（环境科学专业论文）用cfd技术研究室内空气中苯的污染与净化规律.pdf

a b s t r a c t h 咒c e n t y e a r s ，t l l e r e h 勰b e 既m c 他鹞b g c o n c e m o v 盯妞d o o f a i r m 斌姆埘也吐埠 d e v e l o p m 饥to f o n o m y 缸dm e 呻r o v 咄n to fp t 玎n a ll i v i l l ga i r o m n e n t i n d o o rs y n d l c t i cb u i l 曲1 9m 删a l se i i l i tal a 增e 肌m b 盯o fv o i a t i l eo 曙l i l i c c o m p o 仰d s ( v 0 c ) a n d 曲【e 咖嘶ei i l d o o ra i rq l l a l 姆b a d l y u s i n ga i rc l e 锄盯t 0g e t 和o fv o ci s 姐e 矗妯ew a yt op 舢o t ca i rq 1 】a l 诹籼曲a p p l i c a t i o f c o i n p l i t a t i o i l a lf l l l i dl y n a m i c s ，t h ea l t e t i o fc o n l 丑m i 删o 】1 c o n c e n l 谢o n6 e l d s i i lat y p i c a lc h i l d r sr o o mw h i c hi n 也e 或a ：f co fc l o 如ga n dv 酬l a 虹i 培i ss i m l l l a t e d n 岫e r i c a l l y i i i t h e p a p c r o nt h eb 笛i so fc h ；l r ；t c r i s 吐co fi 1 1 d o o fa i rn o w ，b o u n d a r ya 1 1 d “廿a lc o n 蛳o n s a r es e t 础o n a b l yi nt h e 硎c l c t h e 卿mi ss i n m l a 主e do n 也es t d t eo fc l o s i i l g 锄d v e n t i l a l i n g ，l 锄血mo rt i i r b i l l e n c e ，l s t e a d y ，a n da i 、) l r i t ha i rc l e a n 盯a l f _ d e s i 掣- e d d e s i c c 栅m c t i 州i sa p p l i e di 1 1t h i sa n i c l e ，、】v ：i l i c hc o l l l dm e a s u 托托l e a s em t co f b l l i l d i n gm a t e r i a l s 。o i l 髂a 陀d r a f k d dp f o 孕越姗e di 州dc h ，w k c hl o a di i l _ t o f l u e n t t h er e s l l i ti n d i c a t et h a lc o n t a n l i n a t i o n 啪n c a 叫枷o nl i c l ( 1 sd i s n i b u t e 鄱y m m c t r i c a l l yi n 加咄，t h e l e c to fs 舡r l p l i n gp o i n ts h o l l l db a s eo n 她 c i r c l l s t 如c eo fl o c a l i o nc 哪b i e dt h em s u l 协o f 砌o o ra i rd y d a m i c s ，砒t h es 龇 t i m e ，h o w t 0 北a c hb e t t c ra i rq u a l i t yh 越r c 蜥o n t o t h e i o c a 虹o no fa na j rc l 啪盯i 3 a l s od i s c 邺s c di nt i l i sp a p e 吐也ep o s m o no ft h ea 妊c l c a n e ri sb a s c do nd i s 缸b u 吐 o fr o o m t h e 毗1w h i c hr e s 即曲l et 0i n d o o ra i rm 朗剐嘴m e n ti se 虹b l i s h c di nm i s 讲i p e l 枷a l s o 也ec h a n g en l l e so fi n d o o ra i rc c 咀b m i 瑚tc o 咖位砸o nf o ra c h i l d 坤n sm o mb c f o r ea n da f k = rp u r i f i e dw i l i c hi sa i r t i g h t 纽或越dv a 姬l a t e d 缸t c l w a r d 眦m n e 曲e di nn l ei 衄e r i c a ls i i n l l l a t i o n ，w h i c ha 聆d i 伍c l l l tt oc a r r yo l i t t h o u g h 哪血肌t c o n q u e m i y t h en 岫e r i c a ls i m u l a t i o np m v i d e st l l e 0 硎c a i f o u n d a t i o ai nt h e 咒s e a r c ho fi i l d o o ra i rc o n t a i n i r m ta l k 删o n k e ”o r d sh d o o ra i r ；c o m 】) u t 舭i o n a lf l u i dd ) 肚皿i ；n 瑚垧j c a ls i m l l l a t i o n ； c o n t 舡n i 戚：艋c i e a n m - 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。 一77 签名：趁日期：丝1 2 笸：兰 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：丕丕导师签名：兰生日期：上赴 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着2 0 0 8 年奥运会的到来，。绿色奥运”的理念深入人心，人们的环保意识 进一步增强，百姓对室内环境的重视程度也日益提高。室内是城市中大多数人工 作与生活的场所，大多数人在室内度过其一生中的8 0 毋o 的时光，尤其是婴幼 儿、老弱病残者，人每天要吸入大量空气，因此良好的室内空气环境对人体健康 至关重要。 二十世纪七十年代能源危机和建筑及相关技术的发展，导致建筑密闭性提 高、运行能耗下降、建筑内新风量减少；另一方面，新型建筑装饰材料大量应用， 其中一些排放有害气体。因此，长期生活和工作在现代建筑中的人们经常表现出 一系列病态反应：疲乏、无精打采、轻度头痛、皮肤瘙痒、气喘、胸闷、发热等， 这一现象引起了专家们的广泛关注，提出了“不良建筑综合症”，或称为“居室 病”( s i c kb 1 1 i l d i n gs y n d 彻丑e ，简称为s b s ) 、建筑物关联症( b u i l d 崦r e l a t e d l n 黜， b m ) 、化学品敏感( m u 城p l ec h e m i c a ls e m v i 饥m c s ) 和化学过敏症( c h e m i c a l h y p e 麒m s m v 毋s y n d m e ，c h s ) 等一些新概念。大量调查表明，室内空气品质 不佳不仅会引起病态建筑综合症，而且会降低人们的工作效率。美国环保调查署 ( u s e p ：a ) 表明，室内空气污染是有关国民健康的首要环境问题之一研究表 吲1 1 ，美国人5 0 9 6 的疾病的产生与室内空气污染有关。 i a _ y m o r e 【2 l 和o d o m p l 估计 低劣的室内空气品质( i n d o o r a i rq u a l 耐，简称n q ) ，造成美国每年的经济损失 超过4 0 0 亿美元，这一数字触目惊心。据美国国家职业安全与卫生研究所( n 撕o n 出 i n s c h t e f o r o c c u p 撕o r l a ls 疵t y 觚d h e a l t i l ，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 巧5 【4 】，显示出室内环境污 染带来的巨大危害。在中国虽然没有相关权威机构的统计调查，但从我国室内环 境监测中心室内m q 监测量越来越大的趋势也可以看出此问题在我国日趋严重。 特别是近年来随着人民生活水平的提高，住房改革带来的购房、室内装修热潮， 使得m q 问题在我国尤为突出。w h 0 估计阁，世界上有将近3 0 的新建和整修的 建筑物受到s b s 的影响，大约有2 0 。3 0 的办公室人员常被s b s 症状所困扰。因 此，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。 近年来，随着我国经济的高速发展，工农业现代化水平的不断提高，人们生 活水平也得到了很大程度的改善，特别是在居住条件方面，人均居住面积大幅度 增加，室内装潢也越来越讲究。然而，建筑节能的要求却在现代科技的支持下使 北京工业大学工学硕士学位论文 室内建筑的密闭性越来越好，从而使室内空气与室外空气的交换越来越少，极易 导致室内污染物积累，引发室内空气污染。与此同时，室内装饰材料、现代化办 公设备及日用电器释放出的有毒有害气体亦随之增加，并已严重地影响了人体的 健康。根据有关国际组织调查，全世界每年有2 4 0 万人自接或间接死于装修污染， 世界上3 0 的新建和重修的建筑物存在有害于健康的室内空气污染【6 】北京市化 学物质毒性鉴定中心报道，北京市每年由建材引起的污染中毒人数达万人川因 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。 室内空气环境表现为复杂的流体流动与热污染物传输的混合过程，即空气对 流传热传质过程嗍。因此，模拟室内空气对流行为、认识其基本特性是控制与调 节建筑室内环境的主要途径与理论基础。研究室内气流和污染物分布主要用以下 两种计算机模拟模型【9 】：室内气流模型和多区域模型。前者主要是用计算机流体 力学( c 锄p u t a t i o n a lf l l l i dd y 眦i c s ，c f d ) 的方法进行研究。而后者以队q p c 和c o n 心“( w m t o n1 9 9 7 ) 为代表。污染源空间分布、污染物释放强度、气流组 织等是影响室内污染物浓度场的主要因素，其中，气流组织是h v & a c 专业控制 室内空气质量的重要手段【。随着计算机技术的迅速发展和c f d 软件的不断开 发与完善，用c f d 计算模拟室内任意一点的污染物浓度分布已经越来越受到人 们的青睐。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放置净化机前后，密闭和通风房间进行数值模拟， 对比起结果，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 由于呈s b s 的人数急剧增加，西方发达国家政府与民间组织、大公司等众 多机构都投入了大量的人力、物力从事室内环境问题的研究和开发工作【l l q 2 】由 于室内污染物的多样性、微量性和累积性，许多研究机构投入了巨资建立了专门 用于室内环境研究的受控环境舱( c 昀l l e de n v i 啪m 朗tc h a m b 盯，c e c ) ，如美国 劳伦斯伯克利实验室( l b l ) 的室内环境系、丹麦科技大学的室内环境和能源国 际中心( i n b 哪旧d o n a lc 曲呜f o ri i m re 刖岫e n ta n de i l e r g y ，i c i e e ) ，麻省理工 大学的环境、健康、安全中心( e n v i i 伽m e 咄h e a l t h ，s 如t y ) 等，因而在此领域 处于领先地位。 第1 章绪论 大量文献显示，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( s b s ) 的成因及预防、氡( r _ 1 1 ) 辐射的控制、室内环境污染与人 类健康等方面。 1 9 7 4 年，丹麦的p v n i k ；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。最近，n i l 蚴掣1 4 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。 美国麻省理工学院( 加t ) 开发了几个雷诺平均纳维一斯托克斯 r a n s 限e y n o l d sa v e m g e dn a 、，i 盯- s t o 哟方程模型( 如双层k 紊流模型和零方程 模型的c f d 程序) 和大涡模拟l e s ( l a 唱ee d d ys i i i l u l a t i ) 程序，用于模拟计算带 有置换通风的办公建筑室内空气流速和温度、进行建筑物能量分析和室内热环境 设计、评价建筑物自然通风效果、研究建筑材料的v o c 释放和室内空气品质问 趔15 1 韩国y o n s e iu n i v e r s i t y 的t a e y e o nk i m 等人【16 】利用c f d 软件模拟装有冷却 板系统的办公室的热环境及温度分布情况，并将其与现场测量值进行对比，发现 c f d 方法与现场测量值结果吻合情况较好。 日本东京大学的m a i a h a m i 旧利用低雷诺数k 吨湍流模型和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 l l y ab a y a s h i 等人【“j 利用 k 湍流模型，模拟存在污染源( 地板) 的室内( 如图1 1 ) 站立和仰卧两种状 态的人周围的污染物浓度的分布情况( 如图1 - 2 ) 。同时，他们也开发了用于人体 热舒适评价和室内空气品质评价的软件，并将p m v 、空气龄等指标的计算问题 编入c f d 软件f 1 9 】。 图卜1 房间模型 f 嘻l - 1 t h 坳i d i 眦璐i o n a lm o d e l 枷 北京工业大学工学硕士学位论文 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 i - 2 c o n c c n 仃面彻d i s 砸b i i t i o f o c c u p t ( s 咖d l n g a n ds l e 印h 啦 新加坡国立大学的s c s e k b _ a r ，h c w i l l 锄【2 0 】利用c f d 模拟了办公室( 如图 1 3 ) 的气流模型( 如图1 4 ) ，并将模拟值与测量值进行比较( 如图l - 5 ) ，证明 了污染物的扩散路径与空气供应量，热源的位置，空间设计及空气进出口的设置 等因素有密切联系。 图卜3 办公室的具体模型 f i g 1 31 1 i r d i m e 璐i o n a im o d e ir o h d mo f d f 疗 图卜4x y 轴平面上人体模型周围的气流分布情况 f 唔l _ 4a i r n o wd 过啊b m i o no f 山c c u p a n to nx j yp l o t 第l 章绪论 一| | | | 一 - _ 至三亘基e = 二曼受至耍口 。伸 柚u | ：k _ - 变三雯变二卫垂匦巫口 图卜5 空气速度的模拟值与测量值的比较 f i g 1 - 5 m p a 托w i m 廿1 圯s i m i l l 删v a j u c 锄dm e 硒l l r e d - v 山雎o f a j rv e l o c i l y 1 2 2 国内研究现状 我国对室内环境的研究刚刚起步，目前，国内只有少数几家科研机构和大专 院校做了一些有关室内环境方面的研究工作，但也主要是集中在对燃料燃烧、吸 烟等以及不同场所的v 0 c 的排放、室内装修及家具所带来的污染、室内环境污 染的治理与对人体的健康效应以及对氡的检测等几个方面的研究上。与国外相 比，在研究手段、研究广度和深度上及研究的系统性差距较大。因此，我国的室 内环境研究人员任重而道远。目前，我国将c f d 应用于室内空气方面的研究大 致分为三部分：室内通风状况及气流分布情况的研究、热舒适度( 温度场) 以及 污染物浓度的分布。 防化指挥工程学院的宋黎、柯佳雄【2 i 】等人采用基于r n gk - 湍流模型的 c f d 方法，模拟了通风模型房间内的气流运动和由固定点释放的示踪气体c 0 2 的 浓度分布。分析了送风速度和释放源位置对浓度场的影响( 如图1 6 ) 气流速度 场的模拟结果与文献中的流动显示实验结果比较吻合。 图1 - 6 释放源位置对浓度场的影响 f i 昏1 - 6t 1 1 ce t k to f 佗l e 笛i | l gs o u r l o a i o no nc m 心e 嘣o n 丘e i d 内蒙古科技大学张俊杰、任燕秋阻荆用c f d 模拟了不同通风方式和不同送 风速度下室内污染物的浓度分布。模拟和分析结果表明，适当的送风速度可以有 啦撩兰暑盅薹啦。 t毫jil毒 北京工业大学工学硕士学位论文 效的降低室内污染物的浓度；通风方式应与污染源的位置相适应( 如图1 7 ) ，异 侧送回风对污染物的排出比较有利。 z3 酗避 追童一善h ，黼度珥毳 图卜7 不同送风速度条件下房间中心平面( y = 1 5 m ) 的浓度场分布 f 培1 7 r h e 咖删i d i s 啊b 嘶伽o f c 曲n 叫s e c c i 彻o f v 舶n i r m u n d 盯d i f 断明t v e l o c n yo f s u p p l y h l gw - m d 湖南大学顾登峰田】结合某地下车库通风系统某一天的实测数据，根据地下车 库室内环境的特殊性建立数学模型，介绍采用计算流体力学软件f l i e 1 岬对地 下车库通风时的气流组织作数值模拟，对c 0 浓度场作进一步的模拟计算，并和 实测数据进行对比，发现数值模拟所得结果和该地下车库的实测数据较为吻合。 从而说明本文提出的用c f d 方法来模拟地下车库空间内污染物平均浓度的正确 性，为预测地下车库空间内污染物平均浓度，实现通风系统的实时控制提供了一 种较为简便、形象的方法。 浙江树人大学的闵剑青、徐梓斌伫4 l 基于k 吒模型、针对两种不同通风方案， 对内设污染源和集中热源的房间内的三维温度场以及污染物c 0 2 的浓度分布进 行了数值模拟分析。分析了不同通风模式，不同送风速度对室内温度场。污染物 浓度场分布的影响，通过对比温度效率和排污效率，得出具有较高空气品质、较 高的热舒适性、并具有较高的通风效率的通风模式。 图l - 8y = l m 温度、0 0 2 浓度分布 f i g 1 8a i r t e m p e r 砒u 传d i s 谢b 砸卸d c 0 2 帕 n h 嘶叩d 嘶b 嘣佣y = l m 屈伟筒1 应用f l u e n t 数值模拟法结合污染物检测评价法，模拟了某办公室 第1 章绪论 ( 如图1 - 9 ) 密闭若干小时和通风一定时间后，房间内污染物浓度场的变化。 图l - 9 办公室几何模型 f i g 1 - 9t h e - d i m s i c a lm o d e lm o m 自从1 9 7 4 年，丹麦的p v n i l s 皿首次将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嗍。但无论国内还是国外，目前还只 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【2 7 】 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 北京工业大学室内环境检测中心课题，由北京工业大学室内环境检测中心资 助。 1 3 2 课题的主要研究内容 本文主要研究内容包括： ( 1 ) 室内装饰装修板材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板材包j 花板和复合木地板中苯的释放规 律。 ( 2 ) 对某儿童房内苯的浓度场进行数值模拟。从时间、空间的不同角度反 映房间在先密闭后通风的情况下室内环境中苯的浓度随时间的变化规律。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 对放置净化器的儿童房进行进一步模拟，从而得到加入净化器后，房 间内苯的浓度分布情况。将净化器放置在房问不同位置，分别对其进行模拟，得 出净化器摆放位置的不同对净化效率的影响。 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 室内空气品质就是指室内空气质量的好坏，是空气温度、湿度、风速、洁净 度等空气指标的综合效应。衡量室内空气环境的主要参数有：温度、湿度、空气 速度与清洁度。其中清洁度是评价室内空气品质的指标。清洁度是指空气中的有 害物质，如二氧化碳、甲醛、可吸入颗粒、v o c 、细菌等的含量。 随着人们对室内空气品质认识的逐渐深入，对室内空气品质的评价也越来越 科学全面。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。 室内空气品质评价是对某个具体环境的各环境要素进行比较分析，分析其室 内空气质量的主要影响因素，预测其在一定时期内的变化趋势，评价其对人群工 作、生活的适宜程度，并提出经济可行的控制治理措施。室内空气品质评价的目 的在于：( 1 ) 掌握室内空气品质的状况及其变化趋势，以便展开室内污染的预测 工作；( 2 ) 评价室内空气污染对健康的影响，以及室内人员接受的程度，为制订 室内空气品质标准提供依据；( 3 ) 弄清污染源( 如建材、涂料等) 与室内空气品 质状况的关系，为建筑设计、卫生防疫、控制污染提供有力依据田l 。 我国是世界上第一个制定并颁布室内空气质量标准的国家。目前。我国在用 的室内空气方面的标准有室内空气质量标准、室内空气方法标准、室内环境材料 标准。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“g b 厂r1 8 8 8 3 2 0 0 2 室内空气质量标准”于2 0 0 3 年3 月1 日正式实施。该 标准与国家标准委员会以前发布的“g b 厂r5 0 3 2 5 2 0 0 1 民用建筑工程室内环境 污染控制规范”及l o 种室内装饰装修材料有害物质限量( g b l 8 5 8 0 2 0 0 l 弼b 1 8 5 8 8 2 0 0 l 及( m6 5 6 6 _ 2 0 0 1 ) 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 h b l ei - 2t h el i m i t a 6 0 no f c o m m o nc o n t a r l l m a l i o n si nt w os 州m d s g b 5 0 3 2 5 - 2 0 0 l 种类 g b ，r 1 8 8 8 3 - 2 2 i 类建筑 类建筑 氨( m 咖 o 2 00 5 00 2 0 北京工业大学工学硕士学位论文 甲醛( m g ，m 3 ) 0 0 80 1 2o 1 0 苯( m g ，m 0 0 9 o 0 90 1 1 t v o c ( m m 3 ) 0 5 00 ，6 00 6 0 氡( b q ，m 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嘲主观评价是通过对大量人群的调查统计，采用数 理统计的方法，将人们对室内空气质量的主观感受整理分析，建立起室内空气质 量的主观评价体系。客观评价法就是直接用室内污染物指标评价室内空气品质， 即选择有代表性的污染物作为评价指标，全面、公正地反映室内空气品质的状况 较为成熟的客观评价法有室内空气污染物的检测评价法和c f d 数值模拟法。污 染物检测评价法虽然非常直观，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。因此，用c f d 技术模拟室内任 意一点的污染物浓度已经越来越受到人们的青睐。 2 1 1 室内空气品质与舒适性 空气品质是描述空气质量好坏的概念，它是指空气的温度、湿度、气流速度、 洁净度等空气指标的综合效应舒适性是指人在温和环境中的热感觉，当感觉不 冷不热时，这个环境就是舒适的环境：反之当感觉到熟或者冷时，这个环境就是 不舒适的。人的健康、自身感觉及工作能力在很大程度上取决于室内的舒适状况。 换句话说，舒适性是人体对空气环境的满意程度，是人体对空气品质的主观反映 室内的气流直接影响室内的温度场、速度场和污染物的分布d 川，这些量关系到室 内人员的舒适感。随着人们生活水平的日益提高，如何创造舒适的室内环境越来 越受到人们的重视。 通过室内舒适性和空气品质的研究，可看出它们有着本质的、密切的联系 如影响舒适性的主要因素空气温、湿度影响着人对室内空气品质的感觉。丹 麦技术大学新的综合性研究证明【3 ”，感知的空气品质受到空气湿度和温度的强烈 影响实验表明：保持适当低的湿度以及全身热舒适性中所要求温度范围下限的 温度是有利的，这样可以减少病态建筑综合症的发生。气流组织形式不仅对舒适 性有作用，而且可提供高品质的室内空气。合理的空气流动有助于创造舒适的室 内环境，同时还能稀释室内空气中的污染物浓度，或及时排除室内污染物。较高 的洁净度，即污染物( 尘、菌、c 仉、n h 3 、氡、甲醛等) 对舒适性也有着至关重要 的影响，而且这种影响在一定程度上超出了温、湿度的影响。舒适性和空气品质 的研究往往是同对展开的。 第2 章 室内空气品质评价 2 。1 。2 室内空气品质与通风效率 室内通风或空气调节的意义主要体现在以下两个方面：( 1 ) 为室内人员提供 呼吸所需要的新鲜空气、稀释和去除室内气味、污染物，改善和维持良好的室内 空气品质。( 2 ) 除去室内的余热余湿，为室内人员创造舒适宜人的室内环境。随 着人们对室内空气品质要求的不断提高，通过通风来改善室内空气品质已成为一 个重要的手段。 通风效率( v 龃d i a l i e 伍c i c y ) 表示送风排除室内余热及有害物的迅速程 度，它从整体上反映一个通风系统新风的有效利用情况，是衡量通风系统有效性 的主要指标p 2 】，对保证室内空气品质满足舒适性要求有重要的使用价值。通风的 有效性主要是指：供给足够的新风量，恰当的送风量，理想的送排风布局。提高 一通风效率唧发挥通风有效性，既要注重新风的量，更要注重新风的质。合理确 定新风口的位置，采集高品质的新风，尽量减少或者消除新风处理、传递和扩散 中的污染。然而，在有关空气品质的研究中，国内大多数的工作是以整个房间为 控制体，忽略了通风效率与室内污染物浓度的关系。 在通风房间内，新风量和风口位置、送风特性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 2 2 计算流体力学简介 2 2 1 计算流体力学的基本概念 计算流体动力学是一门用数值计算方法直接求解流动主控方程以发现各种 流动现象规律的学科。简单地说，c f d 相当于“虚拟”地在计算机做实验，模拟仿 真实际的流体流动情况。其基本原理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，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布从而近似模拟流体 流动情况。c f d 可应用于对室内空气分布情况进行模拟和预测，从而得到房间内 速度、温度、湿度以及有害物浓度等物理量的详细分布情况。 c f d 的理论依据是：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，由它们 可以分别导出连续性方程、动量方程和能量方程，得到纳维尔一斯托克斯偏微分 方程组，简称为n s 方程组。n s 方程组是流体流动所必需遵守的普遍规律。在守 恒方程组基础上，加上反映流体流动特殊性质的数学模型( 如湍流模型、燃烧模 型、多相流模型等) 和边界条件、初始条件，构成封闭的方程组来数学描述特定 北京工业大学工学硕士学位论文 流场、流体的流动规律。 巫箬生+ 咖( p 伊) = 咖( r ，倒矿) + s ，鲫 ( 2 m d ， 。 i 一 r 2 1 、 式中，矿为微分方程的因变量，可以是1 ，u i ，t ，k ，m ，分别对应于连 续方程、分速度、能量守恒方程、湍流动能方程、湍流动能耗散率方程和气体组 分质量守恒方程；u 为速度矢量，耐s ；r 为扩散系数；s 。为广义源项。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m + 6 ( 2 - 2 ) 其中，口为离散方程的系数，9 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 m 伊l e 算法，求解离散所得代数方程组，即可获得流场的信息 2 2 2 计算流体力学的特点 c f d 的长处是适应性强、应用面广。首先，流动问题的控制方程一般是非 线性的，自编良多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，而用 c f d 方法则有可能找出满足工程需要的数值解；其次，可利用计算机进行各种 数值试验。再者，它不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活 性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实 条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。 但是，数值计算也有局限性 首先，采用数值模拟的人必须充分掌握有关紊流模拟、c f d 及相关的编程 方面的知识，层流现象的模拟已是十分可信的了，但对紊流的模拟还不够成熟， 这是由于紊流现象本身很复杂，到目前为止还有很多的性质没有确切的数学描 述。对现象的任何策略或假设都会影响到模拟的正确性； 其次，模拟的正确性十分依赖于所选择模型是否能准确的描述现象，如在模 拟过程中进行的网格划分、收敛的判定和欠松弛因子的选择： 第三，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： 第四，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： 第五，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。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， 第2 章室内空气品质评价 对使用人员的专业水平要求也较高【3 5 1 。 2 2 3 计算流体力学的工作步骤 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： ( 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 ( 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。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，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。 无论是流动问题、传热问题，还是污染物的运移问题，无论是稳态问题，还 是瞬态问题，其求解过程都可以用图2 1 表示。 2 2 4 计算流体力学的方法 c f d 数值求解方法主要有：有限差分法、有限单元法、边界元法以及有限分 析法。其中以有限差分法和有限单元法为主。有限差分法从微分方程出发，将计 算区域经过离散处理后，近似的用差分、差商来代替微分、微商，这样微分方程和 边界条件的求解就可以归纳为一个线形代数方程组的数值求解。室内的流场、温 度场和浓度场的数值模拟，几乎全部采用有限差分法。有限单元法汲取了有限差 分法中离散处理的内核，同时又继承了变分计算中选择试探函数并对求解区域积 分的合理方法。在有限单元法中，试探函数的定义和积分范围不是整个区域，而是 从区域中按实际需要划分的单元。经过比较发现对于边界形状较规则的研究区域 如矩形区域，二者模拟效果相同；而对于边界形状较复杂的区域，有限单元法模 拟效果更好。目前大多数的商用c f d 软件都采用的是有限单元法 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 5 常用的计算流体力学软件 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 m c s 、c f x 、s 1 a r _ c d 、f d i p 、f l u i n t 等多 种商用c f d 软件，这些均采用有限容积法p 7 】。本文选用f l u e n t 软件进行数值 模拟。 图z lc f d 数值求解过程 f j g - 2 1p r o c e 贷o f n 岫c f i c a ls o l u 石州t l lc f d 2 3f l u e n t 简介及解决流体问题的步骤 f l 嘲是由美国f l i e m 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 i j l 日盯是 第2 章室内空气品质评价 目前处于世界领先地位的c f d 软件之一，广泛用于模拟各种流体流动、传热、 燃烧和污染物运移等问题。 在f l i j e n t 5 0 以上的版本中，采用0 锄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 l l 三n t 软件求解问题的一般步骤包括以下几步【3 砌： ( 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 室内对流传质问题的数学描述 对流传质是在流体流动条件下所发生的传质过程。对流传质又称对流扩散， 指的是运动流体与固体壁面之间，或互不相溶的两种运动流体之间所发生的物质 传递过程。相对于分子传质，对流传质可以得到较高的传质速率。室内空气中污 染物的扩散就属于对流传质 2 4 1 与流动传质相关的流体物性 与对流传质相关的物性主要为分子扩散系数d ，它表示一种介质在另一种介 质中的扩散能力，其单位是肼2 j 。几种常见气体在空气中的分子扩散系数见表 2 2 。 表2 2 常见气体在空气中的分子扩散系数( t = oo c ) 1 a b i e2 - 2c 伍c i e n to f m o l e c u i ed i m 塔j o no f s 鲫ec o 咖o ng 凹 气体 d ( x 1 0 5 ) 气体 d ( x 1 0 5 ) 1 25 1 l s 0 2 1 0 3 n 21 3 2 n h 3 2 0 0 如1 7 8 h 2 0 2 2 0 c 0 2 1 3 8 h c l1 3 0 在室内空气质量监测中，气温变化一般在2 0 。c 范围内，热物性变化并不很 明显。因此，对大多数室内空气传热传质计算而言，可不考虑物性的变化，从而 北京工业大学工学硕士学位论文 使数值计算大大简化 描述室内空气的质量，需要引入一些状态参数。这些参数从物理性、化学性、 生物性和放射性的角度来衡量空气质量的优劣。空气温度、湿度、流速及新风量 等属于物理性参数，是空气调节的主要控制内容。其次，各种有害气体的浓度也 是室内空气质量检测的重要参数。应用c f d 技术的主要目的，就是通过对描述 上述参数的数理方程进行计算机模拟求解，来获得各参数在室内空间的分布以及 随时间的变化。 2 4 2 控制方程 量p 马空气甲硐罾仞扩散和热量扩散郡与仝气沉动有关。从c f d 的角厦采倪， 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，将空气流速记为矿= 7 + 谚+ w 云，即速度矢量用x 、y 、z 三个方向的分量u ，v 、冒来表示。流动与传质方程分别表示如下。 ( 1 ) 描述流体流动的方程 丝+ 竺+ 竺：o 连续性方程：靠砂出( 2 3 ) p 罢一妻+ 咖以g 融) + 擞 户尝一鲁胁融) + 缈 动量施p 尝一鲁协删 ( 2 - 4 ) 动量方程： d f 出 。 ( 2 4 ) 对占压土度土项0 力 ( 2 ) 描述有害物扩散的方程 筹酬。艄蝇 ( 2 5 ) 式中。 丝：塑+ 丝+ v 鲤+ w 丝 所a f苏却 玉 删9 = 警7 + 等了+ 害f矗倒 。z 咖旷：丝+ 宴+ 娑 出卵四 教学方程律立把来后为确定解必须给出定解条件。对于非定常问题，定 第2 章室内空气品质评价 解条件包括初始条件和边界条件。 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。所谓边界条件，是指在求解域的边界上所求解的变量或 其一阶导数随地点及时间变化的规律。只有给定了合理边界条件的问题，才可能 计算得出流场的解。因此，边界条件是使c f d 问题有定解的必要条件。 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。 ( 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 耦合问题与非耦合问题 当动量方程中包含的密度p 、粘度、体积力丑等与温度或浓度有关时，就 需要将动量方程、能量方程和浓度方程联合求解，成为耦合问题；反之，为非耦 合问题，可以先求解动量方程，再求解温度和浓度方程。在c f d 计算中，求解 藕合问题的方法是，将速度场和温度场( 浓度场) 进行轮流迭代求解，以使受温 度( 浓度) 影响的物性能够及时得到更新，最后同时得到收敛的速度场和温度场 ( 浓度场) 求解非耦合问题则相对简单，可先单独求解速度场，得到收敛的速 度场后再去解温度场和浓度场。 自然对流传质是典型的耦合问题。 2 5 确定室内空气参数场分布的数值计算方法 与分析求解最终以函数形式表示参数场分布的结果不同，数值求解最终给出 空间离散点上的各参数值。因此，数值计算首先涉及到的问题是几何区域和控制 方程的离散。同时还要涉及到插值格式和边界条件及源项的