n t t r a c k l l 独创性声明 本人声褒爨星交豹论文是我令久在导燃掺导下进行戆蓦嚣突工作及驭褥斡骚究 成果。尽我所知，除了文中特别加以榕注和致谢的地方外，论文中不包禽其他人已 经发表或撰写过的研究成采，也不包含为获得中翻农业大学绒其它教育机构的学位 或涯瀑露使霜这懿材料。与我一弱工终熬羁恚黠本磷变爨擞懿任德贡献缝基程论文 中作了明确的说明并袭示了谢意。 研究生签名： 弓宝影 时间；u ，年g 月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 整送交论文懿复帮释帮磁蠹，竞许论文被查阅窝倦蠲，冒滋采趸影印、络印或摇搐 等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内窑。 保密瀚学位论文在解密后应遵守诧协议) 研究生签名：马末毛 时间： 汕。，年f 月心臼 导师签名 南阿酷 时间：如口f 年占月矿目 第一耄绪论 1 1 研究的目的及意义 b s l - 3 实验室( 生物安全三级实验室) 怂从事高致病性病毒研究的实验室，它有别予萁它类 型实验室缀驻要的一点是它豹商捻陵性，所以在设计的过程中必须阉时提供对人员、实验过程以 及环境的傈护旺鼙前我国b s l - 3 实验室设计中，设诗参数的确定、设备静途耨仍缺乏充分静瑾 论依据，实骚室的设计股参照国外b s l - 3 嶷验室设计规范，或通过对比试验在很窄的范围内选 择，攫少有超出试验范喇之乡卜进 亍系统的整体优忧设计的。作者拟建立送排风籁统下b s l - 3 实验 窝的三维c f d 模型，遥过c f d 禳撼，为b s l - 3 实验室的优纯设诗掇供指导帮淫论依据。b s l - 3 实验室的c f d 模型作为室内环境与控制设备之间的定嫩描述，无论在实验室设计环境控制还是 科学硬究中郝可以起到重要于# 用。在实验室设诗中，设计者提出一种掰的方案蠛对原有的设计方 案进行修敬之后，最想h 遭的是这种设计方案在特定的条件帮设备工作状态下实验室内斡环境条 件，只要对模型尺寸和边界条件稍加修改，设计者便可以通过c f d 模拟快速得到所需要的信息。 程b s l - 3 实验室静研究中，往往潮题涉及的爨素很多，铡如实验内不l 霹送舞 风方式对室内气滤运 动状态和污染颗粒扩散的影响，那么就需要程多种送风方式和多种负压状态等较广的范围内作魄 较才有说服力，而情况如此之多即便作正交试验工作量也很庞大，而对实验室进行c f d 模拟不 受渡验条咎限期，可墩实现饪蠹缀会下豹数馕摸接研究，不毽迅速快捷，疆且节省戚本。避一步 说，对任何实验室气流组织方案的评价都是麓于一定标澈。这个标准不存在于任何一个实际的实 验室，而是一个抽象化、模型化了的实验室。 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，计冀滚薅动力学) 终为一秘模投传囊工具经爨了发曩 阶段现己成为一个功能强大的设计工具。已广泛地应用于研究各种传递过程包括流体流动，传热 和传质等口】。c f d 模拟般的输出结果包括流体的速度和方向、压力、温度和污染浓度在警间和 鼙重闼上豹分京。c f d 最先是在蓰学、汽车、字靛、攘工簸黯疆逶窆调等镁域串建立霆来瓣，在透 两年来，由于b s l - 3 实验室在我豳的广泛建设，c f d 技术已经开始应用生物发全实验室建设领 域的研究，在该领域c f d 被用求模拟实验藏室内的环境因子。然瞄利用这些模型来研究实验室 窝淘气流级缓、温度、钼薄湿度激发污染鬏粒黥扩教对实验操终入爨翡影响。 影响b s l - 3 实验室环境的主熏因素有气流分布状况、温度、相对湿度、污染颗粒的浓度。 目前在实骏室工程中，对预测室内空气流动分布以及其它环境因予装用的方法主要有4 种；射流 公式，z o n a l 模壅，c f d 方法窝搂蘩实验l 。由于b s l - 3 实验室秀气溅组缓方寰耍隶 常严格， 而且实验室内的排风设备比较多，而射流分析方法只能给出实验室内的一些集总参数一性的信息， 涎法满足设计者详细了解室内空气分布情况的要求。z o n a l 摸型模拟得到的实际上还只是一葶中相对 “藕确”鲍集总结栗，蠢在梳壤涎菇中豹盔弱还存在较多阔题，对于实验室内象气流动戳及其建 设备内的流体流动的模拟预测，一般只使用模型实验或c f d 方法。模型实验颤然能够得到设计 人员所需要的各弛数据，但需要较长的实验周期和较为妫爨的实验费用，因蕊影响了其在工程设 计孛的广泛应用。c f d 方法是研究空调中空气动力学闻蹶的有效丽经济的方法，它可对蜜海空气 气流分布情况进行数值模拟和预测，从而得到房间内速腱、温度、相对湿度，以及污染颗粒浓度 等物理最的详细分布情况，为设计部门提供较为完整的技术依据。c f d 以成本低、速度快、资料 完备虽可模拟各种不霹瓣工嚣等优点。 1 2 国内孝| 、研究现状 生物安全三级实骏塞是属于新兴的研究领域，而且b s l - 3 实验室是属于各个国家的保密工 稳，霞毙在藩终戆麓刊上攫少霭裂有关实验嶷c f d 攘羧耀关戆报道。在国内一些羁疆貔所嚣学 校已经开始了这方面的研究，但都是借鉴c f d 在暖通空调领域的研究成果。下面把c f d 技术在 暖通空调领域的应用历程做一个介绍。 在国努，麸毽鳃鞠年戎束鼯始瑁c f d 去讨谂透风黧键孛斡空气麓力学麓簇。1 9 7 0 年，丹麦 的n i e l s epv 首次将c f d 技术应用于暖通领域，他采用k 一两方程模型和流函数涡度法计算了 塞内气流的分布，计算的射流速魔衰减结果与实测数据相比还是基本可靠的。1 9 7 6 年，c h e n ：l 瞎- - 维谤算发麓翻三维诗冀，使蠲器娥变量法筷稼三维室内气流懿运动。1 9 7 9 年，n i e l s e n 曹次攘导了 考虑浮力影响下的室内非等温空气流动的数值计算情况。1 9 8 3 年m a r t i n 计算了一个大空间( 电视 播送室) 内的三维流动年传热问牒，提出了利用c f d 技术来改进大空间空调系统的设计。1 9 8 4 年 i s h i h u 1 k a n e k i 幂t j 用滚瓣数释满旋公式数壤求解菲稳态二维流动方裰，预寡l 室内污染秘浓震静势 椎，藉此来研究室内通风效率。1 9 8 4 年，a l a m d a r i 和h a m m o n d 描述了计算建筑物表面对流换热系 数的计算方法。c b e n 和q i 珏科a l l 则谯1 9 8 8 年对建筑物能糍分析、室内空气流动以及室内室气品质 簿簿题进行了分橱帮磷究。到了1 9 8 9 年，美黼骑供疆、冷藏与空气调节工程帮协会( a s h a r e ) 专门成立了用c f d 方i 去预测室内空气流动的研究机构，辩组织和完成了a s h a r e 的第4 6 4 号 ( r p 4 6 4 ) 研究课题“窳内空气演动的数值计算”，该漾题比较完撼她研究3 c f o 方法模拟室内 空气漉动的许多相关阕越，其缩暴发表在1 9 9 4 年的a s h a r e 杂志上。至藏，c f d 技术在宝调领 域内被推广歼来，目前美国这方_ 晰的研究水平最高，并鼠已开发出许多大型的通用的c f d 软件。 1 9 9 4 年，s h u z om u r a k a m i 等人剥用代数应力攒墼( a s m ) 和数分斑力模型( d s m ) 这些离缎鲍二 阶封闭湍流模型对三缭非等温室内空气流动谶行了模拟h 。1 9 9 8 年s t e v e n j 和e m m e r i c h 等人幂用大 涡模拟技术对三维房间内热空气流动和烟气传播进行模拟，表明了高级的湍流模拟技术开始应用 于空调设讨4 簿工程领域。2 0 0 2 年c h e o n g k w d l 5 等大到髑r n g k 一# 模型对办公室内的污染源扩 散进行了模拟分析，并羊用实验验证了模扭的可靠性。2 0 0 4 年j u a n a b t 0 州等人采用非结构孵格 的形式利用r n gk f 模型湍流附计算机房进行了数值模拟分析，并利用组分传输模型对寰内的 滋度场迸弦了羲测，这撂志着c f d 拨术对一些复杂翅嚣数预测己取终了成功。2 0 0 5 年k h a n l a t 7 1 等人利用两相流模型研究了室内送排风口的能麓对室内污染物扩散的影响，最箭给出了合理的设 计方案。 嚣内在2 0 毽纪8 8 年代才开始逮方嚣麴数穰摸羧工终。潮枣丈学率先将数毽攘羧方法；l 入壤攒 嶷内空气流渤状况的研究中。1 9 8 6 q z ，王汉鬻和汤广发对二维紊流嶷内气流进行了数值计算。同 年，汤广发等人给出了二维层流室内自然对流的数值解n1 9 8 7 年溺广发等人阁三维紊流数值方 法对拳毫鳐主厂痨逶氯气滚组缓遴行了计霎，势提出戴方法霹霹隶毫螭厂房夔懑嚣避幸亍饶佬设计 i ，1 9 8 8 年，张建忠【l o j 分析了数值计算方法在通风空调领域的应用隋况，还对常见的工业敝1 2 1 槽 2 通风闯嚣作了数值计算分辑。 敷把闻蘧箍纯舞二维稳定不可压缩驻鞑悭漉毯，参数包擐速度、湿 度秘有害物浓度，露将方程转化成以流函数和涡度作为从属变量的无因次方程，刹用有限差分中 的积分方法将所得无因次方程进行离散化得到棚应的箍分方程。长期以来，窟内气流流动规律的 研巍仅仅局限予送蕊蟊蔚流闯鼷。实际上，房阉中内热源静分布、强度静大小、露护结构疼表嚣 与空气之淘的对渡、换热等都会对气流组织造成根大的影响。近年来已有一蝗文献报导了这方面 的实验和理论研究进展情况。但这些嶷验研究还具有局限性，而已有的数值研究犬部分是针对无 内热源情况的。对内含集中内熟源的房间，1 9 9 2 年顾瑞英和藏文斐在熬源寝蟊漱废给定静条件 下，利臻数壤方法秘k 一嚣方程溃滤模型裳解了气浚的速度和激度分糍，考察了避风方式、送 风摄、热源表面温度、热源表面和壁体表面的黑度、巍外环境通过壁体的传热等诸因素对室内气 流组织的影响。1 9 9 6 年童荧【”】等人针对莱结构确定的孔掇送风形式的空调办公室，在考虑确定 匏遴最鸯孛流参数： 远，其邀风气流的难直向下部分可以看作多股平行f 、 自山射流的叠加，仍可看成非蒋温自由射流，侧面 部分剥属于受g 匿射漉的范畴，剿瑟邀风速度的大小 一般为竖向送风速度的0 5 倍。 2 1 。2 室内换气次数的掭准 宙2 - 1 送风散流罩 f i g2 - 1a i r s u p p l y 换气次数遽个概念由暖遗空调瓣范裁定。换气敬数是空调工程中常用的衡量送风赞的指标， 它的定义是：房间避风量l ( m ) 和房问体积v ( 嗣) 的比徨，朝按气次数n = “v ( 次m ) 。 生物安全实骏室建筑技术规范中规定，b s l - 3 主实验室的最小换气次数为1 5 绒1 2 次，l i 。 旗稀释瘸毒、将之遗速摊走的角度出发，换气次数越夫越有利，但过夫的新风量会带来能耗过大 6 2 1 。3 室内负压镶的礁定 为防盘囊蠹玻病毒浮染空气靛争 逸，要求逶j 妻造残塞内受莲形戒瓣离e 壤撂我蓬簸蠢豹生 物安垒实验塞建筑技术规范中的规定，b s l - 3 主实验舅相对于大气的最小负压不应小于一3 0 p a ， a b s l - 3 主实验室褶对予大气的最小鼓压不废小子- 4 0 p a a 2 3 3 室内气流缀织的确定 b s l - 3 寓验室内的气流组织设计必须保证气流由洁挣空间向污染空间流动，在设计形式上采 爆上邀下排戏，确曝气溅跌最抉粒速度萎 走，尽量攘少瓣液和潮流。澎成一嵇盘送风裂撵最戆定 向气流。 在本文中，遵照上述琢冤n 墩鬟下部箨耍l l 。摊风口高崮实验室绝袄8 0 m m 左右，并窿设置在生 物安全柜的艨侧。绝对禁l 睬用下送风上排风形式，目的憨为了避免上鞋气流防止产生二次污染。 采用上送下排的气流组织方式，也是乱流洁净窝稀释、排除颗粒污染物的基本气流组织形式， 减少赛气在燮海产生涡流，镬努 鳟空气蓄先绞遘工臻人员瓣呼毅区域，舔释污染颗粒螽滚嶷增大， 到达排风口时浓度达到最大、排出室外。具体物理模型如图2 3 与图2 - 4 。 图2 - 3t 艺削面图 f i 9 2 - 3 t e d v a i c a l s e c t i o n 嘲2 - 4 工艺平期图 f 毽2 - 4 t e c h n i c a lp l a n 土送下捺有戬下饶点： ( 1 ) 实验操作人员活动的孵吸区域的浓度值小于室内的平均浓度值。 2 ) 减少由予人员行走、空气涡流等情况引起的二次气流将病人散发的已沉降的较大生物 粒子、飞沫等颗粒物重毅弥教至室内驰状况，防止二次浮染。 由于b s l - 3 实验室属于负联建筑，因此在一般状况下，主实验室与各缓冲间之间因门窗处于 卷翔歇态磊鞴离，为麓援起觅，本文将重点其讨论主实验塞蠢静气流缀缓清魂，运爝数蕊模熬方 法检验分析方案是否能够满足要求。 2 。2 数僮模拟方法的基本悉懋 对于空调房阃内的空气流动，本文采用七一两方程湍流模犁的数值模拟方法进行模拟。下 7 一一。扛 面介绍一下k 一两方程湍流模凝的楣关内容。 2 2 1 湍流流动横拟 流体流动分为层流和湍流，出口雷诺数大于3 0 的射流可以认为属于湍流范围。而空调送风 一般郡黪满越这一条俘，透筵宝调送鼹袈漉避常垮为素动黠滚，属于熬滚滚璐。 关于湍流运动妈换热的数值计算，目前融采用的数值计算方法可以大致分为完全模拟： 大涡藏模拟；( ) r e y n o l d 时殇方程法。在这兰种方法中，r e y n o l d s 时均方程法将 稳态投靠l 方稷 对时间傲平均，在所得出的关予时均物理量的控制方程惫含了脉动量黎积的时均值等未知量，于 是所得方程的个数就小于未知量的个数。而殿不可能依靠进一步的时均处理而使方程组封闭。簧 使方秘缀封蠲，必须俸窭弦设，帮建妻撰羹。这静模型把来甄懿更赢除豹时阙平趣建表象藏较 羲 阶的谯计算中可以确定的艇的函数。这是目前工程湍流计霹中所采用的基本方法口”。 2 2 2 湍流流动模型的分类 ( 1 ) 零方程横型 所谓零方程模融，是指不需耍微分方程丽是用代数表达式把湍流粘性系数与时均值联系起来 麴模燮，是隈淫是不逶爰予鸯圈漉翡 较复杂静滤动，惑无法娃理表纛趋辜瓣影响、寒流溃漉发 的影响等问题【“。 ( 2 ) 荦方程模型 彤谓湍流的单方程模型就是：为决定般只需要求解一个湍激参量的微分方程，从面使湍流方 程组得以封闭的模趔。在混合长度理论中，盹仅与几何位置及时均速度场有关，而与湍流的特性 参数无关。铮对混含长疫模型懿这个弱隈性，必蓄先解决演流鞍洼系数陵时均速度梯疫焉趋于零 的问题，科奠格洛夹( 1 9 4 2 ) 和普朗特( 1 9 4 5 ) 提出使用湍流脉动动能的平方根，即k 7 2 ，作为 脉动速度的代表，他们各自提出了计算鹤的下剜表达式： 1 h c 。涨7 2 l ( 2 - 1 ) 冀中静为羟疆系数，? 滚滚黥动翡长发足度，鬈燕潦藏躲动秀雅静平均篷，定义式为； x 。吾留+ 弓+ 爵吾孬( 2 - 2 ) 由k 黢定义出发，遴过对瞬态n a i v e r - s t a k e s 方程及其对均形式避簿推导运算秘模纯最褥出 模型得k 方裰为； p 詈+ ，篝= 毒卜譬筹+ 筹) 警f 鲁+ 善j 嘞p 竿协。， p i 叩，瓦2 瓦卜了面叫面j t 蔷l 蔷+ 蔷l 州卯丁垤吗 l 1 一l 、j 、，、，l 、一 菲赣杰瑙对流壤扩散项产象项耗教项 湍流湍动能主旗是由雷诺瘟力与均匀速瘦梯凌的褶互作用丽产生的，方程中的产生项酌定登 8 孛星农业太学硕士学位论文 第二章b s l - 3 主蜜验室通风系统的数学模型及计算方法 撼述了时均流的能撼向湍动能的转化。在时均流的能量方程中存与产生项大小一样然而符号相反 的项电是一个好的证明。耗散项总是小于零，表示在分子粘性作用下，滴动能转化为流体的内蘸。 农滚动髂系中，一个位置上的稿动量可驭有均滚携带盈| 男一处，瑚对漉翰运，饿现于对流项。 扩散项描述的是另一种形式的输运，即扩散输运，它的作用是使湍流动能在蝗个体系内的分布趋 子均匀，而对湍流能量的总量没有影响，表浚在数学上就怒扩散壤在一个封麓体系内静获势蔻零。 扩散项由三郝分组成，它们依次体现湍流涡豳的输运，脉动的输运和分子热避动的输运，在高落 诺数湍流中，分子输运作用可以忽略。 潦漉豹革方程揍式考虑了紊兹动隧要熬慰滚辕运霹扩教辘慈，毖零方程模式翦进了一步。辍 是其特征长魔z 在许多比较复杂的问躐中很难确定，这限制了单方程模式的应用。 ( 3 ) 女一e 模整 滩方程模型中成用最广的是七一s 模型【。在艘用湍流模型计算贴壁流幼时所遇到的一个煎 要问殿是如何考虑固体表面附近分子粘性对脉动的阻力作用。出于传热与流动计算中粘悭支层内 静绣分毒对结果骞蓬要影穗，鞠嚣近麓处妁凝漉攘羧阏鼹( n e a rw a l lt m b 曩e n c em o d e l ) g l 起了广。 泛的懿视，融经发展出的方法包括壁面函数法( 适用于强制对流及自然对流) ；各种低r e 数1 | 一f 模型，二层姆三层模墅。为了克服各向同性湍流嵇性等镁设的绥点，巴经黢壤出 # 线性是一骥 型，r n g 七一s 模型，多尺度k 模型，可实现七一s 模型以及非线性r n g 七一g 模型。 2 2 3 耗散率的定义 湍流中警位质精流体脉动动能的耗散率口”，即各向同性的小尺度满的机械能转亿为热能的遵 掌定义笼： 扣嘲簧) 式中p 为漉俸鹣分予糖性，重复瓣下羲；代表求葶珏。 在由三维非稳态n a v i e r - s t a k e s 方程出发推导f 方程的过程中，需甏对推导过穰中出现的复杂 豹项俸基簿亿建毽，弓l 入下瑶关予s 方程的模按定义式： 七2 8 。丁 2 5 式中为经验常数。这一模拟定义式爵尊得出_ 酊塔如下理解：由较大的满商较，j 、的满传递能 量的速率对攀垃体积的浚体正比于础，嚣艇比子传递对闻。传递时闻与溃漉长度标尺? 成正比， 而与脉动速度成反比。于是可有： 衫( 去) c z - s ， 2 2 4k 一弼方稷港滚模型豹控制方程缓 为了封闭8 方稔，对扩散项采用梯度模撅，邸取： 一p 石2 等。毒o x 沦7 ) o i 由于对源项缺乏物理上的了解，由一般概念出发，设s 的产生和耗散正比于k 的产嫩和耗散， 即取： s。一stgkpe(2-8) 壹量纲分辨可避一步给出 s t s 一| k ( 2 - 9 ) 于是# 方穗鲍源项可模拟为 s ，- 孚如g 一c 2 p e ) ( 2 1 0 ) 因此模拟后的f 方程为 p 詈+ 艘，毒= 毒”+ 纠一毒】+ 警以鼍( 詈+ 鲁) 喝p 芸c z 川， 鬈方程： p 等+ 膨，筹。毒陋+ 尝卜善卜穰磊o u ，t ( i o 缸u i t + 鲁) - 拶e 猢， 通过引入，可以把湍流粘性系数“，与k 联系起来。 双ec 。p k 7 8 ( 2 一1 3 ) 采用k f 摸型采求解端滚对藏换热姻题时，控制方程包括连续性方稷、动繁方稷、能攫方 程及k 、s 方稷与式( 2 1 3 ) 。在这一方程组中引入了三三个系数( c 1 ，。2 ，c 3 ) 及= 个常数( o j ， 。，o - r ) 在近年教表的文献中，关于这6 个经验常数的敷僖己经 鞍一致，箕值给瞻在表2 - 1 中，其中与瀑疫场蠢美的潞流只数o 与鞋均形式能握方程的广义扩数系数r 有下列关系： r 。旦旦。旦+ 翌( 1 4 ) c 。盯，只q 嶷2 - 1k s 模型中的系数 t a b l e2 - 1c o e f f i c i e n tf o rk 一m o d e l 这里叩0 是由分子扩散所造成的，而仇o ，剐由湍流脉动所造成的。在旺盛湍流区，分子 1 0 扩散部分可阻略而不计。 2 2 5 几点说明 ( 1 ) 湍浚应力计算。各耪漶流模型实际上是要鳃决如慑诗舞由予脉动所造成的避流应力闻 题。采用七一s 两方程模型后湍流应力就可以按以下公式计算吲： 以) 鸭( 考+ 等垮2 一腾 c m ， 其中一一c 。雄 。 ( 2 ) 逶掰控巷l 方程斌。控涮方程式都胃鼓褒示戒鞋t 透露形式： 皇掣；姗p 脚) ；d i v ( r g r a d 爹) + s 治1 6 ) 各类变量瓣控靠方程郭可以写戏式( 2 - 1 6 ) 这秘统形式的这一事实，必发矮大型运用计算 程序提供了条件。酋先，控制方程的离散化及求解方法可以求得统一，其次以式( 2 1 7 ) 为出发 点所编制的程序可以适用于各种变量，不两变量间的区别仪在于广义扩散系数、广义源顶及初值、 逮赛条捧这三穷瑟。 袅2 - 2 “，v ，币8 ，r 糍义 t a b l e2 - 2d e f u f i t i o n o fu ，v ，茸# dr 其中： # 钨瓦o u ll ( 缸o u i l + 一o 氓u _ _ z ) ， 批，l 咖f魄fj ( 3 ) 经验常数的确定。表2 - 2 中的常数主攥是根据一些特殊条件下的试验结果而确定的， 这一套常数的数镬对于k 一模藿豹适应性与准确往裔重要彩嗡。 ( 4 ) 经验常数的适应性。袭2 - 2 中的棠数虽然怒据巢些特殊情形下的试验继果蔼捧出螗， 1 1 中国农业大学硬士学位论文 第二章b s l - 3 主实验室通风系统的数学模型及计算方法 _ 目! 女! _ _ ! e 目e 目! _ ! _ ! s _ ! _ 目! _ i i 一 i i 织仍裔其一定适用性。 ( 5 ) 在j 旺壁区域内的适用性。高r 。数模型，适用于离开壁面一定距离的湍流隧域a 这羼 的r数是以湍流脉动动熊的平方根作为速度的(又称湍流玩数)。在筒r数区域，吁可戳略蔼e 不计。在与壁西相邻接瓣粘性支层审，潞滚怒数缀低，这曼必须考虑分子牯性躯影骥，北黠系 数c 。 将与湍流r 数有关，声一歹1 面o v ；一三p f 望a r ) 1 方程亦要作相应修改。适用予粘性支层的露一模 型称为低愿数模型。采用高也数| 一f 模型( h i g h - r ek sm o d e l ) 来计算流体与固体 表面间的换热时，对于壁面附近的隧域，可采用壁数法来处理，将在下节介绍。 2 2 ，6 壁蘸遁数法 在壁面附近粘性支屡中的流动与换燕的计算，可采蠲低恁数k 一模型或壁蔷函数法，采用 低逸数k 一模型对，由于在糖蛙支爱蠹鹣逮度撵发与滋度撵度郝缀大，因疆要蠢萋鞠当多熬繁 点，商时多达2 0 3 0 个( 如图2 _ 5 所示) ，因而无论在计算时间与所需内存方面都比较多，采用 蹙面函数法时，湍流流速中采用高飕数k e 模型，而在粘性支屡内不布置任何节点，把第一个 与壁面相邻的节点布置在旺盛湍流隧域肉( 如图弘5 所示) 。这就是说，与壁面相邻的第一个撩 蒂l 容积取辩特剐大。就簿壁蠹土静秘应为与热流密度 仍然拨第一个内节点与璧嚣上戆速度及湿度之差来 计算，其关键怒如何确定此处的有效扩散系数以及 k 、s 的边界条件，以使计算所得的切应力与热流密 度能与实际情形基本楣符。这种方法能节省内存与计 簿极瓣，在工瓣漶淀计算中痘翅较广口1 。 2 2 7 壁掰函数法的基本恿您 、 糖蠛子攫 17 酗2 5 璧蓠附近送域盼处理方法 f i g2 - 5t r e a t i n g m e t h o d f o r a a c l o s v - b y w a l l 蹙面酾数法的基本思想如下： ( 1 ) 假设在所计算问题的壁面附近粘性支层阻外的地区，无量纲速度与温度分布服从对数 分布律。由流体力学可知，对数分布律为： “+ 号州等) 一抄+ 曰 浯埘 其中= 乡，称为切应力速度；v o n 勋瑚n 常数k = o 4 一o 4 2 ，b = 5 叽5 丘在这定义 中是有时均值肄而无湍流参数，为了反映湍流脉动的影响需簧把甜+ ，y + 的定义作一扩震： 1 2 。+ ：兰鳢竺!( 2 _ 1 9 ) 。 v h + 。! 螳墨：2( ：咖) r w p 同时引入矛量纲的漏席： 在这些定义式中，既引入了湍流参数，同时保留壁面切应力t 。以及热流密度吼。 ( 2 ) 划分网格时，把第一个内节点p 布置到对数分布律成立的范围内，即配置到旺盛湍流 区域。 ( 3 ) 第一个内节点与壁面之间区域的当量粘性系数仇及当量导热系数凡按下式确定； r w 仇坐二 ( 2 2 2 ) 玑，：。尘三( 2 - 2 3 ) kq 。= r 上_ 这里的q 。，t 。由对数分布律所规定，u 。，瓦为壁面上的速度与温度。 ( 4 ) 对第一个内节点上l j p 及s p 的确定方法作出选择。k ，之值仍可按足方程计算，其边界 条件取为。一o cy 为垂直于鲕的坐郴。值得舢，如果第叶内节点设置在粘性支层 内且离开壁面足够的近，自然可以取尼。一0 作为边界条件。但是在壁面函数中，p 点置于粘性 支层以外，在这一个控制容积中，k 的产生与耗散都较壁面的扩散要大的多，因而可以取 。一o a 至于壁面上的旭常用的一种方法是按混合长度理论计算此处眠例如取龇 f 。：1 3 4 生3 2( 2 - 2 4 ) o 。1 产 2 2 4 1 3 掰 2 3 控制方程 根据b s l - 3 主实验室的实际特性，本文将对模拟对象做如下假设【矧： ( 1 ) 菌落都是附着于灰尘上的，计算中用其附着的灰尘轨迹作为菌落的轨迹。 ( 2 ) 忽略尘粒质量，并认为尘粒随气流一起流动；灰尘的体积占气体体积的比例微乎其微 可以认为对气流流场没有影响。且室内污染物发生率为恒定。 ( 3 ) 气流流动为稳态流动； ( 4 ) 室内气流不可压缩，物性为常数： 因此，对于本文所研究对象，室内空气流动和颗粒运动控制方程如下： 连续性方程： 堕。0( 2 2 5 ) 一_ 、 缺f 动量方程： 毒b 川；一瓦a _ p + 毒h 警+ 薏) - 吾毒卜堕a x j1 ) + 偌c 搦， 湍流能量传递方程： 1 0 ( p f u j k ) 一毒 + 尝) 筹卜口嚣( 考+ 鲁) _ p 卜f i g 盯i t k ，_ i0 妙i c 物， 湍流能量耗散率传递方程： 掣。毒”+ 等) 鸶卜i c l 6 肫詈( 鼍+ 等) - c 2 肛c z 啦， 2 4 颗粒轨道模型 采用f l u e n t 软件提供的离散项污染物模型模拟小颗粒。该模型视空气为连续介质，视小颗 粒为离散颗粒，计算采用l a g r a n g e 体系，从牛顿运动定律出发，通过求解得到的空气流场计算各 颗粒的运动轨迹，也称为颗粒轨道模型。通过求解颗粒运动的方程来分别地追踪这些颗粒【”1 。有 以下列假设【列： ( 1 ) 忽略空气和颗粒间的热交换； ( 2 ) 没有颗粒物从固体表面上被反弹，如墙体，地板和天花板。 ( 3 ) 在粒子沉积中的没有粒子凝结过程： ( 4 ) 所有的粒子表面都是球体。 颗粒个体运动的方程根据牛顿第二定理有： d “2 ，i ( 2 2 9 ) 1 4 其中掣，是捂狡糠在f 方向上的速率( m ，s ) 。誓是作用在颗粒肇僚壤壁上f 方向的力e 叠静表达式是： e ；努( t i - , t m 小旁峨 3 0 ) 其中：叠秘声d 分爱是空气蠢颗粒豹遮凌( m s ) t 群是空气懿辩澎k 舀妇葑。p 怒空气耱密度 ( k g m 3 ) 。d ，怒颗粒的直径( m ) 。以蹩颗粒的密度( k g 留) 。毽是颗粒躲雷落数c o 是 指阻力系数。g 。娥指f 方向上颗粒的加速度( m s 2 ) 。f 4 f 指对颗粒加的外力( i s 2 ) a 方程( 2 3 0 ) 的右边的第一项怒单位颗粒质量的重力。也的定义是； r 。垃掣咖 2 - 3 1 ) 掣 c n 是指阻力系数： 小”惫+ 惫 治，z ) 其中：a ，a ，群，分翘是光、捧球被子鬻数。方程( 2 - 3 0 ) 的瘩边麴第二项是重力，方程( 2 - 3 0 ) 的右边熬第三矮鼹代表佟瘸在粒子上豹努力，痿蔌手滚动馕激秘粒子特性；这些力麓戆矮鳖葵切 力( 也叫倾斜梯发愿力) 、b a s s e t 力和不稳定气流引起的有效集中力、b m w n i a n 力、剪切引起的 s a f f m a n s j 、粒予特性( 如粒子大小和密腱) 和气流影响力。考虑到在室内颗粒大小和密度，在我 们下面的分析中有些力小到足以忽略不计。 质量剪切力以与对颗粒的外力曩的比大约等于磷1 ： 鲁* 老( 2 - 3 3 ) 或 p p 4 p 口。和n ，分别是空气和粒子的加速率棚s 2 。对于室内的空气一粒子的流，a 。和4 p 戆在相同的数 量级的。因此， 每搿号 。 由于室内空气一颗粒流的空气与颗粒的密度之比是足够小的( 大约是0 0 0 1 4 ) ，所以只有一个 非常小的剪切力，与作用在颗粒上的外力相比，在研究中剪切力是可以忽略不计的。 当颗粒处予不稳定运动中时，有效集中力对颗粒周围的液体或气体的加速是一个附加力。对 于球型颗粒，该比例，即这个力瓦与作用在颗粒上的外力只的比值等于“。 曼一羔卫 毪一2p，(2-35) 而且对于非球越粒子，该比例会更小所以对于室内的空气颗粒流，由于比较小的空气与颗粒 1 5 中国农业大学硪士学位论文 第二章b s l - 3 主实验窥通风系统的数学模挝及计算方法 的密度比，作用在颗粒上的有效集中力与外力相比也是非常小的。因此在研究中有效集中力也可 以忽略不计。 b a s s e t 力是贯一个由不稳定气流引起的力，对于统一的加速运动，这一力j k 与拽力b 的 地大鲍等子口j 。 靠悬颞靛反映静黠闻。 堕。! ! 旦奠 ( c d 印，f ) ” ；簪 ( 2 3 6 ) ( 2 - 3 7 ) 方程( 2 - 3 6 ) 和( 2 - 3 7 ) 显示由于较小的空气密旋b a s s e t 为也可戳忽略。 b r o w n a n 力具体形式如下i 民；q 詹 ( 2 _ 3 8 ) q 是单位变化的独立高斯随机变量。a t 是在运算中的时间变化as o 是光谱密度，有阻下表达式： s o 。 2 1 z 鳢 n 2 矾2p ，p p ) c c ( 2 - 3 9 ) 其中罐液体静绝对温度( x ) ，v 是空气静绝霹嚣度m ，玎是b o l t z 璜a 赫常数，是辩阻力 法姗的修正。 萨夫曼辩力是彭李彝a h m a d i 捉基弗由萨夫璺提供一般表达式： 毛= 辫 治， = 2 5 9 4 ，蟊是疆坶张力。 方程( 2 3 8 ) 和( 2 4 0 ) 说明，在研究中萨夫曼力与b r o w n i a 力对于理想的颗粒一空气研究 模型是相当的大的，因此萨夫曼力与b r o w n i a 力在研究中应该予以考虑。因为在墙附近的颗粒的 运动中它们起着相当重要的角色。在这些地方由于速度梯度足够的大使得萨失曼升力起主导作用 。 2 5 组分疏运方程 ( 1 ) 农汽的壤量浓度计算方程渊蔻： 1 6 下a ( p u _ c ) 一讣o x 俐 倍4 1 ) 觑，l 。l 缸川 式中，珥为各遮魔分量，p 为密度，c 魑水汽的质量浓度，p c 为水汽的扩散系数，不考虑其随气 体温度的变化，c = 3 1 8 5 x1 0 m 2 s 。 ( 2 ) 拳汽静凄爨浓发和摇黠湿度豹桷纛关系 求解方程缀褥舞零汽的凄量浓覆转裙爱，还需通过一定静转纯关系方髓褥到室内稿对湿度分 机 。 湿空气是由千空气和水蒸气组成的，相对湿度的定义如下：庐；三旦_ 1 0 0 ，式中岛为空 p 和 气中水蒸气分压力，幽6 为同温度下饱和水蒸气分压力f 2 q 。由于常温常压下千空气和水蒸气都可 鞋裰为理惩气体，爨蘧鹭遵缮理怒气髂状密方程式，对予水蒸气有：磊毪= 峨毛，黠乎于空气毒： 磁珞= m 菇磊。鸯纛到手空气、承蒸气部其有与温空气辐同的体积与溢