（工程热物理专业论文）高大空间室内污染物控制的数值模拟与研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文主要研究高大空问建筑室内污染物扩散与控制。首先，介绍了室内空气品 质评价方法和室内污染物浓度分布的预测方法；其次，应用c f d 软件，以某高大工 业厂房为例，从不同新风比对室内空气污染物排除的影响，多种气流组织方式对污 染物排除的影响以及气流组织方式对污染物排除速度的影响三个方面进行了数值 模拟，得到了相应的温度场、速度场、相对湿度场、污染物浓度场分布图，并根据 模拟结果对各种工况下室内空气品质进行了评价；最后，提出了适合此类大空间建 筑的理想气流组织方式。 关键词：大空间建筑，污染物浓度，气流组织，数值模拟 a b s t r a c t t h ep r o b l e m sr e s u l t e df r o mt h ed i f f u s i o na n dc o n t r o l so fi n d o o rp o l l u t a n t si n s p a c i o u sb u i l d i n g sa r em a i n l yd i s c u s s e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h em e t h o do fi n d o o ra i r q u a l i t ye v a l u a t i o na n di n d o o rc o n t a m i n a n te m a n a t i o nf o r e c a s ti si n t r o d u c e d s e c o n d l y , w i t ht h eh e l po fal a r g ei n d u s t r i a lf a c t o r yb u i l d i n g ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sf o rt h e d i f f u s i o no fi n d o o rp o l l u t a n t sa r es i m u l a t e db yu s i n gt h ec f d s o f t w a r e ，i n c l u d i n gt h e d i f f e r e n tm o d e so fa i r - f l o wo r g a n i z a t i o n ，t h ev a r i a n tf r e s ha i rr a t i oa n dt h ev a r i e d d i f f u s i o nv e l o c i t yc a u s e db yd i f f e r e n ta i r - f l o wo r g a n i z a t i o n s ，a tt h em e a n t i m e ，s o m e d i a g r a m sa b o u tt h et e m p e r a t u r e ，r e l a t i v eh u m i d i t y , v e l o c i t ya n dt h ec o n c e n t r a t i o nf i e l d s a r eo b t a i n e di nt h ep r o c e s so fs i m u l a t i n g ，a n dt h e n ，t h ei n d o o ra i rq u a l i t yi se v a l u a t e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s f i n a l l y , t h ed e s i r a b l em o d eo f t h ea i r - f l o wo r g a n i z a t i o nf i t t i n gf o rs p a c i o u sb u i l d i n g si ss t u d i e do u t z h a n gw e i ( e n g i n e e r i n gt h e r m a lp h y s i c s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f w e ib i n g k e yw o r d s ：l a r g es p a c e ，c o n t a m i n a n te m a n a t i o n ，a i r f l o wm o d e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文主要研究高大空问建筑室内污染物扩散与控制。首先，介绍了室内空气品 质评价方法和室内污染物浓度分布的预测方法；其次，应用c f d 软件，以某高大工 业厂房为例，从不同新风比对室内空气污染物排除的影响，多种气流组织方式对污 染物排除的影响以及气流组织方式对污染物排除速度的影响三个方面进行了数值 模拟，得到了相应的温度场、速度场、相对湿度场、污染物浓度场分布图，并根据 模拟结果对各种工况下室内空气品质进行了评价；最后，提出了适合此类大空间建 筑的理想气流组织方式。 关键词：大空间建筑，污染物浓度，气流组织，数值模拟 a b s t r a c t t h ep r o b l e m sr e s u l t e df r o mt h ed i f f u s i o na n dc o n t r o l so fi n d o o rp o l l u t a n t si n s p a c i o u sb u i l d i n g sa r em a i n l yd i s c u s s e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h em e t h o do fi n d o o ra i r q u a l i t ye v a l u a t i o na n di n d o o rc o n t a m i n a n te m a n a t i o nf o r e c a s ti si n t r o d u c e d s e c o n d l y , w i t ht h eh e l po fal a r g ei n d u s t r i a lf a c t o r yb u i l d i n g ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sf o rt h e d i f f u s i o no fi n d o o rp o l l u t a n t sa r es i m u l a t e db yu s i n gt h ec f ds o f t w a r e ，i n c l u d i n gt h e d i f f e r e n tm o d e so fa i r - f l o wo r g a n i z a t i o n ，t h ev a r i a n tf r e s ha i rr a t i oa n dt h ev a r i e d d i f f u s i o nv e l o c i t yc a u s e db yd i f f e r e n ta i r - f l o wo r g a n i z a t i o n s ，a tt h em e a n t i m e ，s o m e d i a g r a m sa b o u tt h et e m p e r a t u r e ，r e l a t i v eh u m i d i t y , v e l o c i t ya n dt h ec o n c e n t r a t i o nf i e l d s a r eo b t a i n e di nt h ep r o c e s so fs i m u l a t i n g ，a n dt h e n ，t h ei n d o o ra i rq u a l i t yi se v a l u a t e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s f i n a l l y , t h ed e s i r a b l em o d eo f t h ea i r - f l o wo r g a n i z a t i o nf i t t i n gf o rs p a c i o u sb u i l d i n g si ss t u d i e do u t z h a n gw e i ( e n g i n e e r i n gt h e r m a lp h y s i c s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f w e ib i n g k e yw o r d s ：l a r g es p a c e ，c o n t a m i n a n te m a n a t i o n ，a i r f l o wm o d e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n p 士= l明明 本人郑重声明：此处所提交的硕学位论文高大空间室内污染物控制的数值模拟 与研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 煞连 日期：垫里7 ：! ： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校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容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：丛连 日 期：型堕：i ：垒 华北电力人学硕十学位论文 1 1 研究的背景和意义 第一章绪论 2 0 世纪以来，随着人类生存和发展的需求，各国竞相建造了规模宏大的公共建 筑，电影院、剧场、体育馆、展览馆、空港航站楼、高层建筑内的中庭等的建造越 来越引起人们的兴趣和关注。大空间建筑伴随着人类群居聚落的形成而诞生，它代 表了群居群体在一定时期内的生产力发展水平和社会经济实力。2 0 世纪8 0 年代以 后由于现代建筑技术的进步，社会生产力的提高和人们生活水平的提高，使得人类 休闲时间增加，对精神文化生活有了更高的需求，所以公共建筑的规模和数量都有 所增加。到2 0 世纪术，随着我国经济、技术的不断发展，大空间建筑蓬勃发展起 来。近几年，国家大剧院的建设、北京2 0 0 8 年奥运会、2 0 1 0 年上海世界博览会和 2 0 1 0 年广州亚运会的成功申办与规划实施更是引人注目，大空间建筑呈出前所未有 的繁荣景象。工业建筑中也不乏这类大型的车间。高大工业厂房一般是指高度大于 1 0 m 或者高度在l o m 以下，面积大于5 0 0 0 m 2 的厂房【l 】，其主要特点是空间大、尺 寸长，大多数工业厂房都属于这种类型。 在高大工业厂房发展的同时，人们需要适合于劳动和工作的空气环境。除了要 求它符合一定的温度、湿度和风速外，还要求空气具有一定的清洁度。但是，由于 工业厂房体积比较庞大，厂房内气流比较复杂，同时在工业生产中散发的各种有害 物使空气环境受到污染，对人的健康、工业生产过程本身以及生态造成危害。有害 物既能进入人体内部危害人体，又能通过与人体外部器官的接触伤害人体，对人体 健康有极大的危险和影响。另外，有害物对生产过程也存在危害。随着工业生产的 发展和社会的进步，控制有害物对室内外空气的污染，满足人们的要求，有利于生 产的需要，成为越来越迫切需要解决的问题。 1 2 研究的历史和现状 从2 0 世纪7 0 年代末开始，国内外的专家学者对室内空气质量做了大量的研究 工作，研究正向深度和广度两个方向发展。近几年，主要研究方向及其成果有：1 ) 各类建筑中空气污染物质对人体健康的危害：2 ) 空调系统对送入空气的污染及影 响；3 ) 室内空气污染源释放有害物质的机理及其释放量的计算方法；4 ) 减少室内 空气污染和改善空气质量的方法。 室内空气品质的研究方法很多，其中由于数值模拟方法具有周期短、费用低等 特点，并且能够预先进行，因此这一方法在近年来得到了长足的发展。对于以建筑 华北电力人学硕+ 学位论文 空间中污染物浓度为对象的数值模拟越来越受到人们的重视。 数值模拟方法主要是在室内布置点污染源或固定释放量的污染源，然后通过模 拟计算得出不同送风量和送风方式下室内污染物浓度的分布状况，其研究的主要目 的是评价室内气流的组织分布状况和排污效率，相对而言该方向的研究比较成熟， 且已达到实用阶段。 1 2 1 国外研究历史和现状 国外在室内污染物浓度分布模拟方面处于领先地位，很多大型的优秀c f d 软件 都是国外各大学和研究机构开发的。比如美国，他们借助c f d 研究室内有机散发污 染物在室内的分布情况即v o c 散发的数值模拟。qc h e n 利用k e 模型对6 种气流 组织下的室内空气品质及热舒适状况进行了分析【2 】； wkc h o w 、wy f u n g 对办公 室、体育场、地铁等6 处强制通风下的空气流动做了分析【3 】；zj i a n g ，qc h e n 通过 数值模拟分析了辐射热源及冷辐射板对室内空气流动、温度分层、污染物分布等的 影响【4 】；n o v o s e l a c 模拟了4 种不同的建筑环境在不同的送回风下室内流场与浓度场 的分布状况，并对比了通风效率与排污效率在作为室内i a q 评价指标时的不同之处 【5 】；h l e e a ，h b a w b i b 通过数值模拟和实验的方法分析了上送风情况下室内布局 和污染源的位置对室内污染物浓度分布和通风效率的影响【6 j 。 1 2 2 国内研究历史和现状 目前国内在污染物方面主要还是采用以往的实际点测量方法和点污染源的方法 来获得其分布情况，其中点污染源方法就是在室内某点固定放置一个或多个污染物 发生点，每隔几秒放出一定的污染物粒子，跟踪污染物粒子随气流流动的轨迹来得 到相关结果。但是这种方法只能粗略得出一些分布结果，并不能获得详细的分布情 况，尤其在室内大空间形状较复杂的情况下，若干个粒子的轨迹只能说明局部的空 气气流大致走向，而不能详细描述污染物的分布情况。 在国内，有些大学也开发了一些较优秀的c f d 软件，其中有的软件可以模拟室 内的污染物分布，但是由于室内气流的特点，采用的湍流模型再加上污染物模型， 对于复杂高大空间来说，极大地加大了收敛困难，而且由于污染物的多样化和污染 物发生源的复杂化，如何简化地处理也是重要的待解决的问题，因此在室内高大空 间，同时考虑人群存在对污染物分布的影响方面还是较缺乏的。 李丽，徐文华用数值模拟的方法研究了新风量和送风口的位置对室内v o c s 浓 度的影响【_ 7 】；张明远，刘金运用c f d 数值计算的方法，对不同空调送回风方式下室 内空气流场的分布进行了模拟分析，分析比较了不同送回风方式对室内污染物浓度 分布的影响【8 】；万建武等采用污染源强度和空气品质感知值，作为评价空气品质的 2 华北电力大学硕十学位论文 指标，就送、回风口的设置对客车中的空气品质和人体舒适度进行了数值模拟分析， 对热舒适性进行了评价9 1 。对于高大空间厂房，室内生产设备散发污染物的研究尚 不多见。 1 3 本文的研究内容 新风量供给的多少和室内气流组织方式是决定室内空气品质的主要因素。 本文主要研究高大空间室内污染物扩散，以某大空间厂房为例，采用c f d 技术 模拟不同气流组织方式下室内污染物浓度场。在模拟的过程中同时考虑设备运行条 件和室内热舒适度，提出最佳的气流组织方式，为此类建筑空调系统设计和应用提 供参考。具体内容分述如下： ( 1 ) 对常见的室内空气品质评价方法和污染物浓度分布预测方法进行了总结 和比较； ( 2 ) 选择适用于高大空间室内环境的数值模拟方法，建立模拟大空间建筑室 内污染物扩散的数学模型。 ( 3 ) 以某实际工程为例，进行不同新风比对室内污染物排除影响的模拟，并 对模拟结果进行分析，提出适合所选定建筑能够获得较好空气品质的新风比； ( 4 ) 对所选定建筑，进行不同气流组织方式室内污染物排除影响的模拟，分 析模拟结果，选择所选定建筑采用低温送风空调系统排除污染物最佳的气流组织方 式； ( 5 ) 对所选定建筑进行不同气流组织方式对室内污染物排除速度影响的数值 模拟，并分析模拟结果，提出所选定建筑迅速排除污染物最佳的气流组织方式。 3 华北电力大学硕十学位论文 第二章室内空气品质评价与室内污染物浓度分布预测方法 2 1 室内空气品质评价 随着对室内环保意识的不断增强，人们迫切希望有一个安全、舒适、健康的生 活空间。近2 0 年来，长期生活和工作在现代建筑物中的人们常表现出一些越来越 严重的病态反应。这一问题引起了专家们的广泛重视，并提出了病态建筑( s i c k b u i l d i n g ) 、病态建筑综合症( s i c kb u i l d i n gs y n d r o m e ) 等一些新概念，室内空气是 否有污染，室内空气质量如何也越来越引起人们的关注。 2 1 1 室内空气品质综述 7 0 年代以来，由于石油危机的爆发，迫使西方国家采用一些节能措施，为了尽 快减低建筑能耗，各国都加强了建筑物的密闭性和保温性，相应减少了空调新风量， 并采用许多新型有机合成材料用于保温和密封，使得室内原有的污染物浓度增高， 又出现了许多新的污染物，严重恶化了室内空气品质。另一方面，随着社会科学技 术的发展，人们生活水平的提高，不断采用新型室内装饰及办公用具，使得大量含 有挥发性有机化合物v o c s ( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ) 的建筑材料、装饰材料、 人造板家具等产品的不断进入室内。据统计，至今发现的室内空气中含有的v o c s 高达数百种，由于这些挥发性有机化合物在室内的存在浓度很低，通常不会超出卫 生防疫部门所界定的室内防污染要求，因此常常被人所忽略，但人体长期处于此环 境下，人体的健康会受到很大的影响【1 0 】【l l 】。 在过去的2 0 多年，长期生活和工作在现代建筑物内的人们表现出越来越严重的 病态反应，这一问题引起了专家学者们的广泛重视，并很快提出了病态建筑( s i c k b u i l d i n g ) 和病态建筑综合症s b s ( s i c kb u i l d i n gs y m p t o m ) 的概念。大量调查分析 表明，2 0 世纪以来人们在室内的停留时问越来越长，已占全天时间的8 0 以上， 在这种情况下，上述病症产生的原因主要是由于室内空气品质存在问题，并引起病 态建筑综合症，因此室内空气品质( i a q ) 问题逐渐受到人们的关注。 由于室内空气品质的原因，人们的身心健康和工作效率受到很大的影响，因此 室内空气品质问题受到了广泛的关注。为了改善室内空气品质，需要增加建筑和空 调系统的建造和维护费用，这些不可避免的问题使得室内空气品质问题逐渐成为空 调系统设计、运行和研究的重要目的之一，同时也为暖通空调工程师和设备工程师 提出了新的课题。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 。1 2 室内空气品质评价方法 预评价是根据工程项目设计方案的内容，运用科学的评价方法，依据国家法律、 法规及行业标准，分析、预测该工程项目建成后存在的危害室内空气品质的有害物 质种类和危害程度，提出科学、合理和可行的技术对策措施，作为该工程项目改善 设计方案和项目装饰装修材料供应的主要依据，作为绿色健康监理的参考。其优点 是便于事先发现问题，防患于未然，可以节省大量人力和财力。但是实际工程中由 于设计方案改动、施工管理疏漏、根据实验室小尺寸测试所得的释放源模型与室内 污染源的实际释放情况有较大出入等一些情况，造成预评价结果与实际差距较大。 现状评价是根据建筑物现有的情况，应用科学的方法，分析当前危害室内环境空气 质量的因素和危害程度，以及室内环境空气质量产生的化学性和物理性影响变化情 况，提出科学、合理、可行的技术对策措施，营造一个舒适的室内环境。现状评价 和预评价相比，在控制治理措施方面，现状评价要涉及到较大的资金投入，而预评 价的控制措施则更多的是设计方案和管理手段的变更。 室内空气品质评价是认识室内环境的一种科学方法，是随着人们对室内环境重 要性认识的不断加深所提出的新概念。它反映在某个具体的环境内，环境要素对人 群的工作、生活适宜的程度，而不是简单的合格不合格的判断。目前国内对室内空 气品质评价方法尚未建立统一的标准。当前，室内空气品质评价一般采用量化监测 和主观调查相结合的手段进行。其中的量化监测是指直接测量室内污染物浓度来客 观了解、评价室内空气品质，而主观评价则是指利用人的感觉器官进行描述与评判 工作。 2 1 2 1 客观评价法 直接用室内污染物指标来评价室内空气品质的方法，即量化监测的方法称为客 观评价法。其主要评价方法有动态模式法、综合指数法。动态模式法就是将室内污 染物的质量浓度作为时间的函数，通过该函数确定一天中各个不同的时刻污染物的 质量浓度，并确定哪些时刻质量浓度最大，从而确定最有效的设计方案，将这些污 染物的质量浓度降到卫生标准以下。综合指数法是根据一天中污染物测量的平均值 来评价室内空气质量( 主要指标是换气次数) 。涉及到室内空气品质的低浓度污染 物太多，不可能样样都测，需要选择具有代表性的污染物作为评价指标，来全面、 公j 下地反映室内空气品质的动态。除此之外，还要求这些作为评价指标的污染物长 期存在、稳定、容易测到，且测试成本低廉。 2 1 2 2 主观评价法 主观评价法就是通过对建筑物内的人员进行问卷调研，了解他们在室内是否有 不适症状，经过汇总分析从而确定室内空气品质是否合格。英国的c i b s e ( c h a r t e r e d 5 华北电力大学硕士学位论文 i n s t i t u t eb u i l d i n gs e r v i c e se n g i n e e r s ) 认为，如果室内少于5 0 的人能感觉到任何气 味，少于2 0 的人感觉到不舒服，少于1 0 的人感觉到粘膜刺激，而且少于5 的 人在不足2 的时间内感到烦躁，则可认为此时的室内空气品质是可接受的。问卷 调查包括一套针对室内空气品质的核心问题，如职业、性别、年龄、工作环境概述、 吸烟历史、关键症状及工作条件( 满意程度) 等【忆】。 2 1 2 3 主客观相结合的综合评价法 人是测定室内空气品质的最敏感“仪器”，利用人的自身感觉器官进行描述从 而评价室内空气品质。主观评价内容主要包括四个方面：在室内人员和来访者对室 内空气不接受率；对不佳空气的感受程度；在室内人员受环境影响出现的症状及程 度；最后进行综合评价。客观评价是直接应用室内污染物指标来评价室内空气品质 方法，因室内污染物达3 8 0 0 多种，因此选择几种代表性的污染物作为评价指标， 这些污染物指：一氧化碳、可吸入颗粒物、氮氧化物和二氧化硫、甲醛、温度、相 对湿度、风速、照度及噪声等。主客观相结合的评价方法用室内人员对环境的感受 和室内污染物的各项指标综合评价室内空气品质，两者缺一不可。 2 1 2 4 应用c f d 技术对室内空气品质进行评价 近2 0 年来，c f d 技术己被应用于建筑通风空调设计领域，该方法依据室内空 气流动的数学物理模型将房间划分为小的控制体，把控制空气流动的连续的微分方 程组离散为非连续的代数方程组，结合实际的边界条件在计算机上数值求解离散所 得的代数方程组。只要划分的控制体足够小，就可认为离散区域上的离散值代表整 个房间内空气分布情况。由于c f d 方法能获得流场的详细信息，因此如果预测的准 确性能够保证，那么c f d 方法是最理想的室内空气分布预测手段。但是，c f d 的 基础理论本身还不成熟，如人们对湍流的认识尚不完全清楚；且其在通风空调工程 实际应用中还存在着一些特殊性，如风口模型、热源和辐射模型等，故此可靠性和 对实际问题的可算性是c f d 方法预测室内空气流动最大的问题。 随着计算机技术的发展，利用计算机求解空气流动控制方程组的数值模拟预测 方法也有了很大的发展。c f d 方法也越来越多地应用于暖通空调领域。其优点在于： 首先，利用c f d 方法可以反映室内空气流动形成的速度场、温度场、湿度场以及污 染物浓度等物理量的详细分布情况，这对于保证良好的空调系统气流组织设计方 案、提高室内空气品质i a q 以及减少建筑物能耗都有着重要的指导意义；其次，在 传统的室内气流组织设计中，对送风口、回风口以及室内热源等各种因素，往往只 能凭个人对物理现象( 气流、传热) 的理解，凭经验进行单纯的合成( 线性近似) 进行设计，但实际情况中，由于各参数间的相互影响，实际上其相互作用是呈非线 性关系，因此不能单纯地合成，而c f d 能更好地处理非线性问题；此外，对暖通空 6 华北电力大学硕士学位论文 调工程中其它的一些流动问题，也可以用c f d 方法进行模拟，可以较快地提供给研 究者详细地有关资料，避免大量昂贵且复杂的实验。 2 1 3 室内空气品质影响因素分析 研究室内空气品质的目的就是要找出多数人可以承受的客观因素，即可接受的 室内空气品质，然后利用现有的各种技术实现或创造出所需要的客观环境。目前， 着重有以下两个方面的研究： ( 1 ) 新风问题 新风量和新风清洁程度是新风问题中的两个方面，现代空调应该充分将它们综 合考虑，以保证室内空气品质。 新风量的大小是空调设计规范中有关i a q 考虑最多的一个问题，在空调发展的 不同阶段，相应的通风标准也不同。 传统观念认为，新风是为了清除人所产生的生物污染，所以房间最小新风量仅 由每人最小新风量指标确定。随着科技的发展，通风空调系统本身就可以是污染源， 并且其气味强度远远超过人所产生的。因此，在a s h r a e 标准6 2 1 9 8 9 r 中，认为 用以确定新风量的污染物来自人员和室内气体污染源两个方面，故房间最小新风量 由每人最小新风量指标与每平方米地板所需最小新风量指标之和确定。这体现了人 们观念的进步，同时也说明传统的空调系统设计会导致新风不足。另外，随着室内 负荷及换气效率的变化，为了减少能耗，空调运行中的室内送风量也会相应发生改 变，但为了满足人的舒适健康而确定的设计新风量不应该发生太大变化。a s h r a e 标准6 2 1 9 8 9 r 中有关变风量控制的内容明确指出，在整个变风量运行中，新风量 要始终保证在设计新风量的9 0 以上。 ( 2 ) 气流组织 在暖通空调系统的设计中，与室内空气品质关系十分密切的除新风和污染物 外，气流组织的设计至关重要。气流组织设计得好，不仅可以将新鲜空气按质按量 地送到工作区，还可及时地将污染物排出，大大提高室内空气品质。对于空调房间， 提高新风量往往伴随着空调初投资与运行费用的增加，由于这种原因，在一定的新 风量下，对室内空气分布状况进行研究就显得尤为重要。这种研究的目的是在一定 的新风量下，如何合理地设计通风方式以便达到良好的房间通风换气效果。 在室内空气流动的研究方面，传统方法是利用射流原理进行分析和预测，或利 用相似性原理进行模拟实验。随着近年来的建筑空间同趋复杂化、大型化和多样化， 前一种方法对许多问题无法给出令人满意的答案，而后一种方法需投入大量的人 力、物力和花费较多的时间，有些问题甚至无法解决。设计人员在传统的设计方法 7 华北电力人学硕士学位论文 下，难以预料不同通风方式下的气流组织情况，因而导致室内空气分布不合理的现 象大量存在，这是产生室内空气品质问题的一个很重要的原因。随着计算机的发展， 利用计算流体力学对气流组织进行数值模拟的方法应运而生，数值模拟方法开始越 来越多地进入暖通空调领域，用于分析速度场、温度场、污染物浓度场等。 2 2 室内污染物浓度分布的预测方法 室内空气品质对人体健康至关重要，因此人们希望在规划设计阶段就能预测室 内空气中污染物浓度的分布情况，从而制定出最佳的通风空调方案。常用的预测室 内污染物浓度的方法是假设室内污染物浓度分布均匀，利用质量守恒理论计算室内 污染物浓度的变化规律；最为可靠的预测方法就是模型实验，它借助相似理论，在 等尺寸或缩小比例的模型中通过测量手段来对室内空气分布做出预测【1 3 - 1 5 】：随着计 算机科学技术的发展，通过数值计算和图像显示的方法，可以对室内气流分布和污 染物浓度分布进行预测，这也是本文研究的重点。 2 2 1 质量平衡模型方法 利用质量平衡公式对室内污染物浓度进行预测是最为简单经济的方法。基于质 量守恒定律，各因素对室内空气质量的影响可表示为1 6 】： 室内污染物量= ( 室外渗入污染物量+ 室内产生污染物量) 一 ( 室内渗出污染物量+ 室内降解污染物量) ( 3 1 ) 或 去= ! 篆生= ( 室外渗入污染物量- i - 室内产生污染物量) 一( 室内渗出污染物量 + 室内降解污染物量) 】引起的污染物质量变化速率 ( 3 - 2 ) 式中卜一室内体积，m 3 ； 室内污染物体积，m 3 。 一旦确定了上式右边各项的微分表达式，即可对室内空气浓度变化速率进行求 解。 质量平衡模型可以简单、快捷地预测通风房间内污染物的浓度大小，但有很大 的局限性，该模型侧重解决室内污染物平均浓度的计算问题，对因不同气流组织形 式而引起的室内浓度场分布不均匀的描述或某处污染物浓度的计算无能为力。 8 华北电力人学硕+ 学位论文 2 2 2 模型实验方法 借助相似理论，利用模型实验对室内空气分布进行预测，不需要依赖经验理论， 是最为可靠的方法，但也是最昂贵、周期最长的方法。搭建实验模型耗资很大，而 对于不同的条件，可能还需要多个实验，耗资更多，周期也长达数月以上。因此模 型实验一般用于要求预测结果很准确的情况。除了耗费高、周期长等问题，由于实 验技术和测量仪器的限制，模型实验还不能对所有参数进行测量，基于同样的理由， 模型也难以对各种条件进行实测。 由于影响室内空气品质的污染物的散发面积很大，污染物浓度极低，污染物种 类繁多，给实验研究带来极大的困难；对于室内污染物浓度分布的模型实验研究目 前采用的方法主要是在室内布置污染源或示踪气体，研究其随室内气流组织的变化 情况，或者由环境舱测得所研究材料的污染物散发量，然后结合前两种方法计算得 到室内污染物的浓度分布情况。 2 2 3c f d 方法 由于计算机技术、湍流模拟技术的发展，用计算机对室内空气的湍流流动进行 数值模拟计算成为可能。依据室内空气流动的数学物理模型，将房间划分为小的控 制体，把控制空气流动的连续的微分方程组离散为非连续的单数方程组，结合实际 的边界条件在计算机上数值求解离散所得的代数方程组，只要划分的控制体足够 小，就可以认为离散区域上的离散值代表房间内气流分布情况。 对于描述空气流动的数学模型，由于室内空气流动密度变化不大，速度较低， 且由于墙壁的存在，空气的粘滞性不可忽略，而室内空气流动雷诺数往往达到湍流 流动的量级，故室内空气流动为不可压湍流流动，其流动和传热过程可用如下通用 微分方程式表示： ，、 兰咖) + 挑p 婶一f 矿g r a d 血p = s 妒j ( 3 - 3 ) 研 其中矽代表流动的速度、温度、污染物浓度分布等物理量，对于相应的湍流模 型，够还代表有关的湍流参数，如湍流动能以及湍流动能耗散率等【1 7 。1 9 】。采用一定 的数值计算方法求解上式，即可获得流场的离散分布，从而模拟关心的流动情况。 实际应用中，已有很多编制好的通用c f d 软件，可以直接使用，但湍流模型的 选择、网格划分、边界条件的确定等取决于使用者，这需要使用者对c f d 技术本身 具有比较全面的了解和相当的专业知识和技能。 计算流体力学方法以计算机为运算工具，其最大有点是成本低。实践表明，计 算机运算的成本要比相应的模型实验低许多倍，随着被研究的物理对象越来越大和 9 华北电力人学硕士学位论文 越来越复杂，这个有点将更显著；其次是速度快，用计算机运算，设计人员可以在 很短的时间内设计对比许多不同方案，从中优选出最佳设计方案，而相应的模型实 验则需很长时间；再就是具有较强的模拟真实条件的能力，它的计算空间不受限制， 无需缩小几何比例，而且能够获得室内污染物浓度分布和气流分布的详细情况，而 模型实验就难以办到，不过数值计算结果的可靠性主要依赖于数学模型和计算方法 的正确程度，故不如实验方法那么直观可靠。 2 2 4 三种预测方法的比较 由以上介绍可见，三种预测室内污染物浓度分布的方法各有利弊，通过对三种 预测室内污染物浓度分布的方法的介绍和比较，并考虑到实际应用中的情况，得出 以下主要结论： ( 1 ) 利用质量平衡公式简单易用，适用于通风房间内污染物浓度分布的简单 预测，但所得的信息和计算的精度有限； ( 2 ) 模型实验最为可靠，但是预测周期长、价格昂贵，而且针对室内空气品 质的模型实验目前还没有很真确的方法，因此较难结合实际工程使用。 ( 3 ) c f d 方法适用于室内空气分布进行详细预测，具有速度快和成本低的优 点，但可靠性是其实际应用中的最大问题； 2 3 本章小结 本章首先介绍了室内空气品质的评价方法，主要有主观评价法、客观评价法、 主客观相结合的评价法以及c f d 评价法。c f d 软件具有三维显示功能来展现各种 流动特性，用来评价室内空气品质，方便、快捷、直观。其次，对室内污染物浓度 分布的三种预测方法：质量平衡模型法，模型实验法和c f d 方法进行了介绍，对三 种方法的准确性、适用性、可靠性以及预测成本进行了对比，分析了各自的优缺点。 c f d 技术能够对室内空气分布进行详细预测，并且速度快成本低。本文采用c f d 方法进行室内污染物浓度分布的研究。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 第三章室内污染物浓度数值模拟的理论基础及方法 3 1 湍流流动及其数学模型 根据雷诺数的不同，流动状态分为层流和紊流两种流动状态。室内气流属于低 速流动的范围。在层流状态下，气流流动可以精确地用质量、动量和能量偏微分方 程来描述。然而实验表明，室内的气流实际上基本都处于紊流状态【2 0 1 ，且我们一般 讨论室内气流稳定以后的气流流动情况，所以在本文中，将采用紊流模型对室内气 流组织的气流流动情况进行三维、定常、不可压缩的紊流气流流动的数值模拟。 3 2k 一占两方程模型 采用k 一占两方程模型求解紊流对流换热问题时，控制方程包括连续性方程、动 量方程、能量方程、紊流脉动动能k 方程及紊流能量耗散占方程。紊流控制方程的 导出是从流体力学的基本方程出发，引入时均值及脉动值的概念，经过若干假设及 简化，演化成为适于紊流粘性流动的紊流时均方程。 根据b o u s s i n e s q ( 1 8 7 7 ) 假设【l 。7 1 ，紊流脉动所造成的r e y n o l d s 应力也与层流运 动应力那样，可以与时均的应变关联起来，即r e y n o l d s 应力可表示为： 一户谚= 一职+ 以c 考+ 羞) 一；t 挑矿 c3 式中p j - 一脉动速度造成的压力，定义为： 鼻= j 2 胚= j 1 p ( u 一2 + 一v 2 + 一w 2 ) 艮单位质量流体的紊流脉动动能，定义为： k = 芝1 、u 2 。+ 一v 2 + 一w 2 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 以紊流粘性系数 紊流粘性系数, u i 是空间的函数，取决于流动状态而不是物性参数，可表示为： h l = c 。p k 2 | 1 1 ( 3 4 ) 华北电力人学硕士学位论文 式中紊流脉动的耗散率。通过引入占，可以把j ，与脚关系起来。 另外，在模拟室内气流组织时，必须考虑空气密度变化对气流运动产生的影响。 为求解自然对流中的浮升力，b o u s s i n e s q 做出了关于自然对流中浮升力与密度变化 的假设： ( 1 ) 除了浮升力项中的密度差外，其余物性都可视为常数。 ( 2 ) 密度差与温度差成比例，即： ( p 。一p ) = p f l ( t 一瓦) ( 3 - 5 ) 式中一一容积膨胀系数； 卜参考温度。 综上所述，可得模拟室内气流组织的控制方程组如下形式： ( 1 ) 连续性方程： 盟：o a x t ( 2 ) 动量方程： 警+ 警一毒+ 毒c 毒+ 羞叶筇c 丁一驰， 8 ta x ；a x ：拟iu ”a x ；a xi “一、 i 式中紊流有效粘性系数，够2 + i t ， ( 3 ) 紊流动能方程( k 方程) ： ( 3 6 ) ( 3 7 ) 等+ 等= 毒+ 等，毒，考c 考+ 瑟，一胆一倦，i t , 酉a t 8 ) ( 4 ) 紊流能量耗散率方程( 占方程) ： 警+ 等= 毒c + 毒m 。和考c 等+ 善h ：譬9 ， ( 5 ) 能量方程： 1 2 华北电力大学硕士学位论文 塑o t + 等o x = 毒o x ( + 争署o x 】 ，。， |i ”c p a t 。 i j 上述控制方程组中的经验常数可按b e l a u n s d e r 与d b s p a l d i n g 建议的值选取 ，如表3 1 所示： 表3 - 1k 一占模型中的经验常数 c ic 2o k 6 ec ho t 1 4 41 9 21 31 3o 0 9o 9 上述各个方程从形式上看，均可以用下面的通用方程来表示： 昙伽) + 挑锄) = d i v ( f g r a 朔+ s ( 3 - 1 1 ) 式中痧一一通用变量； r 通用方程的扩散系数： s l 一通用方程的源项。 当矽为不同的物理量时，则上述通用方程演化成对应物理量的控制方程。三维 直角坐标下通用方程的r 和s 的具体表达式见表3 2 。 表3 2 三维直角坐标下通用方程的扩散系数和源项 扩散 方程 够 系数 源项 r s 连续 10 0 x 一动量 “ p 哂 一妻+ 丢( 吻罢 + 岳( 纷筹 + 鲁( 砌警) y 一动量 d p 喷 亘o y o a x ( 豺昙( 纷雾) + o ( , u , o c o - ) z 一动量 国 p 嚼 一言+ 瓦l 够瓦j + 万l 谚瓦j + 瓦l 万瓦j + l ( t - 瓦培g k 鸬 能量 t+ 2 s r c pt y t 紊流动能后+ 笠 g p 6 + g 口 盯置 紊流动能 + 丝 6 ( c lg c 2 p c ) k + g 曰 耗散 占 盯e 1 3 华北电力大学硕十学位论文 表中： g=鸬2(孚)2+(瓦ov)2+(掣)2+(瓦ou+字)2+(_ou+瓦owox o zo x o z ) 2 + ( 笔+ 娑a y ) 2 l鲫 纵睨 l 这样，高雷诺数k s 两方程紊流模型就完整地建立起来了，然后通过采用有限 差分方法离散上述微分方程，进行迭代求解，就可以得到各网格点处的速度、温度 等参数。 3 3 边界条件及壁面函数 ( 1 ) 入口及出口的边界条件 对于动量方程，给定入口的平均速度值，即给定了相应的入口质量流量，将出 口的压力值定为零，作为压力参考点：对于能量方程，给定进口气流的平均温度值； 对于k 方程，按经验做法，当入口处的k 值无实测值可依据时，可取入口处平均动 能的某个百分数，一般为o 0 15 0 5 。对于入口占方程，入口s 之值可以取为 ， 3 4 矿3 2 f 。= 兰1 ，出口边界按局部单向化处理，即取出口邻点各量的平均值作为出口流 酗p 体该量的值。 ( 2 ) 壁面的边界条件 上面的高雷诺数k g 双方程紊流模型只适用于离开壁面一定距离的紊流区域， 在与壁面相邻的粘性支层中，由于壁面的限制，分子粘性力起着主要作用，紊流雷 诺数很低，高雷诺数k s 双方程紊流模型已不再适用，k 、占方程需要做相应的修 改。目前处理近壁面区的紊流主要有两种方法，一种为低雷诺数的k s 模型法，但 这种方法必须在壁面附近布置相当细密的网格，要求计算机内存很大且计算时间很 长，对室内气流组织的模拟而言不宜采用；另一种方法是采用壁面函数法来处理近 壁区，即利用已有的实验结果，进行一定的理论分析，给出近壁区各参数的变化规 律，这种方法与前一种方法相比可大大节省内存和计算时间，并且有足够的准确度， 在工程湍流计算中应用比较广泛【2 1 1 。本文亦采用此方法。 采用壁面函数时，需引入参数：当量粘性系数( z ，) 、当量导热系数( k ，) 、无 量纲距离( y + ) 和沿某一方向平行于壁面的无量纲速度( u + ) 。 1 4 望瑟一盯 晖弓 一 b u 华北电力人学硕十学位论文 y + ：坐+ ：! i 塑4 ，_ i 2 u + ：坠_ 竺1 4 1 1 ：1 21 t 坩 p ( 3 - 1 2 ) ( 3 一1 3 ) 壁面函数法的基木思想可归纳如下： 1 ) 假设在所计算问题的壁面附近粘性支层以外的地区，无量纲速度和温度分 布服从对数分布律，即有： u + ：1 1 n ( e y + ) k 7 ( 3 1 4 ) 丁+ ：孚l n ( e y + ) + 9 q ( 旦一1 ) ( 旦) 舭 ( 3 1 5 ) 托 o r to t 式中后v o n k a r m a n ( 冯卡f - j ) 常数，k = 0 4 o 4 2 ； 仃，分子p