（环境科学专业论文）用cfd研究室内空气特性及污染物浓度的分布.pdf

a b s t r a c t i n d o o ra i ri sp o l l u t e dh e a v n yn o w a d a y ss op e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt o 也e i n d o o ra i rt c s t i i 培t h er e s 珂招o fa n a l y s i sc o u l d0 1 1 l ys h o wt l l ea v e r a g ec o n c e n 伽o n o fi n d o o ra i rp o u u 恤ta tu n n o s ts t a t e ，b u t 曲ec o n c e r l 廿a t i o nd i s t r i b u t i o no f m er o o ma t t h es t a t eo fv e n t i l a d o n t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，也e 砌o o ra i m o w ，t e m p e r a t u r e ， a n dc o n _ c a 】n i n a t i o n c o n c e n 廿a t i o n 矗e l d sc a nb er e a d i l ya 1 1 a l y z e da n de v a 】u a t e d w i n l m e a p p l i c a t i o n 0 f c o m p u 忸t i o n a l f l u i d d y n a i i l i c s ， t 1 1 e a l t e r a t i o no f c o n _ t a l i i l 撕o n - c o n c e n 仃a t i o nf i e l d si na 钾i c a lo 伍c ew l l i c hi nm es t a t eo fc l o s i n ga n d w n 蛀l a ：c i n gi ss i i 工l u l a t e dm m 他r i c a l l yi n 也ep a p e r o n 也eb a s i so fc h a r a c t e r i s t i co fi n d o o ra i rn o w ，b o l l l l d a r ) ra l l di i l i t i a lc o n d i t i o s a r cs dr e a s o n a b l y 洒m ea r t i c l e i no r d e rt of i n dt h cb e s tm o d e l sf i o rm d o o ra i r s i i n u l a t i o n ，也er o o mi ss i n l _ u l a t e do nt 1 1 es t a t eo fc l o s i n ga i l dv e n t i l a t i n 晷i 锄i r l a ro r 仰b l l e n c e ，s t e a d y o r u i l s t e a d y f i i l a l l y ， ar e a s o n a b l em o d e li se s 曲l i s h e d ： t h r e e d i n l e n s i o n a l ，n o m l a lt e m p e r a t i l r e ，i 1 1 c o l p r e s s i b l en e 、v t o n i a nf 1 血d ，n o h n a l p r o p e r 吼p o l l u t a i n 乜a n s p o r t ，u n s t e a d yp r o c e ss m g h tb o u r l d a r yc o n d i t i o n sc o m db e s e l e c t e de a s i l yw h e ni ti ss t e a d y ，v i c e 、啊s a ，u s 昏d e f i n e df i 】i l c t i o ni l lf l u e n ts h o u l d b eu s c d as e l f d e s i g n e dd e s i c c a t o rm e m o di sa p p l i e di n t h i sa n i c l e ，w h i c hc o l l l d m e a s u r er e l e a s em t eo fb u i l d i n gm a t e r i a l s c u r v e sa r ed r a n e da n dp r o g r 姗e di n t o c 抖。w h i c hl o a di i f 幻f l u e n t t h er e s u l ti n d i c a t et 1 1 a tc o n t a 】n i n a t i o n - c o n c e n t r a t i o nf i e l d sd i s 订曲u t e a s y m m e 埘c a l l y i 1 1r 0 0 m s ，s ot h es e l c c to fs a m p l 协g p o i ms h o l l l db a s eo n 也e c i r c u m s t a 】eo fl o ca _ t i o nc o m b i l l e dt h er e s l l l t so fi i l d o o ra i rd ”1 枷c s ，a n dc l o s i n g t i m em u s tb eg t a t e ds t r i c u y t h em o d e lw t l i c hr e s 锄b l et oi n d o o ra i rm e a s u r c m e mi s e s t a _ b l i s h e di n 廿l i sp a p e r a n dd i s 0 也cc h a n g er u l e so fi n d o o ra i rc o n t a m i n 趾t c o c 衄订a t i o nf i o ra no 蚯c ew h i o hi sa i r t i g 灿f i r s t 瓶dv 训l a t e da f t e 删a r da r er e n e c t e d i n1 l l en 1 1 i n e r i c a ls i i n u l a t i o n ，w k c ha r ed i 伍c l 】1 tt oc a 】曙yo u t 也o u 曲e x p e r i m e n t c o n s e q u e n t l y ，t h en 啪e r i c a l s i m u l a t i o np r o v i d e st 1 1 e o 似i c a lf o u n d a t i o ni nt h e r e s e a r c ho f i n d o o ra i rc o n t a m j n a n ta l t e r a t i o n k e y w o r d s i n d o o r a i r ；c o m p u 诅t i o n a l f l u i d d y 蚰i i l i c s ； n 啪e r i c a l s i l u l a t i o n ； c o n t a m i n a _ t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：屋! ! 壶 导师签名： f 至小迄 日期：砌6 g 、孑 第1 章绪论 1 1 课题背景 环境污染物主要是通过空气、水和食物侵入人体的。我们可以自主选择没有 污染的水和食物，却无法自主选择时刻都需要用来呼吸的空气。因此，空气中的 污染物对人体的影响是很大的。2 0 0 8 的脚步日益临近，届时北京将向世人展示 绿色奥运、科技奥运和人文奥运的奥运理念。“绿色奥运”是其中的三大主题之 一，举办“绿色奥运”的目的就是要在筹备和举办奥运会的过程中用保护环境、 保护资源、保护生态平衡的可持续发展思想，把奥运会对环境的负面影响减小到 最低程度。通过举办奥运会促进北京市乃至全国的经济、社会和环境的持续协调 发展，为北京、中国和世界体育留下一份丰厚的环境保护遗产。这就迫切要求我 们在大力治理室外空气污染的同时更加注重室内空气的污染与防治。 随着社会的不断发展，人们越来越多的学习、工作和娱乐活动是在室内进行 的。据统计，现代人8 0 以上的时间是在室内度过的，婴幼儿、老弱病残者在室 内度过的时间更长。因此，室内空气的质量直接影响着人们的健康。室内环境污 染问题的提出始于近4 0 年“1 。近年来随着“建筑物综合症”( s i c kb l l i l d h 培 s y n d m 】1 e ，s b s ) 的日趋严重，室内空气污染才受到普遍重视，并对室内空气品质 进行了大规模的调查研究。2 0 世纪7 0 年代以后，欧洲一些发达国家就已对建筑 材料释放的气体对室内空气的影响及对人体健康的危害程度，进行了全面系统的 研究”1 。丹麦、挪威、瑞典等国家发现人们出现的乏力、头痛、记忆力减退等症 状，与建筑物中的有机挥发物有关，这些症状被称为建筑物综合症。加拿大卫生 组织的调查也显示出当前人们6 8 的疾病都与室内空气污染有关。据美国国家职 业安全与卫生研究所( n 砒i o n a ih s t h t ef b ro c c u p 砒i 伽i a ls a 姆a n dh e a l 血， n i o s h ) 统计，美国室内从业人员出现s b s 症状的比例已由1 9 8 0 年的2 上升到 目前的3 5 t 石5 。1 ，显示出室内环境污染带来的巨大危害。美国国家环境保护 局现已将室内环境污染列为除大气污染、工作问有毒化学品和水污染外的第四大 环境污染。可以这样说，继“煤烟型”、“光化学烟雾型”污染后，现代人正进入 以“室内空气污染”为标志的第三污染时期。 而且，近年来，随着经济的发展和人们生活水平的日益提高办公和居住场 而且，近年来，随着经济的发展和人们生活水平的日益提高，办公和居住场 北京工业大学工学硕士学位论文 所的装修水平也越来越高档，新型建筑材料特别是化学合成建材被广泛地使用。 高档家具、家用电器、电脑等纷纷进入家庭和办公室，化妆品、空气清新剂、杀 虫剂、洗涤剂等也成为了人们生活的必备品。这些因素使得室内空气在原有燃料、 油漆、吸烟等污染的基础上进一步恶化，导致了室内空气中的有害物质无论从种 类上还是数量上都不断增加，从而使室内空气污染状况更加严重。因此室内空气 的污染问题引起人们的极大关注。研究室内有害物产生一扩散及分布的规律，以 便对它们进行有效控制，减少对居住者的危害，已经成为环境卫生学领域的一个 热门课题。 室内气流是影响人体热舒适的重要因素。研究室内气流传统的方法是利用射 流原理进行分析和预测，或利用相似原理进行模型实验“1 。但它们分别受到实验 条件或实验耗费多等问题的限制。由于计算机技术和计算传热学的发展以及紊流 流动模型的改进，一种新的研究方法计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n 锄i c s ，简称c f d ) 技术出现了，它实现了对室内气流的数值模拟：计算室内 温度场和速度场，研究舒适性和有害物浓度场。考虑到实验的费用、时间及实验 研究难以对多种参数的变化进行分析，本文应用计算流体力学方法对密闭和通风 房间进行数值模拟，期待得到房间的气流组织及污染物浓度场的分布，为室内污 染物的检测提供理论依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 目前国外所从事的室内环境领域的研究开发工作主要集中在病态建筑物综 合症的成因及预防、氡( r n ) 辐射的控制、室内环境污染与人类健康等方面。在西 方发达国家，由于呈病态建筑物综合症的人数急剧增加，各国投入了大量的人力 和财力从事室内环境问题的研究和开发工作。近年来c f d 技术已成为对室内环 境参数( 如空气温度、湿度、空气速度、污染物浓度) 进行数值模拟和预测的重 要工具。由于室内污染物的多样性、微量性和累积性，许多研究机构投巨资建立 了专门用于室内环境研究的受控环境舱( c o n 廿o n e de n v i r o l l l e n tc h a m b e r ，c e c ) ， 如美国劳伦斯伯克利实验室( l b n l ) 的室内环境系和丹麦理工大学的室内环境 和能源国际中心( i c i e e ) 等，因而占据着此领域的领先地位。目前，劳伦斯- 伯 第l 章绪论 克利国家实验室正在使用埃施朗公司的l o n w j r k s 技术开发一个供暖、通风和空 调( r v a c ) 系统的原型，以改善加州8 5 0 0 0 个可移动教室( p o n a b l ec l a s s r o o m ) 的室内 空气质量。丹麦理工大学的室内环境和能源国际中心的研究主要集中在人体热舒 适、室内环境品质对人体健康、舒适和工作效率的影响以及个性化送风系统的设 计等几个方面。他们正在用c f d 技术模拟室内暖体假人( t h e r i l l a lm a i l i k i n ) 周围 的流场分布，从事人体对室内环境的感知机理，人体与环境之间的对流、辐射等 热交换形式的理论和实验研究，期待得到室内尤其是人体周围的温度和污染物浓 度分布。 1 9 7 4 年，丹麦的p v n i l s e n 首次利用计算流体力学( c f d ) 方法对室内空气流 动进行了数值模拟嘲。最近，n i l s e n 等“1 又对医院特护病房的气流及污染物分布 状况进行了c f d 模拟，从而优化通风设计。日本东京大学的m 蹦妇吼i 8 利用低 雷诺数k - 湍流模型和g a g g e 的人体两节点模型，模拟计算了人体与环境热湿传 递过程中人体周围的空气温度、湿度、空气流速分布，模拟计算结果与对真人和 暖体假人的实测结果相近。利用模拟计算结果可准确预测各种室内热环境下人体 的热感觉。 t a t s u y ah a y a s h i 等人0 1 利用k 吨湍流模型，模拟室内呈站立和仰卧两种状态 的个体人群( 图1 1 ) 周围的气流及污染物浓度的分布情况( 图1 2 ) 。由于人体 呼出的空气量很少，不足以影响室内空气流场，因此，在边界条件的设置中把人 嘴设置为排风口( e x h a l l s t f ；m ) ，并且考虑到呼吸区的气流受到由人体新陈代谢产 生热量而呈上升状态的影响，设人体热流分别为站立：2 0 ow r m 2 ，仰卧：3 0 1 w ，m 2 。此物理模型考虑到了人体的呼吸及其自身代谢的热量，与实际情况更相符。 得到存在污染源( 地板) 的情况下，人体周围污染物浓度的分布。另外，研究过 程中t a t s u y ah a y a s h i 等人定义了更具有实际应用价值的污染物吸入效应指数 ( m c i ) ，用来评价污染物的扩散对人体的危害效应。 图卜1 房间模型 f i g 1 - 1 1 1 l r - d i i i 】e n s i o n a lm o d e l r o o m 图卜2 站立和仰卧状态的人体周围污染物浓度分布 f i g 1 _ 2c o n c 锄协砌o nd i g 订i b u d o no f 血eo c c u p a m ( s t 卸d i n g 柚ds l e c p i n 曲 1 2 2 国内研究现状 我国对室内环境的研究的深度和广度上还很有限，将c f d 应用于室内空气 方面的研究大致分三部分：室内通风状况、热舒适度以及污染物浓度的分布。在 前两方面已做了不少工作，对室内空气气流的运动状态和污染物在空气中的分布 的研究则处于刚刚起步的阶段。目前国内只有几家科研单位和大专院校做了有关 室内环境c f d 方面的研究工作。 清华大学建筑学院对温度场模拟预测技术进行了深入的研究“。赵彬等“” 用合理的湍流模型和风口模型模拟非等温送风室内空气流动情况，并用一个非等 温送风的实例进行了验证。然后利用该湍流和风口模型对一个工程实例非等温送 d 第1 章绪论 风的室内空气速度场、温度场进行数值模拟，同时也给出利用传统射流理论的分 析结果与之比较，借此分析当前室内非等温送风设计中通常存在的“冷风下坠” 和“热风上浮”问题，指出传统射流设计方法的不足，从而提出一种利用c f d 方法改进非等温送风气流组织设计的方法，并将其应用于工程实例以说明该思路 是可行的。 中国农业大学刘洋等人。4 通过对室内压力场与速度场的分布情况进行模拟， 研究了北京市传统学生宿舍内的室内空气环境。在研究的过程中，采用了模拟室 内的大气压力和气流速度的客观评价法，采用k 一双方程湍流模型模拟空气介 质，计算流体力学的方法求解室内空气流动，有限体积法处理控制方程，并用 f u 7 e n t 模拟流场分布结果。作为对数学模型的补充，也实际体验了宿舍内部的 通风环境，即采用了主观评价法进行对照。分析结果表明，学生床上的通风情况 跟床的位置有很大的关系：风从门吹进来的时候，下铺同学感受比较明显；风从 窗吹进来的时候，上铺的同学又比较受益。 在浓度场模拟预测技术领域，清华大学建筑学院也己开展了初步的研究工 作，通过运用国外商用计算机软件，实现对浓度场的模拟。赵彬等“3 1 对某办公室 置换通风的室内温度场和速度场进行了模拟，并和实验数据进行对比。结果表明， 计算所得速度和温度分布与实测值吻合得很好，所用的风口模型和湍流模型能将 置换通风的温度分层特性和速度场合理地模拟出来，可用于指导和优化置换通风 气流组织设计。 山东科技大学土木建筑学院的刘玉峰，徐永清“”利用c f d 商用程序，对通 风空调系统两种常用气流组织方式( 上送上回式以及上送下回式气流组织方式) 的室内复合型木制装饰材料所释放的挥发性有机物( 以甲醛为评价指标) 的浓度 场进行了计算，根据设定的边界条件和源项，利用c f d 程序可以计算图1 3 所 示房间任意一点的污染物浓度，从而确定室内污染物的浓度场。图1 4 、图1 5 给出了两种气流组织方式下高度1 2 m 处( 坐姿呼吸区) 甲醛等浓度线分布。并对 计算结果进行了分析，得出以下结论：不同气流组织方式下，室内污染物的分布 特性、空气交换效率相差较大。比较而言，上送下回气流组织方式优于上送上回 气流组织方式，其工作区污染物浓度和空气交换效率较高。 z x 图卜3 房间气流组织模型 f 嘻1 - 3m o d e lo f i n d o o ra i r n o w 图卜4 室内甲醛浓度分布( 上送上回) m g m 3 f 培1 _ 4f o m a l d e h y d ed e i l s 酊d i s 仃j b u t i o n ( t o pi 1 1a i l do u i ) 图卜5 室内甲醛浓度分布( 上送下回) m g m 3 f 培1 - 5f o m a l d e h y d ed e n s 时d i s 仃i b u t i o n ( t o pi 1 1a n d b o t t o mo u t ) 自从1 9 7 4 年，丹麦的p v n i l s e n 首次将c f d 技术应用于空调工程，模拟室 内空气流动情况后，近年来，计算流体动力学( c f d ) 在建筑环境模拟中的应 用日趋广泛与成熟，并逐步成为人们认识与评价室内空气环境的重要手段与工 具。因为c f d 数值模拟得到的微观数据分布，如空气流速、温度与污染物浓度 等，是设计与控制健康舒适室内空气环境的依据“。但无论国内还是国外，目前 第l 章绪论 还只限于讨论边界形状比较规则的问题，其中不少针对复杂问题的某一个方面进 行了专门研究，数值计算中综合考虑速度、温度和浓度等诸因素的文献尚未见报 道“。本文将板材中污染物的释放及其在室内空气中的分布规律进行联合模拟计 算，从理论和实践上了解和分析室内尤其是人体敏感高度范围内的污染物分布状 况。 1 。3 课题来源及主要研究内容 1 3 1 课题来源 自选课题，做预研究。本课题的研究经费由其它课题经费支持。 1 _ 3 2 课题的主要研究内容 通过数值模拟技术对建筑室内环境进行模拟仿真，可以形象、直观、快捷地 对室内气流流动形成的微环境做出分析和评价，不仅便于让各类技术人员了解和 把握室内空气及其污染物的分布规律，也是优化建筑规划设计的有力工具“”。 但目前用c f d 模拟室内空气状况还存在以下问题：由于现阶段对室内空气 污染物的检测是在房间密闭的情况下进行的，因此，对密闭房间的模拟也有一定 的现实意义。现今，多数学者都在研究通风房间的气流及污染物状况，对于密闭 房间研究甚少：在模拟结果与实验测定相比较的基础上，为了得到更优化的模型， 还要注重不同模型所得结果之间的对比。 本文主要研究内容包括： ( 1 ) 用c f d 模拟室内空气流场过程中模型的选择和优化。通过对某办公室在 密闭和通风两种工况下，分别选择层流或湍流、定常或非定常，稳态或非稳态模 型进行数值模拟，不断调整模型，初步确定模拟室内空气流场的常规数值模型。 ( 2 ) 装饰材料中环境污染物释放规律的研究。用自行设计的干燥器法测定目 前室内装修中最常用的材料大芯板和复合地板中甲醛的释放规律。 ( 3 ) 对某大型办公室甲醛的浓度场进行模拟。从时间、空间的不同角度反映 出一个先密闭后通风的办公室中甲醛浓度的变化规律。 第2 章室内空气品质评价 第2 章室内空气品质评价 2 1 室内空气品质的评价 室内空气品质评价是人们认识室内环境的一种科学方法，它是随着人们对室 内环境重要性认识不断加深而提出的新概念。室内空气品质评价可以做到：( 1 ) 掌 握室内空气品质状况和变化趋势，以便有效预测室内空气的污染程度；( 2 ) 评价室 内空气污染对人体健康的影响以及室内人员的接受程度，为制订室内空气品质标 准提供依据；( 3 ) 弄清污染源与室内空气品质的关系，为建筑设计、卫生防疫、污 染控制提供依据“。国际上通常选用c 0 2 、c o 、甲醛、可吸入性微粒、n o x 、 s 0 2 、室内细菌总数、温度、相对湿度、风速、照度以及噪声共1 2 个指标“”来定 量地反映室内环境质量。我国则于2 0 0 3 年3 月1 日由国家质量监督检验检疫总 局、国家环保总局、卫生部联合制定了我国第一部室内空气质量标准。该标 准与国家标准委员会以前发布的民用建筑工程室内环境污染控制规范、1 0 种 室内装饰装修材料有害物质限量共同构成了我国一个比较完整的室内环境污 染控制和评价体系。表2 1 是民用建筑工程室内环境污染控制规范 ( g b 5 0 3 2 5 2 0 0 1 ) 和室内空气质量标准( g b 厂r 1 8 8 8 3 2 0 0 2 ) 共有室内污染物 的浓度限量。室内空气检测就是在上述两个标准的规定下，通过一定的仪器和方 法对其进行测定、分析和处理。 表2 1 两标准共有污染物的浓度限量 t d b l e2 1t h el i i n 跏o no f c o m i n o nc o n 乜比由h a t i o n si n t w os t a n d a r d s g b 5 0 3 2 5 - 2 0 0 1 种类g b ，r 1 8 8 8 3 2 0 0 2 i 类建筑h 类建筑 氨( m g m 3 ) o 2 0o 5 00 2 0 甲醛( m 咖3 ) o 0 80 1 2 0 1 0 苯( m g ，m 3 ) 0 0 9o 0 9o 1 1 t v o c ( m g 詹) o 5 00 6 00 6 0 氡( b q n 3 ) 2 0 04 0 04 0 0 目前国内外普遍运用的室内空气品质评价方法有主观评价法、客观评价法和 主客观相结合的综合评价法啪1 。其中较为成熟的客观评价法有室内空气污染物的 北京工业大学工学硕士学位论文 检测评价法和c f d 数值模拟法。污染物检测评价法是指选择具有代表性的污染 物作为评价指标，通过采样分析测定该污染物浓度，最后对照室内空气质量标准 做出检测报告，得出室内环境是否达标。这种方法非常直观，从检测报告中可以 看出室内污染物的超标倍数。但是该方法的分析测定结果只能反映室内污染物在 极限状态下的平均浓度，而不能反映通风状况下空间各点污染物的浓度分布。 2 2 计算流体力学简介 2 2 1 计算流体力学的基本概念 计算流体力学是采用区域离散方法，并借助于计算机来研究流体流动及由流 动引起的传热传质问题的分支学科。它可以模拟室内空气中气流的运动状态和污 染物在空气中的分布状况。简单地说，该方法就是在计算机上虚拟地做实验，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。“。其理论依据是质量、动量以及能量 三大守恒定律啪“1 。这些守恒方程可以用统一的对流一扩散方程的形式表示如下： a 云( 胛) + 硪v ( 肺p + 厶) = s ， ( 2 - 1 ) 其中，伊代表通用变量“，v ，w ， 等，p ，玩五，& 分别表示密度、速度矢量、扩散 通量和源项。通过在特定系统下采用一定的数值离散方法将上式离散为如下的代 数方程： 口，= 口。+ 6 ( 2 - 2 ) 其中，口为离散方程的系数，伊为各网格节点的变量值，6 为离散方程的源项。 下标“p ”表示考察的控制体节点，下标“n b ”表示p 相邻的节点。依据某种算法，如 最常用的s i m p l e 算法，求解离散所得代数方程组，即可获得室内流场信息。 2 2 2 计算流体力学方法的计算步骤 采用c f d 的方法对流体流动进行数值模拟，通常包括如下步骤。“： 第2 苹室内空气品质评价 ( 1 ) 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。具体地说就是要建立反 映问题各个量之间关系的微分方程及相应的定解条件，这是数值模拟的出发点。 没有正确完善的数学模型，数值模拟就毫无意义。流体的基本控制方程通常包括 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，以及这些方程相应的定解条件。 图2 1c f d 数值求解过程 f 逗2 1p m c e 鼹0 f n u m e r i c a ls o l u d o nw mc f d ( 2 ) 寻求高效率、高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化 方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。这里的计算方法不仅包括微分 方程的离散化方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条件的处理等。这 北京工业大学工学硕士学位论文 些内容，可以说是c f d 的核心。 ( 3 ) 编制程序和进行计算。这部分工作包括计算网格划分、初始条件和边界 条件的输入、控制参数的设定等。这是整个工作中花时间最多的部分。由于求解 的问题比较复杂，比如n a v i e r - s t o k e s 方程就是一个十分复杂的非线性方程，数 值求解方法在理论上不是绝对完善的，所以需要通过实验加以验证。正是从这个 意义上讲，数值模拟又叫数值实验。 ( 4 ) 显示计算结果。计算结果一般通过图表等方式显示，这对检查和判断分 析质量和结果有重要参考意义。 以上这些步骤构成了c f d 数值模拟的全过程，如图2 1 。 2 2 3 计算流体力学方法的特点 计算流体力学方法擅长细部模拟，不但能够在保证计算精度的前提下获得所 求物理量的场分布，而且可方便地查看实验难以看到的流线和等值线等物理现 象，从而更深入地了解流动传递现象的变化规律“1 。通过使用c f d 技术可以实现 以下目标：结合室内污染源释放扩散模型，利用室内建材和装饰材料源释放数据 库，可以预测建筑室内空气品质，指导建筑和装饰材料的使用，减少由于室内空 气品质低劣导致的问题建筑出现的可能性；结合空气净化器模型，优化送回风方 式和空气净化器摆放位置，使空气净化器效率达到最高。因此，c f d 在工程技术 领域得到了愈来愈广泛的应用，成为研究航空航天、能源动力、化工、环境工程 以及气象学等领域中相关流动传递问题的有力工具。 当然，c f d 也存在一定的局限性。首先，数值解法是一种离散近似的计算 方法，依赖于物理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的优 先数学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上 的数值解，并有一定的计算误差；第二，它不像物理模型实验一开始就能给出流 动现象并定性的描述，往往需要有原体观测或物理模型试验提供某些流动参数， 并需要对建立的数学模型进行验证；第三，程序的编制及资料的收集、整理与正 确利用，在很大程度上依赖于经验与技巧。此外，因数值处理方法等原因有可能 导致计算结果的不真实，例如产生数值粘性和频散等伪物理效应。此外，c f d 不适于模拟复杂系统和预测长期浓度分布趋势和人员暴露水平，对使用人员的专 第2 章室内空气品质评价 业水平要求也较高。“。 2 2 4 计算流体力学在室内空气品质评价方面的应用 近十多年来，c f d 有了很大的发展，替代了经典流体力学中的一些近似计 算法和图解法。过去的一些典型教学实验，如r e y n o l d s 实验，现在完全可以借 助c f d 手段在计算机上实现。所有涉及流体流动、热交换、分子输运等现象问 题，几乎都可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟，因而c f d 技术得到 了越来越多的应用”“3 。c f d 不仅作为一个研究工具，而且还作为设计工具在水 利工程、土木工程、环境工程、食品工程、海洋结构工程、工业制造等领域发挥 作用。在环境方面的应用主要包括以下几部分：河流中污染物的扩散规律的研究； 汽车尾气对街道环境污染的分析以及室内空气气流及污染物的分布。”“。 2 2 4 1室内空气质量与热舒适 从本世纪2 0 年代起，由人们对空调系统引起的吹风感的抱怨开始，产生了空 气流动对热舒适影响的研究o 。5 0 年代末，对热舒适的研究进入高潮。从研究空 气平均速度对热舒适性的影响到研究气流脉动强度、气流脉动频率对人体热感觉 的影响。而对吹风感的研究多基于实验研究，这给c f d 的理论研究积累了大量的 数据。基于此，c f d 学者们可以对不同的置换通风系统中的气流平均速度、脉动 强度及脉动频率特性进行模拟，建立相应的数据库，再通过与实验结果的对比， 提出可以有效评价吹风感的参数及其数学模型，从而实现对系统可能产生的吹风 感的预测口6 3 。 2 2 4 2室内空气质量与建筑通风 通风房间内，新风量和风口位置决定着室内空气的温度、相对湿度以及污染 物的分布。“。因此有效的通风和合理的气流组织对于改善室内空气品质，控制室 内空气污染物水平，保证实现健康建筑有着重要的意义。 目前对室内空气环境的c f d 模拟较好地考虑了热源浮升力对室内气流的驱 动作用，而很少考虑室内污染物浓度差对空气流动的影响。尽管前者的影响比后 者更为明显，但近年来国内室内污染物浓度近一半超过国家标准，对人体健康产 生了重要影响的事实，使人们意识到污染物浓度差对室内气流的影响与驱动作用 已是不容忽视的。特别是，随着近年来地板送风空调系统或置换通风系统的广泛 北京工业大学工学硕士学位论文 采用，热与污染物浮升力作用相当，必须同时给予考虑。 综上所述，c f d 技术可以对室内气流组织特性和污染物传播规律进行模拟， 为评估室内空气品质和研究人体舒适性提供有力依据。但是需要选择合理的数学 模型和离散方法，设置符合实际的边界条件，模拟结果才能与实际相符。它减少 了研究者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，可以将 更多的精力和时间投入到考虑问题的本质，优化算法的选用，参数的设定等方面。 因此，作为一种新学科，c f d 将会随着技术的进步和发展而日趋成熟，并且将 在环境领域获得更广泛的应用。 2 3f l u e n t 简介及解决流体问题的步骤 为了完成c f d 计算，过去多是用户自己编写计算程序，但由于c f d 的复杂 性及计算机软硬件条件的多样性，使得用户各自的应用程序往往缺乏通用性，而 c f d 本身又有其鲜明的系统性和规律性，因此，比较适合于编成通用的商用软 件。自1 9 8 1 年以来，出现了如p h o e n i c s 、c f x 、s 1 a r c d 、f i d i p 、f l u e n t 等多种商用c f d 软件。本文选用f l u e n t 软件进行数值模拟。 f l u e n t 是由美国f l u d 盯公司于1 9 8 3 年推出的c f d 软件。它是继 p h o e n i c s 软件之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。f l u e n t 是目 前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一。其基本思想就 是软件内含有很多模块，在实际应用时通过判断流场的类型和边界条件，可以选 择应用某一模块来计算1 。 在f i i h 狲t 5 0 以上的版本中，采用g a i l l b i t 的专用前处理软件，使网格可以 有多种形状。对于二维流动，可以生成三角形和矩形网格；对于三维流动，则可 以生成四面体、六面体、三角柱和金字塔等网格；结合具体计算，还可生成混合 网格，其自适应功能，能对网格进行细分或粗化，或生成不连续网格可变网格和 滑动网格。具体地讲f u j e n t 软件求解问题的一般步骤包括以下几步m 1 ： ( 1 ) 前处理过程：即根据流体问题，确定几何模型形状，生成计算网格，并 检查划分网格的质量； ( 2 ) 求解过程：选择求解器( 2 d 或3 d ) ，针对流动的特点选择求解的方程， 包括层流或湍流，化学组分或化学反应，传热模型等；确定流体的材料物性以及 边界类型、边界条件；计算控制参数，并对流场进行初始化参数设置；求解计算； ( 3 ) 保存结果，进行后处理等。 2 4 室内对流传热传质问题的数学描述 2 _ 4 _ 1 控制方程 室内空气中碉吾物扩散祁热量扩散郡与至气流动有关。从c f d 的角度采说， 包括三部分数学方程：描述流体流动的方程、描述温度扩散的方程和描述有害物 扩散的方程。首先，将空气流速记为旷= “i + 谚+ w 云，即速度矢量用x 、y 、z 三个方向的分量u 、v 、w 来表示。流动与传热、传质方程分别表示如下。 ( 1 ) 描述流体流动的方程 加却跏 + + = u 连续性方程：出砂出( 2 3 ) p 尝：一罢+ 州础) + 戤 。d f苏 。 p 尝：一罢+ d f v ( 胛咖) + 缈 | d f却 。 动量方程p 尝一詈砌( 俐 ( 2 _ 4 ) 动量方程： d r 7 ( 2 4 ) ljl 对流项压力梯度扩散项体积力 ( 2 ) 描述温度扩散的方程 肛，警咧均卿蚂 ( 2 _ 5 ) ( 3 ) 描述有害物扩散的方程 鲁咧。，删m 。 ( 2 - 6 ) 式中， 北京工业大学工学硕士学位论文 丝：鲤+ “塑+ v 塑+ w 望 d fa f融 砂 出 咄，：罢i + 票7 + 譬i c 蕊 c y u l 咖矿：丝+ 竺+ 坐 缸砂出 数学方程建立起来后，为确定解，必须给出定解条件，对于非定常问题，定 解条件包括初始条件和边界条件。 2 4 2 初始条件的处理 初始条件就是在某一时刻给出速度、压力、密度、温度等变量的初始分布。 这些条件对于湍流来说是难以给出的，需要人为的根据实验给出。但是一般计算 表明，只要给出的初值符合一定要求时，它对以后计算结果的统计平均量影响不 大，所以问题并不严重；对于定常问题，并不需要初始条件，但实际计算中对于 非线性方程需要进行迭代，这一过程也可以看作某一非定常问题的渐进过程，因 此初始条件就是迭代过程的初值。 2 4 3 边界条件 控制方程是对所有流动传递问题的统一描述，具体到个别问题，其特殊性则 体现在边界条件的不同。用于c f d 计算的商用软件，都是将控制方程进行离散， 然后编制成通用程序，同时辅助以用户程序。在用户程序中赋予边界条件，得到 具体问题的解。因此，对c f d 计算来说，预先确定几何区域的各边界条件是至 关重要的。对于室内空气环境的c f d 计算，边界条件主要有三类： ( 1 ) 入口条件：门窗及送风口处风速、空气温度、有害物浓度等。 ( 2 ) 壁面条件：墙、地板、天花板、家具等表面有害物浓度、温度等。固体 边界处的速度值一般设置为零。壁面边界条件，通常分为三类： 第一类：己知边界上的温度浓度值。 第二类：己知边界上的热流质流值。 第三类：已知边界处的对流传热传质情况。 从数学角度而言，第一类边界条件相当于给定固体壁面处的函数值；第二类 相当于给定函数的导数值；第三类相当于给定函数和导数的组合。第三类边界条 第2 苹室内空气品质评价 件，只有当计算区域为固体( 纯扩散问题) 时才会遇到，它所描述的是固体外面的 流体和固体表面之间对流换热或对流传质情况。对于室内空气质量监测中的c f d 问题，通常是以空气为计算对象，所以不会遇到第三类边界条件。一般商用计算 软件中对均匀、稳态的边界条件只需简单地选定即可，对复杂、非稳态的边界条 件则需要通过编制用户程序，计算中由主程序调用。 ( 3 ) 对称线：如果计算区域是对称的，则取区域的一半进行计算即可。此时 对称线上各参数沿对称线垂直方向的导数等于零。这种取法的依据是，各种参数 在对称线上应该取得极值，而极值点的导数必然等于零。 2 4 4 离散方程中源项的处理 源项是指计算区域内部存在的热源或质量源，它们吸收或释放热量或质量， 因此源项可正可负。当把室内释放有害气体的家具以及工作人员和计算机等发热 体都包括在计算区域中时，它们均是源项。在数值计算中，需要给定其四周的边 界条件。对于均匀源项，则只需在计算程序的相关条目中给定一个常数即可。 2 5 湍流流动及其模型简介 室内空气中的流动状态主要有层流( 1 姐血神和湍流( 吣u l e n c e ) 两种形式。层流 指流体作成层、成束的流动，层与层之间的动量传递完全由流体粘性决定。湍流 指夹杂着大量流体涡旋的、无明显分层的流动，流体各部分之间的动量传递主要 依靠流体微团的脉动，流体粘性的作用相对很小。从流动机理来看，流态是由流 体的粘性力和惯性力共同决定的。当粘性力占优势时，流动表现为层流：当惯性 力占优势时，流动表现为紊流。流态的区分通常由雷诺数( r e y n o l d sm 】m b e r ) 来 决定，其定义为 r e ：坐 ( 2 7 ) r 式中u 为流速，v 为流体运动粘度，l 为定性尺寸。i k 数是一个无量纲的纯 数，它的物理意义是流动中流体惯性力和粘性力的相对大小。r e 电2 0 0 ，粘性力 起主要作用，流动易成为层流；r e 2 2 0 0 ，惯性力起主要作用，流动易成为紊流。 湍流流动是一种高度线性的复杂流动，但人们已经能够通过某些数值方法对 北京工业大学工学硕士学位论文 湍流进行模拟，取得与实际比较吻合的结果。下面对模拟室内空气流场常用的几 种湍流模型作一简介。 2 5 1 标准k 一模型 在关于湍动能k 的方程的基础上，再引入一个关于湍动耗散率的方程，便 形成了k 两方程模型，成为标准k 模型( s t a n d a r dk - m o d e l ) 。该模型由l a u n d e r 和s p a l d i n g 于1 9 7 2 年提出的。标准k 模型是针对湍流发展非常充分的湍流流 动来建立的，也就是说，它是一种针对高r e 数的湍流计算模型，而当r e 数比 较低时，例如，在近壁区内的流动，湍流发展并不充分，湍流的脉动影响可能不 如分子粘性的影响大，在更贴近壁面的底层内，流动可能处于层流状态。因此， 对i k 数数较低的流动标准k 模型就会出现问题。 2 5 2 r n gk 一模型 为了弥补标准k - 模型的缺陷，y a k h o t 和o r z a g 提出了r n g k - 模型。此模 型通过修正湍动粘度，考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况。从而可以更好 的处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。 2 5 3r e a l i z a b l ek 一模型 r e a l i z a b l e 意味着模型要确保在雷诺压力中要有数学约束和湍流的连续性， 称为带旋流修正的k - 模型。它和r n gk 模型都显现出比标准k _ 模型在强流 线弯曲、漩涡和旋转有更好的表现。由于带旋流修正的k 模型是新出现的模型， 所以现在还没有确凿的证据表明它比r n g “模型有更好的表现。但是最初的研 究表明带旋流修正的k 模型在所有k - 模型中流动分离和复杂二次流有很好的 作用。 2 6 流场数值计算的方法 在对指定问题进行c f d 计算之前，首先要将计算区域离散化，即对空间上 连续的计算区域进行划分，把它划分成许多个子区域，并确定每个区域中的节点， 从而生成网格。然后，将控制方程在网格