（安全技术及工程专业论文）室内颗粒物行为的数值分析.pdf

第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i t i sv e r ym e a n i n g f u lt oi n v e s t i g a t et h ei n d o o rp a r t i c l ed i s t r i b u t i o na n dm o v e m e n tf o r i m p r o v i n gi n d o o ra i rq u a l i t y ( i a q ) a n dp r o m o t i n gi n d o o r e n v i r o n m e n tf o rs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t c u r r e n t l y , t h e o r e t i c a ls t u d yo ni n d o o rp a r t i c u l a t em a t t e rd i s t r i b u t i o nh a sn op e r f e c t t h e o r i e so rm e a l l s f u r t h e r m o r e ，e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n dt h er e s u l t si nt h i sf i e l da r cv e r y l i m i t e d t h e r ei sn os y s t e m a t i cs c i e n t i f i cd a t ap r o v i d e df o ri m p r o v i n gi a q s i n c e2 0c e n t u r y6 0 s t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w h i c hb a s e do nc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，h a sb e c o m eo n eo ft h e p i l l a r sd u r i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s e s ，e x p e r i m e n t a ls t u d i e sa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o no ft h e h y d r o d y n a m i c sf i e l 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 ( c f d ) c a ns i m u l a t ea n dp r e d i c tt h ep h y s i c a l d e t a i l so f i n d o o rp a r t i c u l a t em a t t e r , s u c ha sv e l o c i t yf i e l da n dc o n c e n t r a t i o nf i e l d t h i sp a p e rp r e s e n t e dam o d e lo ft h r e e - d i m e n s i o n a lg e o m e t r yt op r e d i c ti n d o o rp a r t i c l e s d i s t r i b u t i o na n di n f l u e n c i n gf a c t o r sb yu s i n gn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n t h eg a s - s o l i df l o wi n e x p e r i m e n t a lc h a m b e rw a ss t u d i e db yu s i n gc f d s o f t w a r ec f x l0 0 i tw a sd i v i d e di n t of o u r p a r t s f i r s t l y ，a c c o r d i n gt ot h eb u i l d i n g ，l a y o u t , d i s t r i b u t i o no fp o l l u t a n t sa n da i rc o n d i t i o n i n g s y s t e m sa i r f l o w ，ar e a s o n a b l ep r e d i c t i o nm o d e lw a sf o u n d e d s e c o n d l y ，t w o - p h a s ef l o wo f e x p e r i m e n t a lc h a m b e rw a sd i s c u s s e dt h o r o u g h l y t h e nt h r e eb a s i cm u l t i p h a s em o d e l sa r e e s t a b l i s h e d , t h a ti s ，t h es i n g l e - f l u i dm o d e l ，t h et w o - f l u i dm o d e la n dt h ed i s p e r s i o np a r t i c l eg r o u p t r a j e c t o r ym o d e l a g a i n , b a s e do nt h ee u l e ra n dl a g r a n g e st w oc a l c u l a t i o nm e t h o d sa n dt h e t h r e em o d e l s ，i n d o o rp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o na n do t h e rp h y s i c a lp a r a m e t e r sw a sg a i n e df o re v e r y m o d e lb yu s i n gc f x i o 0 t h et h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nr e s u l t sw a se x p r e s s e db yu s i n g v i s u a l i z a t i o nt o o l s ，a n dt h ei n d o o rf l u eg a sd i s t r i b u t i o na n dp a r t i c l ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sa r e d e m o n s t r a t e db yu s i n ga n i m a t i o n f i n a l l y t h en u m e r i c a lr e s u l t sw e r ea n a l y z e d , c o m p a r e d 、撕t l i t h ep r e v i o u sr e s u l t st ov e i l f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o da n dt h ea c c u r a c yo fr e s u l t s ，a n dt h e c o n c l u s i o nw a sg i v e n t h i ss t u d yi n v o l v e dat h r e e - d i m e n s i o n a lm u l t i p h a s em o d e l ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n , t h em e s h g e n e r a t i o nt e c h n o l o g y ，t u r b u l e n c em o d e la n ds oo n s o m eu s e f u le x p l o r a t i o n sh a v eb e e nf o u n d f o rt h et h r e e d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lr o o m t h er e s u l ts h o w st h a ts t u d yo ni n d o o r p a r t i c l en u m e r i c a lh a sp r a c t i c a lv a l u ef o rp a r t i c l ed i s t r i b u t i o np r e d i c t i o n , t h ec o n c l u s i o ni s s o m e w h a ta c c u r a t e s i n g l e f l u i dm o d e li ne u l e rw a ya n dd i s p e r s i o np a r t i c l eg r o u pt r a j e c t o r y m o d e li nl a g r a n g ew a ya r eb e t t e rf o ri n d o o rg a s s o l i df l o w sr e s e a r c h t h e r ei sac l o s e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n d o o rp a r t i c l e s d i s t i l b u t i o na n di n d o o ra i rm o v e m e n t i n d o o r p o l l u t i o n sd i s t r i b u t i o na n dp a r t i c l e sm o v e m e n ta r ee f f e c t e db yi n d o o ra i rm o v e m e n t s o l i d p h a s eh a sl i g h t l ye f f e c to ng a s ，b u tg a sa f f e c t sp a r t i c l eh e a v i l y i n d o o ra i rm o v e m e n ti sat y p i c a l t u r b u l e n tf l o w , a n dt h et u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g ym a x i m u mi nt h er a t eo fm u t a t i o n ，s u c ha sj e t o u t l e t , i n d o o rc o r n e ra n da i rc i r c u l a t e sb a d l y ，w h e r ec o n v e c t i o ne a s i l yt r a n s f e rf o rp r o d u c eo f l a r g ew h i r l p o o la n da c c u m u l a t i o no f p a r t i c u l a t em a t t e r k e yw o r d s ：t a q ；p a r t i c u l a t em a t t e r ；p r e d i c t i o nm o d e l ；g a s s o l i df l o w ；c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 本课题研究背景及意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 颗粒物是当前许多城市最主要大气污染物之一，又名气溶胶，是悬浮在空气中的液态 或固态粒子的总称。大气污染已成为影响人类健康的主要环境危害之一，据世界卫生组织 ( w h o ) 估计，在全世界范围内，城市空气污染造成每年约8 0 万人死亡、寿命损失年减少 约为4 6 0 万i j j 。根据不同的测量方法，空气中的颗粒物通常可分为悬浮颗粒物fs p m ) 、总 悬浮颗粒物( t s p ) 、可吸入颗粒物( i p ) 等。飘尘是指空气动力学直径小于或等于1 0 1 u n 的 悬浮颗粒物，根据粒径又分为p m i o 、p m 25 、p m l 等，由于它易被人们吸入呼吸道内，因 而也称为可吸入粒子( i p ) 】。随着研究工作的深入，人们逐渐认识到，导致城区人群患病 率和死亡率增加的主要因素是飘尘( 或i e ) 的浓度而不是悬浮颗粒物总量 6 1 。因此，美国 国家环保局1 9 8 5 年将原来的颗粒物质指标t s p 项目修改为空气动力学直径小于或等于 l o m 的大气颗粒物，即p m l o l 7 】。随着人们在室内生活与工作时间的不断增加( 占9 0 以 上) ，建筑室内空气环境i a e ( i n d o o ra i re n v i r o n m e n t ) 日益成为广泛关注的问题，因为它 与我们的舒适( c o m f o r t ) 、健康( h e a l t h ) 及工作效率( p r o d u c t i v i t y ) 密切相关9 】。尽管大 多数人把室内( 包括家、办公室、学校、体育馆等) 当作最为安全的地方，但最近的科学 研究表明：城市室内环境由于受到各种化学和生物因子的污染，在多数情况下，污染程度 比室外要严重，美国环境保护局( u s e p a ) 公布的调查结果：室内空气污染物浓度至少是 室外的2 5 倍，有时甚至高达上百倍! 香港贸发局报告也指出：与室外空气相比，室内 空气的污染程度超过室外5 0 多倍。国内外专家研究表明，现代人正进入继“煤烟型”、“光 化学烟雾型”污染之后的以“室内空气污染”为标志的第三污染时期。为此，研究室内颗粒污 染物分布、运动特征及其控制措施是目前国内外研究的热点问题之一。 1 1 2 研究意义 p o p ei i i 的研究表明，飘尘浓度即使相对较低也能引起肺功能的改变，引起心血管和 呼吸( 哮喘) 疾病增加。p m l o 对呼吸疾病的发生率及其激烈程度产生很大的影响。p m i o 与由肺功能衰竭所引起的死亡、以及由呼吸性疾病和心血管疾病引起的死亡存在明显的相 关性，而p m 2 5 与心肺疾病和肺癌的相关性就更为明显i lo 】。为了更为有效地控制气溶胶引 起的健康问题，先进国家早在2 0 世纪8 0 年代就在空气质量监测项目中采用p m l o 代替 t s p 。我国从2 0 0 0 年6 月起，在空气环境质量监测中已改测p m i o 。u s e p a 对初期的颗粒 物健康标准进行了修改，规定p m 25 的年平均浓度不得超过1 5 1 t g m 3 ，2 4 h 平均浓度不得 超过6 5 i _ t g o 1 。2 0 0 2 年世界卫生组织w h o 发表的年度报告“1 1 1 eh e a l t he f l e e to f i n d o o r 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 a i r p o l l u t i o n e x p o s u r e i n d e v e l o p i n g c o u n t r i e s ”特别指出：世界上最为严重的室内空气污染 主要集中在经济上比较落后的发展中国家。 因此，研究室内污染物分布规律对开发经济有效的技术措施，控制工作区空气品质具 有重要的理论意义和实用价值。u s e p a 指出，空气品质意味着生活质量。控制室内空气污 染，提高室内空气品质，为人们创造健康、舒适、高效工作的室内环境，将有力促进人类 社会可持续健康发展。 1 2 国内外研究现状 室内空气中的颗粒物直径大约在o 0 1 1 0 0 p m l l 2 , 1 3 1 。其中粒径小于o 1 l u n 的颗粒物可 与空气分子发生碰撞形成随机运动，而大于1 0 i _ t m 的粒径有较大的沉降速度，在空气中的 停留时间相对较短。粒径小于1 0 p r o 的颗粒物称为可吸入颗粒物，粒径小于2 5 0 m 的称为 细颗粒物，介于2 5 0 m 和1 0 0 r e 之间的颗粒物称为粗颗粒物；也有人将细颗粒物和粗颗粒 物的直径界限取为2 0 m 【j 。对i a q 和人体呼吸健康的影响这一目的而言，通常我们关心的 是可吸入颗粒物( p m l o ) 。另外，颗粒物的直径可能会由于碰撞或者互相吸附而改变i l ”。 那么，大气悬浮颗粒物污染从多大程度上影响了室内空气品质? 对没有明显室内污染源的 家庭，建筑维护结构可以从多大程度上使其免受室外污染的影响? 室外颗粒污染物怎样穿 透维护结构影响室内空气品质? 这些都是i a q 学者要深入思考的问题 1 6 , 1 ”。目前，国内外 就室内颗粒物的研究主要集中在以下几个方面。 1 2 1 室内颗粒物对人体健康影响研究 室内颗粒物对人体健康的影响主要集中在两个方面，即：可吸入颗粒物的物理、化学 性质和流行病学及毒理学研究。 1 2 1 1 研究方法 研究室内空气颗粒物对人体健康影响是相当复杂的综合过程( 如图1 1 ) ，但大体可以 分为以下三个阶段：污染源辨识一建立合理的室内空气品质模型进行预测一采取合理有效 的控制方式，包括以下环节： 污染源( s o u r c e s ) 一分析室内颗粒污染物的来源及其影响因素； 浓度分布( c o n e e n t r a t i o t l ) 一研究室内污染物的浓度分布与变化规律； 人体暴露水平( e x p o s u r e ) 一在一段时间内人体所接触到的室内污染物总体浓度， 即对人体健康最有直接影响或威胁的污染物总和； 剂量( d o s e ) 一最终作用于人体器官( 对健康可能产生影响) 的污染物浓度； 健康反应( h e a l t hr e s p o n s e ) 一颗粒污染物作用于人体后产生的不良健康症状。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 i 翌兰塑丝爿鲨垦坌! ! 竺h 尘竺墨垦查兰! ! ! f ：爿型兰竺! f = 1 竺! 墨皇生! l 广 广 广 厂 广 i - - - - - - - - - - - - - - ji - - _ ji - jl jl j 图1 1 室内颗粒物对人体健康的影响 1 2 1 2 研究结果 室内颗粒物的健康影响主要是呼吸健康的影响。室内颗粒物是通过被人吸入，然后沉 积在人体呼吸系统内从而对人体健康造成危害。室内颗粒物对人体的危害效果取决于：颗 粒物的物理化学特性：颗粒物的数目，颗粒物的直径以及颗粒沉积的部位。 颗粒物沉降在呼吸系统的不同部位会形成不同的危害，而不同部位对颗粒物的收集效 率是不同的。相对大的颗粒物通常在上呼吸道沉积，如口、鼻等部位，而更小的颗粒物可 能直接抵达肺部，从而造成严重的危害。因此，颗粒物的“区域沉积”就非常重要幽，这 与粒径有直接的关系。不同粒径的颗粒物可以通过人的呼吸作用到达呼吸道的不同部位而 产生沉积。 关于颗粒物对人体健康影响的研究主要有流行病学和毒理学两种方法，目的是认识颗 粒物对人体健康的各种急性和慢性影响及其生物学机理。目前，关于颗粒物对人体健康影 响的资料主要是从流行病学研究获得的，总的影响可以归结为两大类1 1 8 】：成人的日死亡 率和年死亡率增加，尤其是心肺病患者。美国对其东部6 个城市的粗颗粒物、细颗粒物和 硫酸盐颗粒物浓度进行了连续8 年的监测，发现日死亡率的增加与p m l 0 p m 25 和硫酸盐 颗粒物浓度都显著相关，其中同p m 2 ，5 的相关性最强。当p m 25 日平均浓度增加l o n g m 3 时，当日的死亡率会增加1 5 ，其中，c o p d 患者死亡率增加3 3 ，局部缺血性心脏病 患者死亡率增加2 1 。诱发心肺功能障碍，导致发病率增加，包括呼吸道系统疾病( 如 气喘、咳嗽) 、哮喘病、肺炎、支气管炎和c o p d 。此外，医院急诊病人和就医人数增加， 也都与大气颗粒物暴露剂量有关。但到目前为止，颗粒物影响人体健康的生物学机理还不 十分清楚，有待于进一步研究。 1 2 2 室内颗粒物分布和运动的研究 人们研究室内颗粒物的分布或运动规律的主要目的在于：研究室内颗粒物的分布，评 测( 评价和预测) i a q 进而合理控制室内颗粒物数量和分布，提高i a q 减少颗粒物的危 害。室内空气品质的预测研究主要有三类：实验研究、统计分析法研究和c f d 技术研究。 1 2 2 1 实验研究 实验测量是研究室内颗粒物分布和运动规律的重要、可靠手段，通过采用不同的仪器、 扩散方法以及显微成像分析等5 类。总体而言，实验研究多针对室外颗粒物含量、通风情， 况、室内颗粒物发生源等因素与室内颗粒物含量和分布关系。实验测试能获得可靠的结果， 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 但是实验测试周期较长，价格昂贵，并且受实际情况所限，不一定能测试所有条件。 ( 1 ) 量化指标 * 襞l o o d e 0 悄 蠡 1 轻 氍 0 0 l0 il1 0 颗粒粒径( p r o ) ( a ) 霎 裂 捌 被 1 碧 篓0 1 删 墅0 0 1 鬣 o 0 l0 1 1 1 0 颗粒粒径( p r o ) ( ” 图1 2 澳大利亚布里斯班城市空气 颗粒密度分布( _ ) 和质量浓度分布( b ) 颗粒物的主要量化指标有质量浓度、颗粒数密度、质量浓度分布、颗粒数密度分布、 容积浓度和表面积浓度等。其中，颗粒在空气中的粒度分布决定了颗粒检测中所使用的仪 器类别。几乎所有污染源产生的颗粒其粒度都有一定的范围即所谓的多分散相，而不 是处于同一粒度即单分散相。没有任何一种仪器可以测量从几纳米到几十微米的整个 颗粒粒度分布，因此通常要根据研究目的来选取粒度测试范围。颗粒的粒度分布主要包括 质量浓度分布和颗粒数密度分布。极细颗粒往往占颗粒总数量的绝大部分，而其质量所占 比例却非常小。如在以机动车尾气为主要污染源的城市环境中，8 0 以上数量的颗粒都是 极细颗粒1 1 9 】，即p m 2 5 的颗粒物。因此，对于极细颗粒，其主要量化指标为颗粒数密度； 而对于粗颗粒，其主要量化指标应为质量浓度。图1 2 是一个典型的城市空气颗粒粒度分 布中颗粒数量和质量关系的例子【2 0 】。 ( 2 ) 采样及分析 采样及分析对颗粒物研究非常基本也非常重要，否则研究结果不具备可比性。最常用 的采样技术是将颗粒采集在滤膜上，可以根据所要分析的特定化学组分来选择采样器和滤 膜。各种采样器的切割直径往往不是绝对一致，因此对测量结果必须明确所使用的采样方 法以及采样器切割直径，这样的测量结果才有意义。美国环保署提出了测量p m l o 和p m 25 质量的联邦推荐方法，对滤膜选择和固定、采样器入口设计、测试环境条件控制和抽气量 等都作了一系列规定，尽可能减少人为因素的干扰和样本的丢失。欧洲推荐方法也有类似 的要求1 2 ”。在测量颗粒粒度分布方面2 0 世纪9 0 年代后也出现了一些较成熟的方法，表1 1 对颗粒物质量、颗粒数和粒度分布测量方法一并进行了列举，并简要介绍了各种方法的主 要特点及存在的问题【1 7 】。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 1 2 2 2 统计分析研究方法 统计分析研究是一种理论研究方法，其基于室内空气完全混合、颗粒物浓度均匀的假 设，从颗粒物质量平衡的角度出发，建立室内颗粒物的浓度方程。此类研究多用于分析室 内外的颗粒物浓度比例( v or a t i o ) 以及粗略评测n q ，其关键是建立合理的室内空气品质 预测模型，通过研究室内污染物浓度与室外污染物浓度之间的关系，在已知室外浓度的条 件下，利用统计学分析软件s p s s 来预测室内某点污染物的浓度分布。一般测试一栋或一 系列房屋的室内和室外浓度，将实验数据按照测试时间段、污染源类别、居住者行为特性 等进行统计分类，计算室内外各粒度颗粒浓度比值或通过线性拟合研究其相关性。这类研 究有助于认识室内各粒度颗粒的主要来源及影响因素，但其简单模型适用面较狭窄。 ( 1 ) 研究方法 研究设备：利用统计学分析软件s p s s 和激光颗粒物测定仪。其过程为：首先建立 合理可行的空气品质预测模型，其次利用s p s s 软件来统计颗粒物污染物的水平( 质量浓 度和数量浓度) ，最后利用激光颗粒物测定仪来验证预测的准确性。据质量守恒定律： 第6 页 武汉科技大学硕士学位论文 _ d a ：a m 一一o u t + 爿g 口疗 口f 式中，a b 7 表示室内某物性参数， 室内变化的某物性参数，t 表示时间； 假设房间颗粒物浓度均一、均匀、 a o u t 表示室外进入室内的某物性参数，a g e n 表示 充分混合，如图1 3 所示，依式( 1 1 ) 就有： 圈1 3 屑同模型图 矿孕= e o _ x o 一( 翰+ k v c , ) + s( 1 2 ) a t ( 1 2 ) 式所表示的含义是：房间内污染物的变化量等于进入房间内污染物的含量减去 排出房间污染物质的量和污染物沉降的量，再加上房间污染源的释放量。( 1 2 ) 式中，p 、 k 为系数，q 为进入房间的空气体积量，矿为房间的体积，s 为污染源的散发量。 对( 1 2 ) 式变形有： 石a c , = p 罟c 0 - ( 罟c 删+ 歹s ( 1 3 ) 设口= 罟为换气次数，代入( 1 3 ) 式有： 鲁t = m c o 一位q + 乜) + 吾 ( 1 4 ) 口y 式( 1 4 ) 中，有四个未知数：口、k 、as ，其求解顺序为a 、k 再通过拟合求尸。a 可求 出，也可测出，kp 是与颗粒物有关的两个物理量，若在夜晚，即稳态时，可忽略s v ， 于是有： 艘白一 + 女) 乞= o 变形有： _ c 0 一a + k 一1 + 生( 与 ( 1 5 ) qa pp pt 2 式( 1 5 ) 中，其中q 可以用式( 1 6 ) 求解： c = p 一( 。+ 枷 ( 1 6 ) 式( 1 6 ) 函数图如图1 4 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 室 内 浓 度 c 时间7 图1 4 室内浓度随时间变化圈 求得q 后，就可以统计出模型内部岛e 和l ，口所对应的点，然后根据比较稠密的点拟 合成为一条直线，从而根据斜率可求得l ，p ，如图1 5 c o c ， 、| a 图1 5 换气次数的倒数与浓度比的拟合图 图1 5 中，横坐标为换气次数的倒数，纵坐标为室外浓度与室内浓度的比值，纵坐标 的截距为l p ，从而求得k ，那么式( 1 5 ) 中各个参数可求得。 由于室外微细颗粒污染物浓度分布与变化规律可认为是已知的( 气象部门可以提供检 测数据) ，因此我们就可以根据室内外污染物浓度之间的关系预测室内微细颗粒污染物浓 度分布与变化规律。 ( 2 ) 研究结果 在已知室外浓度的条件下，利用统计学分析软件s p s s 来预测室内某点污染物的浓度 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 分布。般测试一栋或一系列房屋的室内和室外浓度，将实验数据按照测试时间尽、污染 源类别、居住者行为特性等进行统计分类，计算室内外各粒度颗粒浓度比值或通过线性拟 合研究其相关性。中南大学邓启红课题组采用前面所述方法，得出如图1 6 、图1 7 结果。 一 趟 蠖 孟 侧 矿 童 倒 袋 翟 删 1 0 051 01 52 02 53 03 54 04 5 时间( h ) 图1 6 室外颗粒物浓度呈指数衰减时相应的室内颗粒物浓度 1 0 一4 246 81 01 21 41 61 82 02 2 2 4 时间( h ) 图1 7 室外颗粒浓度呈周期性波动时相应的室内颗粒物浓度 c a s e a 、b 、c 、d 分别表示四种不同的通风模式。从图1 6 和1 7 可看出室内颗粒物 浓度随室外浓度的变化情况。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 1 2 2 3c f d 技术研究方法 数值模拟方法是基于计算流体力学( c f d ) 技术来计算室内颗粒物的分布情况或者其 运动轨迹，从而了解颗粒物的分布规律或在室内的运动情况。数值模拟方法能获得相对实 验研究更为详细的信息。采用数值模拟方法研究颗粒运动，主要有两种方法：基于拉格朗 日坐标求解颗粒运动轨迹的方法和基于欧拉坐标求解颗粒浓度分布的方法。拉格朗日方法 是在欧拉坐标系中处理连续的流体相，进而在拉氏坐标系下处理单个的颗粒相，对大量颗 粒轨道进行统计分析就能得到颗粒群运动的概貌。由于拉格朗日方法逐一计算单个颗粒的 运动轨迹，计算量极大，因此，比较适用于颗粒相稀疏的稀疏气一固两相体系，尤其是室 内气溶胶颗粒的运动田】。欧拉方法是将颗粒相当作充满整个流场空间的连续介质，其中颗 粒相是与流体相相互渗透的拟流体。数值模拟方法可获得与实验同样详细完整的颗粒分布 或运动信息，可大大节省费用和缩短周期。 本方法是建立在室内污染水平控制上限的基础上，通过求解室内污染物的守恒方程确 定室内污染物的浓度场来实施室内空气品质预测。该方法的关键是是确定预测区域污染物 的浓度场。确定浓度场的方法依赖于描述污染物分布的数学模型。室内空气品质预测程序 如图1 8 所示。 研究对象 近似处理：边数学模型： 界条件，几维紊流模型： 问题等 心 k 一占模型、 l 非线性微分方程组 l l e s 等 代数方程组的 炉 离散处理： 解法 代数方程组 差分法、有限 s o r 法、s c g f 体积法、有限 元法等 法、l c g g 法等 j 前处理：计算机后处理： 网格形数值计结果可 成算视化 u 输出数值预测结果 图1 8 室内空气环境数值预测步骤 求解污染物浓度场及评价指标过程是非常简单的过程。只要将已知条件带入所确定数 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 学模型求解即可。根据求解的室内污染物浓度场，就可以对室内空气品质状况进行预测。 1 2 3 室内颗粒物的特殊行为研究 室内颗粒物的运动有一些特殊性，主要体现在：室外颗粒物通过缝隙等渗入、穿透室 内的过滤作用、室内颗粒物的沉降作用、室内颗粒物的二次悬浮作用等。这些颗粒物行为 对于室内颗粒物的分布起着源或者汇的作用，对室内空气分布和i a q 有着重要的影响。 1 2 3 1 颗粒物穿透的研究 颗粒能够通过建筑结构的缝隙或者门、窗等进入室内，这些缝隙对穿过的颗粒有一定 的过滤作用，通常用穿透系数表示这种穿透作用。穿透系数是指穿过缝隙进入室内的空气 所含颗粒总数中，能进入室内的颗粒的百分数。颗粒的穿透是室内颗粒物的主要来源之一， 对室内颗粒物浓度含量有较大的影响，通常减少空气渗透量就可以减少穿透的颗粒数量， 因此建筑的密闭性对此就显得很重要1 2 2 1 。 对采用自然通风的建筑来说，颗粒物可以轻易地从室外进入室内。而对于采用机械通 风的建筑，室外颗粒物主要通过门窗等围护结构缝隙的渗透、送入的新风以及人员带入室 内。在门窗紧闭的情况下，只要风速超过o 4 5 m s ，颗粒物就能通过门窗四周和墙壁上的缝 隙进入室内【2 3 1 。在没有明显的室内颗粒源的情况下，室内外颗粒物浓度之间存在着密切关 系，可以用颗粒透过率来描述，具体表达式如下： p = 朋( 1 7 ) 式中p 为颗粒透过率，即单位时间内穿透到室内的颗粒数量或质量，粒l l 或i l g h ；p 为穿 透系数；a 为新风换气次数，h 1 ；v 为房间体积，i n 3 ；c o 为室外颗粒物浓度，粒m 3 或肛 m 3 。 颗粒的穿透系数p 与粒径有关，同时也取决于围护结构缝隙的几何形状、表面材料等 因素。穿透系数如何确定一直为研究者所关注，但是由于建筑物围护结构的千差万别和实 验手段的不同，目前尚未有一致的结论。d o c k e r y 和s p e n g l e r 以及a l z o n a 等人通过各自 的实验，得到穿透系数分别为0 6 8 和o 5 2 4 , 2 扪。t h a t c h e r 和l a y t o n t 2 6 1 等人对住宅内颗粒的 穿透系数p 进行了研究，粒径范围为1 2 5 p m ，结果发现几乎所有颗粒的穿透系数均接近 l 。t u n g 等人针对办公室夜间室内无颗粒源并且通风系统不运行的情况进行了测试，发现 对于0 4 3 1 0 p m 的颗粒，穿透系数在o 6 9 o 8 6 的范围内变化【拥。 除了实测之外，还有学者通过建立缝隙模型，对颗粒和其他污染物的穿透情况进行了 理论研究。例如l i u 等人针对建筑物围护结构中典型的长条状缝隙建立了内壁光滑且空气 流动稳定的理想模型，对于引起颗粒损失的三种主要机制( 重力沉降、扩散和惯性冲撞) ， 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 分别给出了颗粒穿透系数的表达式。对于实际建筑的围护结构而言，缝隙锯齿状的内表面 会加剧颗粒在穿透过程中的损失，从而降低其穿透系数【2 ”。 从上述文献的结论来看，颗粒的穿透系数普遍小于1 ，这可以归结于建筑物围护结构 对于颗粒的过滤作用。至于室外颗粒的穿透对室内环境中颗粒浓度的重要影响，尚需进行 大量的研究工作。 换气次数口是联系室内外空气的重要参数，根据建筑类型、围护结构材料、施工质量、 使用年限的不同，换气次数的变动范围很大，并且还存在着季节差异。例如，全新的节能 型住宅建筑，在门窗紧闭的情况下，换气次数通常在0 2 1 0h 1 之间变动，平均值约为o 5 h ，使用一段时间之后，这个值将增加到约o 9 h 。商业建筑往往具有良好的密闭性，换气 次数介于0 1 o 6 h 4 之间，平均值约为o 4 h - l i 冽。除此之外，还有一些较复杂的工程模型 可以用于预测空气渗透率和自然通风量，例如f e u s t e l 和d i e d s 提供的模型p w 。 1 2 3 2 颗粒物沉降的研究 颗粒物沉降是颗粒物在空气中最为重要的空气动力学行为，正是由于颗粒物在物体表 面的沉降作用，才使得颗粒物对人体、物品或者设备发生危害。颗粒物沉降的研究方法主 要有理论分析、数值模拟和实验手段。 早在2 0 世纪5 0 年代，c o m e r 等基于p i 锄d t 混合长度理论对各相同性湍流中的颗粒沉 降进行了理论分析【3 ”劲，发现粒径小于0 5 m 的颗粒物的沉积率曲线图随着摩擦速度的增 大而向右偏移，沉积率在o 1 o 3 u m 处达到最低值，随着摩擦速度的增大落在o 7 x1 0 。 到2 5 x1 0 - 5 5 1 之间。此后，众多学者基于c o m e r 的模型，进行了各种改进，总体而言， 这些模型都是基于湍流流动的边界层理论的理论分析模型，都基于均匀各向同性湍流的假 设，有一定的局限性。 数值模拟方法仍可分为e u l e r 方法和l a g r a n g e 方法。数值模拟沉降过程中该如何考虑 颗粒所受的各种力，从而合理反映实际情况，尚无统一结论。 实验研究主要针对不同性质的表面在不同的空气条件下测试颗粒沉降性质。如b y m e 掣3 3 】在1 个立方体的测试小室内对4 种不同粒径的颗粒沉降进行了研究。c h 等驯人对 香港高层公寓建筑中无吸烟、采用自然通风的六住宅的颗粒物沉积率进行测试，发现粒径 范围为o 0 2 p m 的沉积率最低，为0 2 7h ，最高为1 0h ，粒径范围为4 6 9 8 9 6 4 7 m 。 a b m i e 等【3 5 j 统计分析的室内颗粒质量平衡方程的基础上，通过实验手段，测量了三种粒径 颗粒物对不同墙体的材料沉积率，所得到的沉积率在0 4 2 5 2 4h - 1 之间，并随墙体朝向 的不同而不同。t h a t c h e r 等1 3 6 】对不同家具表面和空气速度条件下的颗粒沉降也进行了研究， 测量出粒径范围为0 5 l o “m 的颗粒物沉积率从无装饰、低风速的0 1 h - 1 变化到全装饰、 高风速时的1 1 6 h ，并分别随装饰水平和气流速度的提高而增大。 颗粒沉降是颗粒物最重要的动力学行为，由于气溶胶中的空气相流动可能非常复杂， 而且颗粒沉降还与颗粒尺寸、特性以及沉降的表面特性有关，这些都使得颗粒的沉降大大 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 复杂化，成为研究室内颗粒物分布和运动的主摹难点。因此，目前的文献中报道的颗粒沉 降速度和沉降率结果差别很大。 1 2 3 3 颗粒物二次悬浮的研究 沉积在室内表面上的颗粒物可能会因为人的活动、通风流动等再次悬浮到室内，从而 增加室内的颗粒物质含量。颗粒物的二次悬浮与人员活动有着密切的关系。t h a t c h e r 等 3 7 】 研究表明，即使轻微的活动也可能对室内粒径大于5 t a n 的颗粒物浓度有很大的影响， k a r l s s o n 等p 副研究表明，二次悬浮对室内颗粒物含量有重要的影响。 由于影响因素的不确定性，颗粒物的二次悬浮率是个难以确定的量，目前多借助实验 手段进行研究。 1 3 本课题研究内容 迄今为止，中国关于室内环境中颗粒物的调查和研究结果还非常有限，没有系统性的 数据为室内空气品质控制提供科学的理论根据。然而，值得注意的是，我国大气颗粒污染 状况非常严重。2 0 0 1 年在监测的全国3 4 1 个城市中，6 4 1 的城市颗粒物年均浓度超过国 家环境空气质量二级标准，2 9 2 的城市超过三级标准 3 9 , 4 3 。中国环境监测总站对广州、 武汉、兰州、重庆四个城市进行了为期两年的p m 25 、p m l o 和t s p 监测，结果也表明，我 国空气中颗粒物的污染非常严重，对人体健康危害大的p m 25 普遍超过美国新标准的2 8 倍m j 。因此，研究室内可吸入颗粒污染物p m l o 的浓度分布与变化规律及其对人体健康的 影响程度是研究室内空气污染最为重要的环节。 通风传输 图1 9 室内微细颗粒污染物传输模型 如图1 9 所示，室内微细颗粒污染物的浓度分布与三方面因素有关： ( 1 ) 室外颗粒污染物浓度( o u t d o o r ) ； ( 2 ) 室外至室内的颗粒污染物传输与交换( o u t d o o r - i n d o o r ) ；包括室外微细颗粒污染 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 物通过建筑门窗等自然通风结构传输至室内及室内污染物在通风( v e n t i l a t i o n ) 作用下排除 至室外过程； ( 3 ) 室内微细颗粒污染物的产生( i n d o o r ) ；主要是室内吸烟、烹饪、取暖炉等燃烧 过程与设备的散发( e m i s s i o n ) 。 因此，本课题以通用流体计算软件a n s y sc f x l o 0 为计算平台，将研究气固两相流 的两种基本方法一一欧拉法和拉格朗日法应用于有通风空调系统的实验小室内的稀相两 相系统的研究，对实验小室中颗粒物的浓度分布及运动特性进行了模拟，从而来实施室内 空气品质预测。其主要内容有： ( 1 ) 据建筑物空间、平面布局、污染物分布状况、空调系统的气流组织方式建立合 理的室内空气品质模型，使预测的室内污染分布与实际使用状况接近；( 2 ) 基于实验小室 的三维几何模型对实验小室气固稀相两相系统进行详细的理论分析，建立三种基本的多 相流模型，即：单流体模型、双流体模型及分散颗粒群轨迹模型；( 3 ) 采用欧拉方法及单 流体模型和双流体模型对实验小室颗粒物浓度分布进行数值模拟计算；用拉格朗日方法及 分散颗粒群轨迹模型对实验小室颗粒物运动特性进行数值研究；( 4 ) 采用可视化手段表达 三维模拟计算结果，直观显示三维流场的各种内部信息，并对源的烟气散发过程和颗粒流 动特性进行动态模拟；( 5 ) 分析数值计算结果，得到本章的结论，找出符合本文几何模型 的计算模型：( 6 ) 比较数值计算结果与已有的实验结果，验证采用c f d 方法预测实验小室 内部颗粒物的分布及其运动特性的可行性及得出本文的结论。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章气固两相流的流体力学基础 2 1 气固两相的流动特性及颗粒的受力分析 2 1 1 气固两相的流动特性 气固两相流动的主要特性有：两相浓度、两相密度、两相粘度、分散颗粒 法、稀相和密相等特性等。稀相是指气相中悬浮着很少的固体颗粒，密相是指气体中悬浮 有很多的固体颗粒。但要确切的给出稀相和密相的界限是很困难的，一般采用以下两种区 分方法，其一是把固体颗粒的容积百分含量大于5 的气固两相混合物称为密相，低于5 称为稀相。另一种是从颗粒群运动的机理来加以区分，颗粒群中的颗粒运动是受空气动 力及颗粒间相互碰撞力两种力所支配。如果颗粒的运动是由当地气动力所支配，与颗粒碰 撞无关，就意味着气流中的颗粒极稀少，粒子在下一次碰撞前有足够的时间响应当地的流 场变化，这种气固两相流动就称为稀相流动，如果颗粒的运动主要由碰撞所支配，与当地 流场无关，就意味着颗粒很多，颗粒在下一次碰撞前没有充裕的时间响应流场变化，这种 气固两相流动就称为密相流动。若以颗粒动力响应时间0 及颗粒两次碰撞之间的时间t 表示，则： 当卫 1 时为密相流动。 tf c 2 1 2 颗粒的受力分析 力。 本章对气固两相流中的颗粒受力情况进行了分析，指出了不同情况下起主导作用的 ( 1 ) 重力和浮力 颗粒在静止流体中自由下落时，其受力情况如图2 1 所示： 图2 1 受力分