（环境科学专业论文）不同空调房间室内颗粒物的演变规律.pdf

p a n i c l ee v o l u t i o ni nd i f f e r e n tv e n t i l a t i o nr o o m s 警 a bs t r a c t ln em o s tl m p o m me n v i r o m n e n ti nr e l a t i o n t oo u rh e a l t hi st h ei n d o o r 羚n m 黼t - ih em a i np u 巾o s eo fh 、德cs y s t e m si st op r o v i d e ah e a l t h ya n d c o 您如渤b l e 铋v i 的姗e 嫩f 醴专h e c e 醢p a n 绍o f 礅es p a c e 8 u tm o f ea n dm i d 豫 e o 稳e 潍l s 勤e u s l 驾。建壤ei 髓。烈p a 撕c l e 筘l l 毽专i 鑫砖i 括e 靛c t 强h u 溉融 h e a l 搬i n 搬e 跳蹴嫩d a y s 。 t h e 咖i c a lc o n t a m i n a n t si nb u i l d i n g sa r ep r e s e n c ei nm ef o 凇o f g a s e sa n d p a n i c l e s 、厂e n t i l a t i o np l a y sa k i e yr o l e i nt h ed i l u t i o na n dr e m o v a lo f c o n t a m m a n t sw l t h l ni n d o o r s b u tm o s tv e n t i l a t i o na n da i r c o n d i t i o n i n 坟 s y s t e m sa r ed e s i g n e dw i t h o u tm u c hc o n c e ma b o u th o ws 印a r a t i n gp a n i c l e s b e h a v ei nv e n t i l a t i o na i rn o w a n d m a n ye p i d e m i o l o g i c 越s t u d i e ss h o w e dt h a t a l fp o ll 毽t i o n 瓣l a t e d 量l e a l h p r o b l e m sh a v ee x t e n s i v e 羚l a t i o nt oi 豳a l a b l e p a 攫i c l e s r 疆f j f i e e 勰do 壤e rs i 燃il a rw o 呔。诧l 越e de n v i 羚囊爨e 建t s ，h 。s p i 瞧l s ， s e b o o l se t c ，t h el n a i 疑s o u eo fp o l l u t 菪瞧t si so 建e 娃。毽t d o o fa 主l nt h e p l s e n 董 p a p e r ， t h ee h a l a c t e 五s t i c sa n de v o l u t i o n o fp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n si n d i a 、e r e n tv e n t i l a t i o nl - o o m s b a s e do nt h ea e r o s o lp a r t i c l ed y n a m i c e q u a t i o na n dt h em o n i t o r i n gd a t eo f c h e n g c l u so u t d o o rp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n ，t h ef l u e n - tc o d ei se m p l o y e dt o s l m u i a t et h ep a r t i c l em o t i o na n dd 印o s i t i o ni nm i x i n g v 毡n t i i a t i o n ( m v ) a n d u 薹l d e 卜f l o o ra i r d i s t 蠢b u i 。n ( u f a d ) 舶。m s ，a n dt 董l ec 董l a r a e t e 矗s t i c s 。f 硒o m s 鑫l 埔o w 量e m p e 斌毽糟勰dp 撕i c l ee o 登e e 疆专斌i o 鼗a 愆错a l 毽越甜a 鞋de s i 璐a t e d 。 4 li h e 藏u m e 薹主c a l 糖s u l t ss 魏o wt h a 鼍t h ev 皴i a t i o 娃。fi 蛰d o o r p 疆娃i c l ec o 建e e n t 蹴i o 爨 n i sw o r ki ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a n l 豫1s c i e n c ef u n d m o 5 0 5 7 8 0 3 4 ) i i i sd i r e c t l yi n f l u e n c 甜b yo u t d o o rp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n ；a n dc o m p a r e dt om v 妁o m s ，协es u p p l ya i rw i t h i nu f a d o m si sm u c hc l e a n e r e s p e c i a l l ya tt h e w o 呔蹴a 题d 愆蹲i 豫o 搿击s 搋c 耄，强d 趣。糟主nl i n ew i 盘专k 糙q u i 愆m e 穗耋sq f h u l 懿a 矬c 激岛娃。 1 1 3 i a d d i t i o n ， t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n sa b o u tp 础i c l em o v e 搬e n t ， d if 砘s i o na n dd e p o s i t i o ni nd if 诧r e n tv e n t i l a t i o nr o o m sa n dd i f f e r e n th e 追h t i n d i c a t et h a t ：f i r s t ，p a n i c l ep o l l u t i o no nh u m a nh e a l t be 行i e c t si sr e l e v a n tt o p o l l u t i o ns o u r c e s1 0 c a t i o n ，p a r t i c u l a r l yp o l l u t i o ns o u r c e sl o c a t e di no 伍c i a l s u 血c e s e c o n d ，m ea m o u n t so fp a r t i c l ed e p o s i t i o no np e r s o n si nm v r o o m s a 1 em o r et h 孤u 籼r o o m s ，w h e r e a sp a 硪c l ed e p o s i t i o n so n舔0 0 r sa 鹕 糟v e 鹅e ，b 疆ti fb e i 糕ga b l e 幻e 鑫s u 诧专oe l e a nd e p o s i 乏i o 觳si 懿u r d 羚。礅s 忿斟l 雒l 弘切璇di sb e t 专髓也雅m v 越忿s 圭r a i 蕤i 羲g 褪de l i 蕊n a t i 魏gp 越i c l e c o n t a l n i n a n t s 、v h i c ha td 妇琵r e n tl o c a t i o n s ，l 订e a n w h i l e ，t h et i m ee v o l u t i o no f f i n ep a r t i c l ei nm va n du f a dr o o r n su n d e rt y p i c a lc o n d i t i o n si sa n a l y z e d l i um i 建( e n v i r o n m e n ts c i e n c e ) s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rk a n gy - a n m i n g ( p h d ) k e y w o r d si n d o o ra i rq u a l i t y ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m i x i n gv e m i l a t i o n ( m v ) ， u n d e r - f l o o ra i rd i s t r i b u t i o n ( u f a d ) ，a e r o s o lc o n c e n t r a t i o n l l l 主要符号表 英文符号 cc u l l n i n g l l a m 滑动修正因子 c d曳力系数 c 口比热容 白组分s 的体积浓度 磊颗粒直径，m 协扩散系数 d 劢 热泳系数 e体积力 g独立的高斯随机数 g 重力加速度，m s 2 k 常数 希腊字母符号 矽 通用变量 ， 交换系数 p密度，k g m 3 流体动力粘度，k ( m s ) 下标 p 颗粒相 u 坐标方向 流体的传热系数 压力，p a 相对雷诺数 光谱强度 生产率 粘性耗散相 绝对温度，k 时间，s 流体速度，t i l s 速度欠量 颗粒相速度，桃 d f 湍流运动粘性系数，m 2 s 盯 b o l t z m a n n 常数 九 气体分子平均白由程，m 勺粘性应力 g 气流相 i v 七 p胎品s曲r ， w 咖 坳 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子舨，允许论文 被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采羯影印、缩印藏扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文口 保密瞪，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口夺 学位论文作者签名：蛐敏 日期：郦年调曰 指导教师签名： 圈期：国。咯年事月乡日 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论 文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内 容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：知1 敞 日期： 叼 年 7 月二日 致谢 在嚣将完成硕士论文著且结寨为期两年半韵研究生生活之时，回顾已走过的 因子我的爽心感慨颇深。其中所发生和经历酶各种事情，让菝学到很多对爨已今 后的生活和工作有帮助的道理，并且我也坚信在今后的道路中，这段经历也将对 我的人生规划有糟至关重要的引导侔用。 首先我要感谢我的导师亢燕铭教授和钟珂教授在我的课题研究期间给予我 学术和生活上的种种帮助和关爱。两年多的来的相处，两位老师给我最深的印象 是德粥对科学阚题的严谨求实酶学术态度。两位老舜鹃学术水平让我深深折服， 薅健老簿的人格魅力让我出裘钦佩。蚀鳃诖我缎道了如鲞琴佟学术，谴我知道了如 何为人处攀，也让我知道了如何全身心地投入到科学的研究和探索中去。先生之 风，出高水长，千言万语，不尽感激! 其次我要感澍在课题研究期间，实验室的兄弟姐妹们。感谢师姐李娟以其盘 身经历给我学习和生活上的很多帮助和鼓励，让我在学习的同时保持一颗愉快的 心；感谢翟志斐、许婕、蔡欢欢和陈京莺离学一商陪伴在我韵身边，在课题进展 和学习上大家稳互嫠助，面对困难时大家一起讨论，磋到挫撕时大家襁互鼓励； 感谢师弟师妹们给予的热心帮助；另外感谢夏永云、韩丹和朱撼同学，一直在我 遇到困难和不开心的时候帮助和安慰我，给予我精神上的支持；同时也衷心的感 谢我班其他同学给予我的支蒋秘美爱。另外，所有工作顺利的完成，究全褥益予 身后默默支持我的亲友。我亲爱的在农村的爸爸妈妈，和读博的哥哥。二十多年 来，他们一直在默默的、微笑着付出，我衷心祝愿我的爸爸妈妈健康长寿! 虽然 哥哥现在法 圉，与我楣隔万鼙，但是一点在生活和学习上关心着我，帮助我，非常感谢l 祝他健康、平安、快乐，学有所成! 蒋次向在此期闯给予过我稀耱帮助的老师、稳学、亲友道声“谢谢”! 祝愿各 位在今后的生活中身体健康、事事顺心! 剃敏 2 0 0 7 * 1 2 。1 0 东f ；人学颁上! 学位论文 选题的背景及意义 第一章绪论 随着人们生活水平的提高和我国城市化进程的加快，各类空调系统的使用越来越 普遍，据统计【1 3 】，人们一天在室内的时间大约占整天时闻的8 0 9 0 ，面老弱病残 者和孕妇、婴幼儿在室内的活动时间则更长。因此，人们越来越关心室内空气质量 ( i n d o o r 加rq u a l 时，即i a q ) 的优劣，越来越多的国内外研究者关注有关室内空气质量 对人体健康影响的研究。流霉亍病学研究表明【4 5 l ，人群发病率和死亡率与大气颗粒物 ( p a r t i c u l a t em a t 嘶a l s ，简称p m ) 质量浓度存在照著的正相关性，并且，这种相关性即 便低予相关的国家空气质量控制标准，也依然存在。因此，室内环境中的颗粒物已是 空气环境中影响人体健康的最重要因素之一。现在城市空调系统的使用琵经越来越普 遍，所以，相对封闭的空调系统和机械通风房间中，颗粒污染问题也同渐显露。 随着对于室内空气污染问题认识的不断深化，室内环境作为卫生和环境科学的重 要组成部分越来越受到研究和应耀领域的重视。近年来，颗粒物对人体健康的影响己 经引起很多国家的重视，研究的热点和重点主要集中在室内环境中颗粒物的迁移规 律、产生机理及对健康的影响和控制方法等方面。 大量实验和模型研究表明【2 ，2 惹习，影响室内环境中颗粒物输送行为的主要因素有： 室内外粒子源特性、气流组织和颗粒物穿透作用及其在室内环境中的沉积和重新悬 浮。由于颗粒物已是影响我国城市空气质量的主要污染物之一【8 】，为此，我圈发布 并实施了一系列有关室内空气质量的标准，如室内空气质量标准 ( g b 玎1 8 8 8 3 2 0 0 2 ) ，民用建筑工程室内环境污染控制规藏( g b 5 0 3 2 5 2 0 0 1 ) 和大 气环境质量标准( g b3 0 9 5 8 2 ) 。这些标准中都明确舰定了室内污染物浓度的上限值， 如室内空气质量标准( g b 屈1 8 8 8 3 2 0 0 2 ) 明确规定室内可吸入颗粒物( p m l o ) 和甲醛 的平均浓度分别不应超过0 1 5m g 抽3 ( e l 均值) 和o 1m g m 3 ( 小时均值) 。所以，要改善 室内空气品质，就必须对室内各种污染物的浓度进行控制，以便把室内污染物浓度值 第一章绪沦 降低到标准浓度以下。因此，细研究室内外颗粒物的动态输送及室内粒子谱演变规律 对改善室内空气品质状况具有重要科学意义和实际应用价值。 实际大气中悬浮的颗粒物都是多谱( l 舛e 单e 搭ea e 妁s 0 1 ) 分布的，尺度范围缀 广，其数量级从1 酽胂到1 0 2 胛不等。由于颗粒物的尺度不同，在化学和物理性质 上的差异也很大。极细的气溶胶粒子( v e wf i n ea e r o s 0 1 ) 的行为几乎和气体分子一样， 主要受布朗运动所支配。在运动过程中，细小粒子遵循流体流动规律，能聚集或凝集 成较大的颗粒；其化学性质受颗粒的化学组成和颗粒表面可能吸附的气体的性质影 响。在某些情况下，颗粒与可吸附的气体结合，会产生比各单个组分更大的毒性f 2 1 2 1 ， 瑟粒径在l o 陴以下的可吸入颗粒物，受毒甥运动作用的支配，霹长期悬浮在空气中， 并随呼吸进入人体肺脏。对人体健康危害最为直接的是5 肿以下的颗粒物，这些粒子 将会直接随呼吸气流运动到达深部肺泡内沉积，对入体健康危害严重【2 1 3 4 了1 ，图1 1 表 示的是颗粒物在人体呼吸道中的沉积随粒子大小变化的典型益线。 械；缸鄙擞) ( a ) 质攫沉积效率 1 0 臻9 0 8 o7 簧爵6 警os 蠢0 0 o 3 0 2 o 1 呼吸融= 2 筹忠三， 攀遘经芦l 擞) ( b ) 颗粒数沉积效率 图1 1 颗粒物在人体呼吸系统中的沉积效率曲线i 1 2 1 鳖前对颗粒物的研究和控制还主要是以室外大气为对象。但是，大量关于室内外 污染物关系的研究表明，迁移进入室内环境中的大气颗粒物质量浓度与室外颗粒污染 物浓度处于同一数量级p 】。图1 。2 给出了室内外颗粒污染物的产生和输送间的关系i 贸。 可以看波，室内外颗粒物之间的关系有饕直接的耦合作用，即对予室内两言，室外颗 粒物浓度的变化将直接影响到室内浓度的波动。所以越来越多的研究指出【 圳】，室内 2 东o 二人学坝1 j 学位沦文 污染对人体健康的影响比室外污染更为严重，并且，由于室内空气的颗粒污染受室外 污染物的这种直接影响，因此，研究室内外之间颗粒物浓度的变化关系更为重要。 图1 2 室内矜颗粒污染物的产生、交换、沉积与孬惹浮之闻翡关系 1 2 本文研究内容 虽然已经有大量文献研究了室内外颗粒物之间的关系，但是研究主要集中在粒子 的物理化学特性及其对人体健康地影响，对于室外颗粒物进入室内后粒子谱分布和演 变规律的研究却很少。迄今为止，很少有文献对室内粒子谱的演化这类闷题进行详细 分析。因此，本文将着重讨论室夕卜粒子进入室内后粒子谱的演变规律和室内不同位置 粒子源的散发、分布对人体的影响。 根据以上分析，本文主要研究内容如下： ( 1 ) 室内粒子谱演变规律。在实测典型室钋大气颗粒物浓度等基本数据的基础 上，对实际空调建筑中两种典型的送风系统进行模拟研究，通过比较和分析给出不同 送风方式下室内不同位置的粒子谱的空闻演变规律。 ( 2 ) 室内不同位置粒子源的散发、输运和分布对人体的影响。研究污染源位置不 同时，室内粒子的分布与变化特征，对室内颗粒物输运、沉积性质进行分析。通过对 结果的比较翻分析寻求室内颗粒物的变化规律，以及对人体健康的可能影响；同时， 分析不同送风条件下浓度变化或衰减的基本机制。 东 人学韧i 一i j 学位论文 第二章研究现状回顾 室终颗粒污染物主要逶过室内暴露来影响人体健康。研究室内环境中颗粒物 的来源及其分布特征，已成为环境科学、公共卫生和室内空气质量研究( 暖通空 调领域) 共同关心的问题。研究室内颗粒物的来源、分布特征、变化规律以及室 内颗粒物的耦合关系可以为控制颗粒物浓度提供合理建议，同时，也可以为改善 室内空气质量提供可靠的理论依据。因此，本章将对有关室内颗粒物的典型研究 作简要回顾，并分析其研究方法和结果的异同。 2 1 室内颗粒物来漂 室内环境中的颗粒物从来源上可以分为两大类，即室外背景颗粒物和室内发 生源，两者共同作用决定了室内空气中颗粒物的浓度和组成。 2 1 1 室外源 室外空气环境中的颗粒物是室内空气中颗粒物的主要来源之一。没有明显室 内粒子污染时，大邦分的室内细颗粒来自于室外【2 2 2 挪。室外空气污染物中颗粒的 来源则主要有两大类：一类是自然散发，第二类是人的生产和生活活动产生。不 同的过程所发生的颗粒物的尺度分布有所不同，但从亚微米开始，基本都接近正 态( 或对数正态) 分布【2 4 】。从全谱来看，室外颗粒分布多里双峰分布，峰值出现 在小于o 1 胛左右的细小颗粒和大于2 胛的粗颗粒附近【2 5 1 。而且，室外颗粒物会 随着季节变化、地理位置的不同、国家能源结构情况的不同而有所差异。 2 1 2 室内源 除了室外颗粒物对室内空气质量的影响外，室内人员的活动或设备运行等是 室内颗粒物的另一个主要来源。从主世纪8 0 年代开始，雷雨外研究者陆续做了很 多关于室内颗粒物污染的大规模现场测试【4 2 6 以8 1 。所有研究都证实，烟草、烟雾 4 第一二章w f 究现状i i 顾 可能是室内环境中细颗粒物的主要来源【2 6 2 7 1 ，也有研究发现，烹调、清扫以及人 在室内走动也会大大增加粗颗粒的室内浓度i 捌。在一些办公建筑或工业厂房中， 人的生产活动也会产生大量的颗粒物。比如办公建筑中的复舞、打印操作，车间 的工艺、加工以及其他辅助设备的操作，都将产生颗粒物。另外，室内建筑材料 表面的挥发和自然蜕变也可能是室内颗粒物的主要来源。而供热通风及空调 ( h v a c ) 系统也极有可麓因其适宜的温度和湿度环境，丽孳生微生物颗粒，造 成另重要的室内污染源。 将室内空气中的颗粒物进行分类，可大致分为以下几种：生物、矿物、燃料、 家庭或个人装饰品及放射性颗粒物。各类颡粒物的主要来源、粒径范围及主要成 分可参见表2 11 3 0 1 。 表2 - l 室内颗粒物粒径范嗣及米源( 单位：肿) 2 2 国外对室内和室外颗粒物关系的研究 在过去的几十年里，图外对空调房间空气质量开展了许多研究，这些研究主 要包括以下几个方面：室内温度分布，气流组织、热舒适性、通风效率、气态污 染物、能耗分析以及设计方法的改进等3 6 】。然恧，在不同气流缱织形式下，室 5 东# 人学顺1 j 学位论文 内颗粒物污染状况的研究较少、也不全面，主要集中在室内颗粒物的气流跟随特 性及室内空气速度和温度分布的数值模拟等方面。 2 2 1 室内颗粒物的沉积特性研究 颡粒物在室内环境中的沉积损失是室内颗粒物浓度降低的重要因素，在没有 静电力和大的空气温度差异的情况下，粒子扩教和重力沉降是弓l 起粒子沉积的最 重要的机制。布朗扩散主要是对小粒子的沉积起作用，而重力则控制着大粒子的 沉降。关于沉积率，已有不少研究者给出了实验数据和理论模型。其中理论研究 甚至给出了不圃条件下粒子沉积率的具体表达形式f 3 7 删。然而，沉积率似乎对环 境条件和颗粒物特性，如室内气流状况、房间内表面面积与容积之比、表面与空 气温差及颗粒物的粒度分布、化学组分和稳定性等因素高度敏感，研究者们通过 实验测褥的沉积率又存在差异，因此，还很难肯定地回答哪些沉积模型可以准确 预测室内粒子沉积特性。 2 。2 。2 室内空气质量的数值模拟磅究 近年来，关于室内外颗粒污染物浓度关系的研究大多采用数值模拟和实验相 结合的方法。一方面，数值模拟的方法不仅能够给出与实物相同比例的系统中， 室内气流运动形式和颗粒物在房闻的分布图像，并能在不同的气流条件和送飙气 流参数下预测室内颗粒物的分稚规律；另一方瑟，实验测量的方法可以直接为室 内颗粒物的分布规律提供可靠资料，但是需要通过长期、连续的实验监测才能获 得阐期分析结果；所以二者结合，就可为寻求合理的气流组织形式和提高i a q 提 供严格的和必要的理论依据。 z h a o 等人【4 l 】对不同气流组织形式下，通风房间内气溶胶粒子的浓度和分布 规律进行了研究。他们对院了置换通风和混合通风两种不同的气流组织形式下室 内颗粒物分布情况。结果表明，室内粒子浓度和沉积会因遴风方式的不同丽产生 巨大差异，即使在相同的送风量和初始粒子浓度条件下，置换通j x l 也比混合通风 使粒子具有更低的沉积速率，即从房间内逸磁的颗粒物更多。 、孙等入【4 2 】还对置换通风和混合通风房间内粒子的重力沉降和扩散的相对 强弱进行了数值模拟。他们结合简化的连续性方程，采用考虑重力的迁移通量模 型( t h e “r = f l u xm o d e l ) 对粒子扩散进行了模拟。出于p m 2 5 和p m l o 是室内环境 6 第_ 二章l j j f 究现状l 口l 顾 的主要粒子，所以，对2 5 2 0 胛的粒子和室内无源的情况进行了研究。模拟结 果显示，在混合通风房间内，当粒径小于2 0 胂时，室内有源的粒子分布与无源 的的分布有很大的不同；同时，在置换逶风魔闻内，当粒径大予l o 鼬时，必须 考虑重力作用对粒子输运的影响。通过对比发现，甓换通风可以将工作区人体产 生的颗粒运移到房间上部区域，而混合通风只能移出相对较小的一部分。 殛雒g 和c 溉瓣硼用实验和数值方法研究了通风室内的颗粒物输运和分布情 况，他们采用了缸譬湍流模型，l a 黟嬲西a l l 粒子示踪模型并结合统计学的方法， 研究中忽略了颗粒物在室内的沉积率，而假设颗粒物只是通过系统通风来清除， 从而可以对顶送，侧送和地板送风三种不同逶风系统的颗粒物清除性能进行评 价。结果发现，不同通风形式对于室内颗粒物浓度分布有非常大的影响。地板送 风比顶送和侧送系统有更好的颗粒物清除性能。但是，地板送风系统会使得已沉 积到地板上的颗粒物发生再悬浮( r e s u s p e n s i 黼) ，仍然会对室内环境带来危害。 z h a o 等人晔】对通风房间的粒子扩教进行了模拟。采用的方法是拉格朗目离 散相的随机游走( d i s c r e t er a n d o mw a l k ，d r w ) 模型和两种欧拉模型( 即迁移 通量模型和混合模毽) 。在经过合理性验证之后，采用缸秽湍流模型和零方程模 型。比较模拟气流速度和实测气流速度表明，两种湍流模型都能很好地模拟室爽 粒子扩散的情况。对于拉格朗日d r w 模型，用加速程序来表达粒子轨迹，然后 将结聚用粒子浓度分布表达；对予欧拉模型，沉积到墙壁的粒子效应与半经验粒 子沉积模式合为一体。比较表明，拉格朗r d r w 模型和迁移通量模型的结果都 能很好的预测结果，而混合模型的预测结果却不是那么令人满意。但三种模型得 到的沉积速度和实验数据吻合良好。 g a o 和n i u 【4 5 j 对室内的粒子扩散与沉积和人体健痰关系进行了研究。采用三 维迁移通量模型结合欧拉法对室内湍流进行了模拟。他们分别对两种不同源情况 下的三种送风系统、即混合送风( m i x i n gv e n t i l a t i o nm v ) ，簧换通风( d i s p l a c e m 掘t v 髓l i l 采i o 珏d v ) 和地板送风( 弧d 昏爨o f 越f 蠡s l 曲谢傩u f a d ) 中粒子沉积率和 颗粒暴露对人体的影响进行了研究。研究表明，当粒子源于新风时，以粒子尺度 为函数的粒子沉积率是呈v 形曲线，最低点出现在0 1 0 5 “m 处：对于超细粒子， 可近似看作是气体，故可以忽略通风类型和气流交换率的影响；丽当粒径大于 2 5 岬时，则要考虑重力沉降的影响。同时还表明，新风释放出的粒子对人体的 7 东7 芦人学颁r j j 学位论文 影响取决于人与出风口的距离；对于室内热源处释放出的粒子，在置换通风( 包 括地板送风) 房间内的垂直方向上，粒径小于l o 舢的粒子的浓度会出现分层现 象；并且发现，与这种系统中的气态污染物一样，小粒子也存在一个浓度相对较 低的污染区。 因此，本文主要针对两种送风系统即混合通风( m i x i n gv e n t i l a t i o n ，简称m v ) 和地板送风( 髓d 辨程。联斑瘫瓣洳旗q l l ，简称研a d ) ，粥实测的室外浓度对室 内颗粒物浓度进行模拟分析，以找出室内颗粒物浓度的变化规律，并根据室内源 于不同位置的颗粒物浓度进行模拟分析，以寻找有效的室内颗粒物浓度变化特征 的预测方法，从面为改善室内空气质量提供理论依据。 2 3国内对室内和室外颗粒物关系的研究 前已述及，我孱大气可吸入颗粒物( 即p m l o ) 及其对入体健康的影响等研究 已成为多学科研究的热剧9 1 。同时，室内颗粒物污染研究也得到了一定程度的重 视。中国环境监测总站对4 个城市的8 所小学进行了2 年的校内空气质量监测【l8 1 ， 并通过家庭健康调查闻卷了解了家庭燃煤、室内烟雾程度翻被动吸烟对咒耄呼吸 系统疾病的影响，累计获得了7 9 0 0 个儿童的资料。研究发现，儿童呼吸系统疾病 的患病率与空气污染呈显著f 相关，己产生轻度至高度有害的影响。污染因子中 以p m 2 5 和p m l o 影响最大，室内空气污染包括燃煤、烹调、取暖及烟草烟雾。文 献 4 6 ，4 7 】分别对办公室中的颗粒物进行了实验测试并傲了定性分析，研究认为细 颗粒物是办公室内主要的颗粒物污染，吸烟对办公室空气中颗粒物浓度分布有很 大的影响；文献【4 8 】通过现场实测研究了自然通风对办公室空气中颗粒物和微生 物浓度变化的影响，认为合适的通风控制策略可以有效地降低室内微生物浓度。 在对居住和办公建筑室内空气质量的研究中，李强民等【4 9 】比较了置换通风和 混合通风两种通风方式的摊污能力，对办公室、会议室及体育馆置换通风系统的 颗粒物浓度进行了实测，以排污效率为指标对两种通风方式加以评价，并考虑分 析了污染物在上部区均匀释放、全室均匀释放、人员活动区均匀释放三种释放形 式下的排污效率。结果认为，以人员活动区为控制对象时，无论污染物在室内均 匀释放、在活动区均匀释放、抑或在房阆上部区域均匀释放，置换通风的排污麓 笫二章硼f 究现状l h l 顾 力总是优于混合通风方式。并且认为在体育馆等高大场所，置换通风的应用似更 具优势。 赵彬等人5 0 1 采用可考虑颗粒沉降效应的三维滑移逶量模型，用数值模拟昀方 法分析了存在污染源的置换通风房间内，在不同送风量下，颗粒物的分布情况。 模拟过程中，假设粒子由位于房间中部的长( x ) 高( 宽( z ) 为o 4 3m o 2 4 4 撒x 0 2 2 m 的体源中释放出来。结果指出，通风量是影响室内颗粒分布的重要因素， 对不同粒径的颗粒物分靠影响均很大。 总地来说，迄今为止，我国关于室内环境中可吸入颗粒物的调查和研究还刚 刚展开，尚无系统憔的数据供相关设计入员参考，也不能定量地回答室内颗粒物 污染的来源和组成以及室内颗粒物污染对人体健康的影响，无法为颗粒物的流行 病学研究、标准制定和室内空气质量控制提供科学地理论根据。鉴于我国的空气 污染现状，迫切需要开震颗粒物对室内空气质量的影响研究。 2 4 本章小结 本章对隰内钤稆关工作进行7 简要回蹶，分析了有关室内颗粒物运动和输运 特性研究中的问题，认为有必要对典型通风系统中空调房间( 混合通风和地板送 风) 内的颗粒物浓度分布和变化状况进行研究。在本文随后的研究中，将根据在 典型季节中连续观溯得到的室外颗粒物浓度，按照气溶胶力学基本理论，结合被 测房间的基本参数，利用粒子动力学理论模型研究室外颗粒物进入两种类型房间 内的粒子谱演变规律和浓度变化规律，并分析两种通j x l 条件下浓度变化与衰减的 蒙因，尝试对室内颗粒物沉积和污染状况进行预测，并对影响室内外颗粒物浓度 关系的各因素进彳亍分析。 9 东# 人学颁i 二学位论文 第三章理论基础与数学模型 本研究拟采用f l i j e n t 程序对室内流场及污染物浓度场进行模拟。本章将简 要回顾流动过程和粒子输送过程数值模拟的基本思路，从而为后续研究中的模拟 方法做理论准备。 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n 锄i c s ，简称c f d ) 模拟的基本思想 可以麴纳为：放流体流动基本方程组出发，把原来在时闻和空间域上连续的物理 量的场( 如本研究中房间内的气流速度场和压力场等) ，用一系列有限个离散点 ( 称为节点，n o d e ) 上的变量值的集合来代替真值，通过一定的原则和方式建立 起关于这些离敖点上场变量闻关系的代数方程，称为离散方程( d i s 嘲i z a l i o n e q u a t i o n ) ，求解所建立起来的代数方程组以获得所求变量的近似值【5 l 】。 c f d 可以看作是在流体动力学基本方程( 质量、动量和能量守恒方程) 控制 下对流动的数值求解。遗过数值模拟，可以得到复杂的问题的流场内各个位置上 的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 分布、以及这些物理量随时间的 变化情况。 3 1流体动力学控制方程 流体流动要受物理守恒定律朐支配，基本的守恒定律包括：质量、动量秘能 量守恒定律。若流动包含有不同成分( 组分) 的混合或相互作用，系统还要遵守 组分守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程。控 制方程( 舻v e m i 珏g 蜩u a 专i o n ) 是这些守恒定律的数学描述f 5 6 钔。 ( 1 ) 质量守恒方程 任何流动问题都必须满足质量守恒定律。该定律可以表述为：单位时间内流 体微元体中质量的增加，等于屈一时阍阍隔肉流入该微元体的净质量。按照这一 定律，可以得出质量守恒方程( m a s sc o n s e a t i o ne q u a t i o n ) 望十劐+ 型+ 趔：o a t 瓠 匆 娩 式中旌空气密度，f 是时间，甜、泖w 分别是速度矢量在氘y 和z 方向上的分 l o 第三章理论提础j 数学模型 量。质量守恒方程( 2 1 ) 也称作连续方程( c o n t i n u i t ye q u a t i o n ) 。 ( 2 ) 动量守恒方程 动量守恒方程( m e l l 畦致珏s 蝌蔹i 溅鹎强赫o n ) 是任何流动系统都登须满 足的基本方程。动量守恒定律可以表述为：微元体中流动的动量对时间的变化率 等于外界作用在该微元体上的各种力之和。因此，该定律实际上是牛顿第二定律 在流体系统薛表现形式。按照这一定律，可导出x 、罗和z 三伞方向的动量守恒方 程标量形式 掣协妇u ) ；罢+ 冬+ 冬+ 冬+ 只 ( 3 - 2 a ) o l呶锨鳓院 掣+ 挑伽u ) ：罢+ 冬+ 挈+ 冬+ e ( 3 2 b ) 谎国瓯鳓o z 掣+ 如矽) ：宅冬+ 孥+ 冬置 ( 3 2 c ) o to z ( ) c ( v0 z 式中是合速度；夕是流体微元体上的压力；如，k 和等是因分子粘性律用 而产生的作用在微元体表面上的粘性应力f 的分量；足、r 和只是微元体上的体 力，若体力只有重力，且z 轴竖直向上，则t = o ，只= o ，c = 一店。 式( 3 2 ) 表述了动量守恒定律，称动量方程或运动方程，也称为n a v i 肾s t o k e s 方程。 ( 3 ) 能量守恒方程 能量守恒定律式包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。该定律可表 述为：微元体孛麓量舱增鸯鑫率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元 体所做的功。该定律实际是热力学第一定律。则以温度t 为变量的能量守恒方程 ( e n e r g yc o n s e a t i o ne q u a t i o n ) 掣+ 咖删= 旃i 毒鲫卜 3 ， 式中嘞是比热容，r 是温度，惫为流体的传热系数，曲为流体的内热源及由于粘 性作用流体机械能转换为热能的部分，有时简称爵为粘性耗散相。式( 3 3 ) 就 称为能量方程( e n 鹚ye q u a t i o n ) 。 ( 4 ) 组分质量守恒方程 在一个特定的系统中，可能存在质的交换，或者存在多种化学组分( s p e c i e s ) ， 东华人学硕士学位论文 每一种组分都需要遵循组分质量守恒定律。对于一个确定的系统而言，组分质量 守恒定律可表述为：系统内某种化学组分质鼙对时间的变化率，等于通过系统界 面净扩散流量与通过化学反应产生的该组分的生产率之和。按照组分质量守恒定 律，可写出组分s 的组分质量守恒方程( s p e c i e sm a s s c o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 皇曼呈 2 + 西v u t ) 。历y ( p ，g m d g 岷) ) + 疋 ( 3 4 ) 式中白为组分j 的体积浓度，璐是该组分的质量浓度，鼠为该组分的扩散系数， 蕊为系统内部单位时阁内单位体积通过化学反应产生的该组分的质量，却生产 率。组分质量守恒方程常简称为组分方程( s p e c i e s 蜘u a t i o n ) 。一种组分的质量守 恒方程实际就是一个浓度传输方程。 ( 5 ) 控制方程的通用形式 为了便于对各控制方程进行分析，并用同一程序对各控制方程进行求解，先 建立各基本控制方程的通用形式。尽管四个基本控制方程中因变量各不相同，但 它们均反反映了单位时黼单位体积内物理量的守恒性质。如果用夺表示通用变量， 则上述各控制方程都可以表示成以下通用形式 掣+ 班v w ) ：疣v 嘶却) + s ( 3 5 ) 其展开形式为 掣+ 掣+ 掣+ 掣= 去( r 罢) + 号( r 爹) + 丢( r 薯) 十s 。固 御 缸却 玉瓠i 础却i西j 钯k 如 、 式中为通用变量，可以代表“、d 、w 和温度r 等求解变量；r 称为广义扩散系 数；s 称为广义源项。 式( 3 5 ) 中各项一次为瞬态项( t r a n s i e n tt e r n l ) 、对流项( c o n v e c t i v et e 姒) 、 扩散项( d i 舳s i v et e m ) 和源项( s o u r c et e 珊) 。对于特定的方程，矽、r 和s 具有 特定的形式，表3 1 给出了三个符号与各特定方程的对应关系。 所有控制方程都可经过适当的数学处理，将方程中的因变量、时变项、对流 项和扩散项写成标准形式，然后将方程右端的其余各项集中在一起定义为源项， 从而化为通瘸微分方程。这样，只需要考虑运用微分方程( 3 5 ) 的数值解，写 出求解方程( 3 5 ) 的源程序，就足以求解不同类型的流体及传热问题。对于不 同的彩，只要重复调节该程序，并给定r 和s 的适当表达式，以及适当的初始条件 和边界条件，便可求解。 1 2 第三章理论甚础与数学模型 表3 1 通用控制方程中各符号的具体形式 3 。2c f d 求解过程 在c f d 模拟工程孛，无论是流动闯题、传热闼题还是污染物的运移阆题，无 论是稳态问题，还是稳态问题，其求解过程都可用图3 一l 表示【5 2 1 。 图3 1c f d 工作流程图 本文在模拟过程中，主要是对室内气流流动和颗粒物浓度进行数值模拟。首 先假设室内没有显著的颗粒物污染源，室舞背景空气是室内颗粒物的主要来源， | 3 东# 人学坝l j 学位论文 在混合通风和地板送风两种送风系统下对室内颗粒物进行模拟，当室内流场达到 稳定状态时，考察室内污染物浓度水平。若室外污染物浓度水平较高，则背景空 气将对室内环境造成不良影响。 其次，将在两种送风方式( 即混合通风和地板送风) 情况下，对室内颗粒物 污染源于不同位置即源予行走平面、办公平面和呼吸平面的情况进行数值模拟， 考察室内各个位置污染物浓度水平。利用模拟结栗，对空调送风系统中粒子分布 和变化特点进行分析。 。 3 3 颗粒的输运模型 为简化起觅，在数值模拟过程中，可以将不规则形状的颗粒物均视作实心球 体。于是由气溶胶粒子组成的球形颗粒物分奄在连续相中构成了第二相。除了求 解连续相的输运方程，利用f l u e n t 程序在拉氏坐标下完成流场中离散相的模 拟。通过离散相模型可以计算这些颗粒的运动轨迹以及由颗粒物引起的热量或质 量传输，相闻耦合以及耦合结果对离散相轨道、连续楣流动的影魄均可考虑进去。 通过定义颗粒的初始位置、速度、尺寸以及每个颗粒的温度等条件即可使用 离散相模型进行计算。依据对颗粒物理属性的定义而确定初始条件可以用来初始 化颗粒的轨道和传热、传热计算。当颗粒穿过流体运动时，颗粒的轨迹以及传热 量、传质量可通过当地流体作用于颗粒上的各种平衡作用力、对流或辐射引起的 热量或者质量传递来进行计算。既可以通过在一个固定的流场中( 非耦合方法) 来预测离教褶的分布，也可以考虑离散楣对连续裾幽影响的流场( 楣闻耦合方法) 中考察颗粒的分布。在相间耦合计算中，离散相的存在影响了连续相的流场，而 连续相的流场反过来又影响了离散相的分布，可以交替计算连续相和离散相知道 两相的计算结果都达到收敛标准。 3 。3 1 颗粒运动方程 通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程柬求解离敖相颗粒( 液滴或气 泡) 的轨道。颗粒的作用力平衡方程( 颗粒惯性= 作用在颗粒上的各种力) 在笛 卡尔坐标系下的形式( x 方向) 为： 鲁= 最b 掣十置 7 ， 1 4 第三章理沦暴础o j 数学模型 其中蹦“坳) 为颗粒的单位质量曳力，填中 2 孝譬 8 ) 式中“为流体相速度，吻为颗粒速度，为流体动力粘度，肭流体密度，岛为颗 粒密度，略为颗粒直径，r e 为相对雷诺数( 颗粒雷诺数) ，其定义为： r e ：划 ( 3 9 ) 阻力系数c f d 可采用如下的表达式： 铂+ 急+ 惫 ( 3 1 0 ) 对于球形颗粒，在一定的r 蜩o l d s 数范圈内，上式中的露l 、疗2 和国可视为常数【5 赞。 显然，对于彩一1 1 0 m 的气溶胶粒子，在低速( 如通风和空调系统中) 运 动的条件下，s t o k e s 阻力公式适用删。此时，为 2 舞 ( 3 1 1 ) 式中g 为s t o k e s 阻力公式中的c u n n i n 曲姗滑动修币因子，其计算公式为 纠+ 筹地匏屯哆膨 ) 3 蚴 其中名为气体分子平均自由程。 颗粒动力学方程( 3 。7 ) 中包含的其他作用力足在某些情况下可能很重要。 一般来说，这些附加力包括视质量力、由压力梯度引起的力、热泳力、b a s s e t 力、布朗力、s a a n 升力等5 弱。 视质量力是由于要使颗粒周圈流体加速瓶引起的附加作用力。视质量力的表 达式为【5 6 】 疋= 丢丢丢。飞) ( 3 1 3 ) 当p 纬时，视质量力不可忽视。 由压力梯度弓| 起的附加作用力为 c 2 知罢 ( 3 1 4 ) 对于悬浮在具有温度梯度的气体流场中的颗粒，受