（环境科学专业论文）室内空气环境vocs浓度场的cfd仿真分析.pdf

a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ri n d u s t r y a n 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 ，t h ec f dm e t h o dw a sw i d e l yu s e di nh v a cf i e l d ， i tb e c o m e sp o s s i b l et os i m u l a t ea n dp r e d i c ta i rd i s t r i b u t i o n ，t h e r m a l c o m f o r to fd e s i g ns y s t e mb a s e do nc f dt e c h n o l o g yi na i rc o n d i t i o n i n g s y s t e mi nr o o m a tp r e s e n t ，h o w e v e r ，u s i n gc f ds i m u l a t i o nm e t h o dt om o d e l a n ds i m u l a t et h ev o c sc o n c e n t r a t i o nf i e l do fi n d o o re n v i r o n m e n ti sn o t c o m p r e h e n s i v e l yi nc h i n a f o rt h i sp u r p o s e ，w i t ht h ea i do fa i r p a k 2 1 ， t h en - b u t a n o lc o n c e n t r a t i o nf i e l do fal a bi ss i m u l a t e d ，i no r d e rt ot e s t t h ef e a s i b l eo ft h ec f dm e t h o d ，t h es i m u l a t i o nr e s u l tw a sa n a l y z e da n d c h e c k e db yt h et e s td a t a ，a n dt h er e s u l t sa r ev a l i d a t e db ya c t u a lt e s t i t w il lb ev a l u a b l ef o r t h ec o n t r o lo ft h ed e c is i o n m a k i n gi n d o o r p o ll u t a n t s t h r o u g hd e t a i l e de x p a t i a t i o no nc f db ym a t h e m a t i cm e t h o d ，t h er e s u l t s i n d i c a t et h a ti ti sf e a s i b l et os i m u l a t et h ev o c sc o n c e n t r a t i o nf i e l do f i n d o o re n v i r o n m e n t b e s i d e s ，b a s e do nt h i sm e t h o d ，t h et o l u e n e c o n c e n t r a t i o nf i e l do fas p r a yp a i n tr o o ma r es i m u l a t e db yc f dm e t h o di n t h en e x tf e wc h a p t e r so ft h isp a p e r t h es p e c if i cc o n t e n to ft h isp a p e r i sa sf o l l o w s ： 1 t h en b u t a n o lc o n c e n t r a t i o nf i e l dal a bi ss i m u l a t e da n da s i m u l a t i o nu n d e rt h i sc o n d i t i o ni sc a r r i e do u tb a s e do nc f dt e c h n o l o g y a f t e rt h a t ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht e s tr e s u l t ，w h i c h d e m o n s t r a t e st h ef e a s i b i l i t yo fc f dt e c h n o l o g y ，a n dt h es i m u l a t e dv a l u e i sc o n c u r r e n tt ot h et e s td a t ao ft h ec o n t a m i n a t i o nc o n c e n t r a t i o no ft h e i n d o o rr o o mi nc h a n g i n gt r e n d i ti sf e a s i b l ea n da c c u r a t et os i m u l a t e t h ev o c sc o n c e n t r a t i o no fi n d o o ra i re n v i r o n m e n tb yc f dm e t h o d 2 。u s i n gc f ds i m u l a t i o nm e t h o dt om o d e la n ds i m u l a t et h et o l u e n e c o n c e n t r a t i o nf i e l do fas p r a yp a i n tr o o mu n d e rc e r t a i ne x h a u s tf l o wf l u x 2 a n dd i f f e r e n ts o u r c e so fp 0 1 l u t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a tp o i n tbi st h e b e s tp l a c ef o rs o u r c e so fp o l1 u t i o n s 3 a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，u s i n gc f dm e t h o dt os i m u l a t e t h et o l u e n ec o n c e n t r a t i o nf i e l do fas p r a yp a i n tr o o mu n d e rd i f f e r e n t s u p p l ya n de x h a u s tf l e xi np o i n tb t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a ti t i st h eo p t i m u mc o m b i n a t i o no fe x h a u s tf l o wf l u x2 8 0 0 m 3 ha n ds u p p l yf l o w f l u x1 3 0 0 m 3 h k e yw o r d s ：c f ds i m u l a t i o n ：v o c sc o n c e n t r a t i o nf i e l d ；i n d o o re n v i r o n m e n t 3 上海师范人学颂l ：学位论文论义独创性声明 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表 示了谢意。 作者躲差隋为期：扣苫、班争y 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：薹i 曼结师签名：耋迪，1 1 日期：洲止争严 上海师范大学硕士学位论义 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 全球工业化的程度日益发达，在国民经济提高的同时，也给环境带来了巨大 的压力。水环境的污染、大气环境的恶化，这些现实的环境问题都给可持续发展 带来了巨大的压力，也给人们的起居环境带来了诸多问题。室内环境，是与人们 日常工作、生活息息相关的重要场所。据统计，人们一生中将有约百分之八十的 时间在室内度过，室内空气环境的好坏与人们的身体健康有着直接和极为密切的 关系，空气环境的质量不仅影响着人们的心理与行为，更影响着人们的生理与健 康，由于室内空气环境质量问题引起的人体不适甚至疾病已经屡见不鲜，长期生 活和工作在不良室内环境中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 kb u i l d i n g ) ，病态建筑 综合症( s b s ，s i c kb u i l d i n gs y n d r o m e ) 和b r i ( b u i l d i n gr e l a t e di l l n e s s ) 等概 念。根据世界卫生组织( w h o ) 1 9 8 3 年的定义，病态建筑综合症是因建筑物使用 而产生的症状，包括眼睛发红、流鼻涕、嗓子疼、头痛、头晕、恶心和皮肤搔痒 等。专家分析，这些症状大部分都是由于室内空气环境中挥发性有机化合物 ( v o c s ) 浓度过高引起的，要实现建筑生态化首先需要为人们提供安全、健康、 舒适的富有效率的室内空气环境。基于这个原因，室内空气环境v o c s 浓度的空间 分布特征己经成为现代室内环境研究中的重大课题口1 。 1 2 室内空气环境的研究领域与方法 室内空气环境的研究领域涵盖了流体力学、传热学、微生物学与化学等多门 学科理论；同时它是一个复杂耦合的系统，室内存在着热与质的交换和扩散，与 室外也有热和质的交换。因此需要从不同的角度进行研究分析，包括气流组织、 空气污染物控制、人体微环境与能源控制等。对于不同的物理问题，根据问题本 身的物理特性，对应的研究方法也有所区别。本文尝试从气流组织、污染物控制 两个方面对室内空气环境的研究领域与研究方法分别进行介绍，需要注意的是由 于室内空气环境中的各个影响因素是互相耦合作用的，本文的分类并不是割裂各 因素之间的关系，而是希望从两个角度分别做一个较为清晰的介绍，在实际的研 究工作中，往往需要同时考虑气流组织、污染物控制甚至更多方面的耦合关系。 笫一带绪论海师范人学硕十学位论文 1 2 1 室内气流组织的研究 室内气流组织是室内空气环境最基本、最重要的物理特性，房间内的空气洁 净度和室内气流组织的合理性有直接关系，良好的室内气流组织是建筑物保持洁 净度与保证空气质量最基本的前提条件，因此室内通风的主要目的是通过人工的 或者是直接利用自然通风的方法，在有限的空间比如室内，创造一种舒适的、安 全而效率高的空气环境乜1 。 自然通风与机械通风是室内通风的两种基本形式。自然通风是一种经济实用 的通风方式，不消耗任何机械能，既能满足室内舒适条件，改善室内空气品质， 又能实现有效的被动式制冷，达到节约能源的目的，普通的民用住宅建筑普遍都 是采用自然通风手段；机械通风则通过通风设备组织室内的气流，以达到保持室 内空气洁净度和提高舒适度。随着科学技术的发展及通风效率的提高，机械通风 成为建筑物主要的通风手段，主要应用在工厂车间及一些对室内空气环境要求较 高的建筑中。 在实际的工程应用中，自然通风与机械通风往往不会单独使用，两者适当的 结合能获得更好的通风效果，这种结合的通风方式我们称之h y b r i d v e n t i l a t i o n 是一种新的节能型通风方式。混合通风的优点包括三点：( 1 ) 节能。调查表明， 混合通风系统比传统通风系统节1 1 2 5 一5 0 ；( 2 ) 缓解全球的污染问题。由于通 风能耗的大大节省，从而减少污染物的排放，大大缓解温室效应问题及臭氧层破 坏问题；( 3 ) 改善室内空气品质和热舒适条件，使工作和居住者更加满意。 本文在对某高校实验室和某喷漆房内污染物浓度分布进行研究时，结合实际 情况，所采用的是混合通风手段。 目前室内气流组织的研究方法可分为四类：射流公式、区域模型法( z o n a l m o d e l ) 、模型实验及c f d 方法。 ( 1 ) 射流公式方法 射流公式方法是根据经验公式对气流组织的具体形态进行预测。自二十世纪 四十年代起，众多研究者就对机械通风房间送风口的射流特性进行了实验和理论 研究，并于五十年代初建立了一系列射流公式用于室内空气分布的预测，成为经 济、简单的室内空气分布预测方法。 ( 2 ) 区域模型法( z o n a lm o d e l ) 2 = 海师范大学硕上学位论文 第一章绪论 1 9 7 0 年z o n a lm o d e l 方法被提出，并应用于自然通风的通风量、温度分布 等方面的预测计算。区域模型法的基本思想是将房间分为有限个宏观区域，将各 个区域的温度与浓度均一化处理，在区域之间均存在热质的交换，在整个计算区 域上应用质量与能量守恒方程，结合区域间流动与压力的耦合关系。从而对房间 内的温度分布和流动状况进行研究。近年来有学者将该方法经改进后用于机械通 风的模拟中1 ，赵彬等通过z o n a lm o d e l 的方法结合c f d 方法对单室及多室的空气 流动、颗粒沉积进行了研究。 ( 3 ) 模型实验方法 在对自然通风进行模型实验研究时，可根据相似性原理，通过风洞研究自然 通风条件下模型建筑物表面及周围的压力分布与速度分布，从而确定风压系数。 k a t o ，m u r a k a m i 等利用风洞模型测定了建筑物出口处的风压分布与贯穿通风，进 而根据测定的风压系数作为边界条件对室内的空气流动进行了c f d 数值模拟或者 在等比例或缩小比例的模型建筑物内中通过测量手段来对室内空气分布做出预 测。与经验理论分析方法相比较，模型实验方法更为可靠，但耗费的时间与金钱 更多：在对一个问题进行系列研究的时候，可能还需要反复调整模型条件，对参 数敏感性的研究分析在模型实验中受到了一定限制h 3 。 ( 4 ) c f d 方法 1 9 7 4 年丹麦的p v n e i i s e n 首次使用计算流体力学c f d 方法对室内空气流动 进行了数值模拟。计算流体力学法从微观入手，将房间划分为大量的网格，引入 流体力学的控制方程，并将方程离散到每个网格上，通过有限差分法或有限体积 法，结合适当的边界条件进行求解，即可得到每个网格的相关物理量，如速度、 压力和污染物浓度等。c f d 方法具有计算精度较高，适用性强的特点，可广泛应 用于室内空气环境的研究当中。 由于室内空气环境研究内容的多样性和复杂性，在建筑物通风空调的研究、 规划与设计的过程中，仅仅凭借模型实验方法和理论分析( 经验和半经验) 的方法 来满足和达到建筑物对室内空气环境的控制要求是难以实现的。计算流体动力学 ( c f d ) 方法凭借其具有的条件设置任意性及结果的良好再现性，逐渐取代了耗时、 耗钱的模型设计与传统的射流分析方法，在通风空调设计与研究中显示出越来越 重要的作用，研究人员也已在室内空气环境的研究和工程应用中越来越多的使用 3 第一章绪论上海师范大学硕十学位论义 了c f d 方法，该方法己成为室内空气环境预测分析和检验室内空气环境的重要研 究手段。 另一方面，c f d 具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等 独特的优点，故其逐渐受到人们的青睐。由表l 一1 给出的四种室内气流组织研究 方法的对比可见，就目前的三种理论预测室内空气环境的方法而言，c f d 方法确 实具有不可比拟的优点，且由于当前计算机技术的发展，c f d 方法的计算周期和 成本完全可以为工程应用所接受。尽管c f d 方法还存在可靠性和对实际问题的可 算性等问题，但这些问题已经逐步得到发展和解决。因此，c f d 方法可以应用于 室内空气环境的模拟和预测。 表1 - 1 四种室内气流组织研究方法的比较 1 2 2 室内空气环境中污染物的控制 室内空气环境中污染物的控制是该领域研究的另一个重点，也是本文研究的 主要对象。随着家用燃料消耗量的不断增加及各种挥发出有害物质的建筑材料、 装饰材料、人造板家具等民用化工产品也大量进入室内，人们在室内接触的有害 物质种类和数量有着明显的增多。另一方面，城市建筑物密闭程度的增加，导致 4 上海帅范人学颂i ：学位论文 第一章绪论 室内污染物不易扩散，也增加了室内人群与污染物的接触机会。据统计，至今已 发现的室内空气污染物约有3 0 0 多种。室内常见的污染物包括： ( 1 ) 微生物污染 该类污染是细菌、病毒以空气作为介质，在室内进行传播。病毒主要是依附 在空气中的细微颗粒上，随着房间内气流的运动而运动。有些病毒在相对湿度较 高或较低的情况下都能存活，在中等湿度下容易失去活性，高湿度和缺少通风的 环境容易为细菌等微生物的滋生和病毒的传播提供条件。2 0 0 3 年s a r s 的爆发一定 程度上也是由于公共场所的通风设施不够完善引起的。 ( 2 ) 化学反应物污染 室内的燃烧，吸烟以及人体的新陈代谢都会产生某些化学反应物，如一氧化 碳，二氧化碳和氮化物等。这些有害气体对人的鼻、咽和眼睛都会产生刺激，长 期处于这样的环境还会导致呼吸道和肺部的病变 ( 3 ) 挥发性有机化合物( v o c s ) 污染 挥发性有机化合物( v o c s ) 是引起室内空气污染的主要污染物，受到人们普 遍关注，v o c s 的种类很多，来源较广，主要来源有：1 ) 建筑材料和装修材料。建 筑材料和装修材料由于具有很大的表面积且长期暴露于空气中，因此是室内v o c s 的主要来源，按它们随时间衰减的范围区分为一次源，比如溶剂残留物、添加剂、 抗氧化剂等和二次源，例如，湿( 高p h 值) 混凝土基层可以使p v c 地板材料中的 酞酸盐发生水解反应，产生醇类。室内环空气境中的v o c s 与不同的氧化剂作用会 导致吸收过程和氧化过程。二次源形成过程中可能产生突然、剧烈的室内空气品 质( i a q ) 问题畸1 。2 ) 与人类活动有关的来源。生活用品：如香水和染发剂、织 物、衣服、清洁剂、光亮剂、喷雾剂、杀虫剂、干洗剂；办公用具：如复印机、 打印机、复写纸、修正液、胶带、胶水、橡皮膏。3 ) 与设备有关的来源。空调 设备中制冷剂的泄漏、排烟口设计不合理和密封剂、清洁剂使用不当都会产生 v o c s 。另外，汽车尾气也是v o c s 的一大室外来源。4 ) 某些特定建筑或建筑中的 某些特定场所。如实验室、印刷厂、石油制品加工厂、吸烟室、储藏室、健身 房、美容院、地下室、工艺美术作品展览室等。5 ) 意外事件。管道由于渗透或 溢流而滋生微生物会产生v o c s ，因火灾而产生的烟或电器中的p c b s 同样也是v o c s 来源哺1 。 5 第一章绪论上海师范人学坝i j 学位论文 v o c s 对室内空气环境形成了严重的影响。它们能够对人体的呼吸系统、心血 管系统及神经系统产生较大的影响，甚至有些还会致癌，v o c s 也是造成病态建筑 综合症s b s ( s i c kb u i l d i n gs y n d r o m e ) 的主要原因。当今，国际上一些环境保 护专家己将“室内空气环境污染 问题列为继“煤烟型污染”、“光化学烟雾型 污染之后的第三代空气污染问题。 可见，人们己经认识到解决室内空气环境问题的重要性与迫切性，室内空气 环境问题，特别是由v o c s 引起的室内空气环境问题己成为当前室内空气环境领域 内的一个研究热点。 基于以上问题，本文以室内空气环境v o c s 为研究对象，结合1 2 1 节提到的 c f d 技术在室内空气环境研究中的优势，采用c f d 技术手段从室内气流组织和污染 控制两方面对室内空气环境v o c s 浓度场进行仿真分析。 1 3c f d 方法在室内空气环境研究中的应用 室内空气环境研究中常用的数值方法包括射流公式、区域模型法( z o n a l m o d e l ) 、模型实验及c f d 方法。c f d 数值模拟的基本思想是基于计算流体力学对房 间内各离散点的质量、动量和能量守恒方程进行求解的，对任意给定的边界条件， 可以使用数值方法解得对时间平均的温度、压强和速度场。近年来，c f d 技术对 室内空气环境即非定常、混合流动( 存在湍流、层流和变迁流) 问题的研究得 到了迅速的发展。在实际的工程应用中，c f d 方法的使用己经非常广泛，研究覆 盖的范围也较以前有了更大的变化。由于方法中计算模型的特性和局限性，在使 用时受到一定的限制，如使用过程中，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 技术本身凡有比较全面的了解和相当 专业的技能。最重要的是，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；且其在暖通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，因此c f d 方法的可靠性和对实际问题计算的可信性是使 用其预测室内空气分布和空气环境质量面临的主要问题。 1 3 1c f d 技术在室内空气环境中的研究进展 1 9 7 4 年丹麦学者p v n i e l s 首先将计算流体力学n p c f d 技术用于计算室内空 气流动，从此数值模拟技术开始广泛应用于暖通空调( h v a c ) 工程领域。在开始阶 段，由于计算机计算能力的限制，能够模拟的问题存在一定的局限性，主要模拟 6 上海帅范人学硕士学位论文第一章绪论 的是二维模型中室内的空气流动，研究室内空气的速度及温度分布状况。八十年 代未期至九十年代初期，随着计算机能力的迅速提高和数值方法的发展， m a r a k a m i 和c h e n 等分别开始使用三维湍流模型对室内通风问题进行数值模拟，研 究室内空气的流动、通风效果及温度、湿度的耦合问题的模拟。s p i t l e r j d 探 讨了室内外存在温差时，流入气体在室内的运动状况九十年代中后期，研究人 员将研究对象从单一的室内空气流动扩展到室内污染物，开始使用c f d 技术预测 室内空气流动对污染物扩散的影响，f a n 使用了k e 模型结合壁面函数的方法对 室内空气流动和污染物的扩散进行了数值模拟。g a n 等使用c f d 计算程序v o r t e x 对室内空气环境进行了数值模拟，分析了室内的p m v 指标与污染物的分布情况。 c f d 方法在室内空气环境中的研究应用可以从机理、方法以及工程应用三个 方面进行分类。 ( 1 ) 对室内空气环境的机理性研究包括室内空气的速度分布、温度分布的 基本规律，自然通风与机械通风对室内环境的影响以及室内污染物( 包括气相和 固相) 的分布规律。在机理性的研究当中，实验手段更为可靠准确，c f d 方法作为 辅助的研究手段，在一定条件下，能够代替实验技术进行参数敏感性的实验，而 在实验条件较为困难的情况下，也可使用c f d 方法进行数值实验。 c h e n 对空气散流器不同边界条件进行了敏感性研究，分析了计算的插值误差 对结果的影响。 a w b i 就流动的阿基米德数与雷诺数的变化范围对速度场和温度场分布的影 响进行了机理性的数值研究，在后续工作中，由于房间内表面的对流传热系数对 室内的热舒适度、空气流动以及热荷载均有影响，a w b i 使用c m 方法分别计算了受 热地板、墙面以及顶板的对流传热系数。 ( 2 ) 室内空气流动的流动尺度和特征决定了室内空气流动多数属于湍流流 动，由于流体力学中对湍流的认识还不够完善，湍流模型的适用性和简化成为了 方法研究中的一个重点。 c h e n 与x u 等先后提出了用于室内空气环境研究中的零方程湍流模型及双层 湍流模型，研究中新的零方程湍流模型用于模拟了自然对流、强制对流以及混合 对流和室内通风。与传统k e 模型相比较，该模型节省更多计算资源，速度提高 7 第一章绪论 上海师范大学坝i 学位论文 了1 0 倍以上。双层湍流模型在近壁面区域使用单方程湍流模型，在远离壁面的流 动区域使用k e 模型，与实验的结果吻合良好，同时大大节省了计算资源。 1 9 8 7 年m u r a k a m i 将大涡模拟用于方形柱体扰流的模拟。k a t o 等对贯穿通风的 速度压力分布进行风洞实验与大涡模拟，结果显示大涡模拟与实验结果吻合良 好。b a n g 与c h e n 对浮力驱动的单侧自然通风分别使用b a n s 模型与大祸模拟进行了 数值模拟，并与风洞实验结果进行对比，结果显示大涡模拟表现更好。在机械通 风领域，大涡模拟的使用较为少见。 对颗粒污染物在室内的扩散与沉积过程的认识能帮助合理的设计室内气流 组织。z h a o 等对颗粒污染物在室内环境中的扩散及沉积特性进行了系统研究，通 过与实测数据的比较，检验了不同欧拉模型与拉格朗日模型在模拟中的表现，研 究表明拉格朗日d r w 模型与滑移通量模型获得了令人满意的预测结果。李先庭等 使用计算流体力学方法代替了示踪气体，通过计算获得室内的空气年龄分布h 1 。 赵彬等采用误差预处理方法对室内空气流动的离散代数方程组进行由粗网 格到细网格的迭代求解，与传统方法比较，显著提高了数值模拟的收敛速度。 杨建荣等提出了污染物可及度的指标对全新风时污染物分布的不均匀程度 进行描述，并针对实际的系统连接形式，建立了带回风时污染物浓度分布的计算 模型，克服了传统集总参数法的不准确以及需多次迭代的不足。 ( 3 ) 应用性的研究始终贯穿在对室内空气环境的研究工作中，c f d 方法广泛 的应用在对通风模式工作效率的研究及建筑物的空气环境评估中。 李先庭、孙淑凤分别对椅背送风方案和动态送风末端装置的性能进行了研 究。在研究中发现送风口与出风口的位置是可以经过调整以获得更好的通风效果 与环境舒适度的，送风装置的位置远离人体区域更为理想。通过实验与数值模拟 研究比较了地板送风系统中送风口形状、位置、送风参数、室内家具的摆放位置 对工作间空气环境的影响1 。 基于室内空气环境中各影响因素的耦合特性，在对空气环境进行系统研究 时，研究人员需要将c f d 方法与其他方法耦合进行。k i m 等将c f d 方法与辐射热传 导过程及h v a c 系统相耦合，对室内的热环境进行了研究。y a n g 等从室内有机污染 物研究角度出发，构建了室内空气流动与v o c s 的吞吐效应结合的数值模型。 8 上海师范大学硕上学位论义 第一章绪论 1 3 2 室内空气环境c f d 模拟的国内外研究现状 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 一方法在近来得到了长足的发展，目前c f d 技术在不少行业和领域中开始得到研 究与应用，主要表现在：通风空调设计方案优化及预测，如长沙世界之窗中心 剧场( 大剧院) 空调设计方案的数值预测( 仿真) 、高大空间气流组织、置换通风 方式的数值模拟、洁净室气流分布的数值模拟等；传热传质设备的c f d 分析， 如各种换热器、冷却塔的c f d 分析；射流技术的c f d 分析，如空调送风的各种末 端设备等：冷库库房及制冷设备的c f d 分析；流体机械及流体元件，如泵、 风机等旋转机械内流动的c f d 分析，各种阀门的c f d 分析等；空气品质及建筑热 环境的c f d 方法评价、预测；建筑火灾烟气流动及防排烟系统的c f d 分析；锅 炉燃烧( 油、气、煤) 规律的c f d 分析；通风除尘领域，如工业通风系统，各种 送、排风罩的c f d 分析，静电除尘器、旋风除尘器、重力沉降室内气粒分离过程 的c f d 分析；城市风( 或建筑小区微气候) 与建筑物及室内空气品质的相互影响 过程的c f d 分析呻1 0 | 。 对于室内空气污染物浓度分布的模拟，国外在这方面处于领先地位，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 s 散发的数值模拟。这方面的研 究结果也比较丰富，女h k e e c h i a n gc h u n g 等人在2 0 0 1 年发表的文章e f f e c to f v e n t i l a t i o np a t t e r no nr o o ma i ra n dc o n t a m i n a n td i s t r i b u t i o n - - 文中着重 论述了室内污染物的分布情况口。 在国内，期间也开发了一些可以解决实际问题的软件，但是就室内污染物浓 度分布的模拟计算来说，应用还是比较缺乏的。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n 2 1 引。 9 第一章绪论 上海师范人学颀上学位论文 1 4 本文的主要研究内容及采用的技术路线 1 4 1 课题研究的内容 本文的研究工作主要从应用性角度出发，基于f l u e n t 公司开发的软件 a i r p a k 2 1 ，以c f d 方法为研究手段，研究分析了机械通风与自然通风相结合的 混合通风条件下室内空气环境v o c s 浓度场的分布状况。 ( 1 ) 利用c f d 技术对上海师范大学某大气污染控制实验室建立模型，并对 室内v o c s 浓度场进行数值模拟，通过实验取得监测值，将监测值同模拟值进行对 比分析，得出高校实验室环境下的v o c s 浓度场的分布特征，验证c f d 技术在室 内空气环境污染物浓度模拟的可行性。 ( 2 ) 利用c f d 技术对某公司的喷漆房内甲苯的浓度场进行c f d 仿真分析， 并在c f d 模型上改变喷漆房内送风量、排风量和污染位置，计算出不同送风量、 排风量和改变源位置条件下，人体站姿状态下呼吸带水平断面( y = 1 6 m ) 上甲 苯的浓度及分布特征。得出呼吸带上甲苯的浓度值最低的最优方案。 通过c f d 技术对室内环境下的v o c s 浓度场分布特征进行研究，对室内污染 物控制的决策提供参考。 1 4 2 课题拟采用的技术路线 模拟室内气流组织和室内污染物浓度的方法有：射流理论分析方法、z o n a l m o d e l 方法、模型实验方法和c f d 方法。由于室内的建筑空间越来越向复杂化、多 样化和大型化发展，实际的室内的气流组织形式变化多样，因而传统的射流理论 分析方法、z o n a lm o d e l 方法、模型实验方法存在着耗资大，周期长等缺点，而 c f d 技术具有成本低、速度快，能实现结果的可视化等优点。 因而本课题采用了c f d 技术方法来研究室内空气环境v o c s 浓度的分布，技术 路线如图1 1 所示。 1 0 j ：海帅范大学硕士学位论文第一章绪论 图1 1 本课题拟采用的技术路线图 第二章c f d 皋础理论j 方法上海师范人学硕i ：学位沦义 第二章c f d 基础理论与方法 2 1c f d 简介及其发展进程 2 1 1c f d 简介 c f d 是英文c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( 计算流体动力学) 的简称，它是 利用计算机技术来解决流体动力学问题的方法n4 i 。通过计算机数值计算和图像现 实，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。简单地说就 是利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术n 副。而其基本原 理则是把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一 系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方法建立起关于 这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的 近似值n6 | 。 计算流体力学( c f d ) 是近代流体力学，数值计算方法和计算机图形学相结合 的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学，其基本特征是数值模拟和计算机实 验。它从基本物理定律出发，以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法， 对流体力学的各类问题进行数值模拟、计算机实验并进行分析研究，以解决各种 实际问题。在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和 工程技术中产生了巨大的影响n 。可以认为c f d 是现代模拟仿真技术的一种。c f d 是目前国际上一个被极为关注的研究领域，是进行“三传 ( 传热、传质、动量 传递) 及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于热能动力、 航空航天、机械、土木水利、暖通空调制冷行业等诸多工程领域n 引。室内空气环 境问题研究是c f d 技术应用的重要领域之一。 2 1 2c f d 的发展 计算机是为了解决数值计算问题而发展起来的，而c f d 则是伴随着计算机技 术和数值计算方法的进步而发展起来的。1 9 3 3 年，英国科学家t h o m 首次应用手摇 计算机完成了对一个外掠圆柱流动的数值计算，c f d 由此产生，但应用计算机和 数值方法求解流动及传热问题在全世界范围内逐渐形成规模并得出有益的结果， 1 2 上海帅范人学硕f ：学位论文第二章c f d 基础理论与方法 大致始于2 0 世纪6 0 年代。c f d 的发展大致可以分为三个阶段：第一阶段为 1 9 6 5 1 9 7 4 年，为起始阶段，主要解决计算流体力学的基本理论和进行数值计算 的可靠性分析；第二阶段为1 9 7 5 1 9 8 4 年，为进入工业应用阶段，主要解决面向 实际工程应用的可行性；第三阶段为1 9 8 5 至现在，进入快速发展时期，c f d 的实 际应用价值得到了进一步的认可，c f d 的应用同益广泛。 自二十世纪的六十年代以来，c f d 有了迅猛的发展。如今，理论研究、实验 分析、数值模拟已成为研究流体运动规律的三种基本方法，把流体研究分为互相 联系的三大领域。尤其是近十几年，c f d 在实际工程中的应用有了更大的发展， 所有涉及流体运动、热交换、分子输运等现象的问题，几乎都可以通过计算流体 力学的方法进行分析和模拟。c f d 数值模拟己广泛应用于航空航天、动力工程、 力学、物理、化学、建筑、水利、海洋、大气、环境等科学研究和工程的各个领 域。典型的应用场合及相关的工程问题有n 9 驯： 1 水轮机、风机、泵等流体机械内部的流体流动； 2 飞机和航天飞机等飞行器的设计； 3 汽车流线外形对性能的影响； 4 洪水波及河口潮流计算； 5 风载荷对高层建筑物稳定性及结构性能的影响； 6 室温及室内的空气流动及环境分析； 7 电子元器件的冷却； 8 换热器性能分析及换热器片形状的选取； 9 河流中污染物的扩散； 1 0 汽车尾气对街道环境的污染： 1 1 食品中细菌的运移。 2 2c f d 软件结构及求解过程 2 2 1c f d 软件的一般结构 i 前处理卜一求解器卜一 后处理 i 1 _ j 1 一i 一 图2 1c f d 软件的一般结构图 1 3 第二章c f d 基础理论与方法l 二海师范大学硕- 上学位论文 c f d 软件的一般结构可以表示如图2 1 所示，包括前处理、求解器及后处 理等三大模块，各有其独特的作用，分别表示如图2 - - 2 所示。 莉处攥( 竺乏善耋生成技术 求解嚣 曩，确定0 1 ) 方凌的控翻方程( n , - - $ 方程，溜流 援濑及锑 度方程) b 、选撕离散方汝进行离散 c 、选用敷缀静算方法( 翻暇旺系列、m a c 系列 d 、输人朔美参数 后薤理 建崖莩爰鬈篓乏等耄盖五蒌度场及其它绺数的 图2 2c f d 各结构功能 2 2 2c f d 软件的求解过程 典型的c f d 软件的基本操作步骤如下： 1 建立数学几何模型 由于分析问题的不同，所采用的数学模型也会不同。如可压缩气体的亚音速 流动、不可压缩气体的低速流动等。对于室内空气环境领域内的流动问题，多为 低速流动，流速在l o m s 以下；流体温度或密度变化不大，故可将其看作不可压 缩流动，不必考虑可压缩流体高速流动下的激波等复杂现象乜l2 引。这样对实际问 题中原始的流动几何模型进行合适的简化，利用二维或者三维c a d 建立简化后的 几何模型。 2 选择主控方程和边界条件 主控方程指在数值计算过程中要求解的方程，在问题确定后，必须选择流动 的主控方程和边界条件。一般认为，在牛顿流体范围内，所有的重要流动现象都 可以用n a v i e r - s t o k o s 方程来描述瞳引。但是，为了提高计算的效率，有时可以选 择经过简化的数学模型( 如果这种简化仍然保留流动的物理本质，满足对于数值 模拟的要求的话) 。简化模型包括势流方程，e u l e r 方程，边界层方程，薄层近 1 4 伟棒予教条条嚼参 娥界数控它 韧逡松物其 扒k “扎趴 ，jl 上海师范人学颁l 学位论文 第二章c f d 桀础理论与方法 似的n - s 方程等等。根据问题的特点，可以考虑定常或非定常，可压或不可压的 流动模型。边界条件可以有固体壁面条件，进流、出流条件，周期条件等。 3 确定网格划分策略和数值分析 在c f d 中，网格划分可以有各种不同的策略，如结构网格，非结构网格，组 合网格，重叠网格等。网格可以是静止的，也可以是运动的，还可以根据数值动 态调整( 自适应网格) 。数值分析就是对实际问题的求解区域进行离散，数值方法 中常用的离散形式有：有限容积、有限差分和有限元。目前这三种方法在暖通空 调工程领域的c f d 技术中都有应用乜毛2 5 1 。 c f d 技术方法利用空间网格将建筑空间划分为多个微控制单元体，对于微单 元体将流体力学的连续的微分方程组通过有限差分或有限元方法离散为非连续 的代数方程组，并结合实际的边界条件在计算机上求解各个微单元体经过离散 所得的代数方程组。只要微控制单元体划分的足够精确，就可认为离散区域的 离散值代表整个虚拟模型空间内空气分布情况。理论上划分的微控制单元体可 以划分的无限小，所得到的计算数据也就可以认为是模型的实际空气流动参数。 由于求解的问题往往是非线性的，所以需要进行多次迭代计算，根据要求计算 结论的精确程度，迭代的次数也会相应的增多，同时计算时间也会增加乜6 一 。 4 可视化处理( 后处理) c f d 技术可视化处理是基于计算机图形学原理对计算结果进行处理，以便于 分析结论的利用。通常都会包括温度场、速度场等分析结果的云图、矢量图、 等值面包络图、粒子轨迹图等。通过可视化的后处理，可以将单调繁杂的数值 求解结果形象直观地表示出来，甚至便于非专业人士理解乜8 1 。如今，c f d 的后 处理不仅能显示静态的速度、温度场图片，而且能显示流场的流线或迹线动画， 非常形象生动。 2 3c f d 软件介绍 自从1 9 8 1 年英国c r a m 公司首先推出求解流动与传热问题的商业软件 p h o e n i c s 以来，迅速在国际软件产业中形成了通称为c f d 软件产业市场。到今天， 全世界至少己有5 0 余种这样的流动与传热问题的商业软件，在促进c f d 技术应用 于工业实际中起到很大的作用。下面首先简要对目前国际上比较著名的几个大型 1 5 第二章c f d 基础理论j 方法 上海师范人学硕i j 学位论义 软件作简要介绍，最后对本文采用的f l u e n t 公司开发的a i r p a k 2 1 软件作详细介 绍。 2 3 1 各种c f d 软件的简单介绍 1c f x ：c f x 是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的商业软件，由英国a e a t e c h n o l o g y 公司开发。2 0 0 3 年，c f x 被a n s y s 公司收购。目前，c f x 在航空航天、 旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、 冶金、环保等领域，有6 0 0 0 多个全球用户幽1 。 该软件采用有限体积法、拼片式块结构化网格，在非正交曲线坐标( 适体坐 标) 系上进行离散，变量的布置采用同位网格方式。可计算的物理问题包括不可 压缩及可压缩流动、耦合传热问题、多相流、粒子运输过程、化学反应、气体燃 烧、热辐射等。在湍流模型的应用上，除了常用的湍流模型外，c f x 最先使用了 大涡模拟( l e s ) 和分离涡流模拟( d e s ) 等高级湍流模型。 2f i d a p ：是由英国f l u i dd y n a m i c si n t e r n a t i o n a l ( f d i ) 公司开发的计算流 体力学与数值传热学软件。 该软件与其它c f d 软件不同的是，该软件完全基于有限元方法。是世界上第 一个使用有限元法( f e m ) 的c f d 软件。可以计算可压缩及不可压缩流，凝固与熔化， 层流与湍流，单相流与两相流，牛顿流体及非牛