（环境工程专业论文）室内燃烧源细微颗粒物的传输机理研究.pdf

摘要 室内燃烧源细微颗粒物的传输机理研究 摘要 室内空气污染成为当今环境研究领域关注的焦点问题，不仅仅是因为人们 在室内面临有害物质的更大的暴露危险，还因为室内污染有其自身的传输规律 和特征。本文设计并建立了模拟实验平台，运用高性能颗粒物测试分析仪，对 以蜡烛和香烟为代表的室内燃烧源产生的不同模态的细微颗粒浓度的动态变化 现象进行了研究。研究目的在于通过基础性的探索，揭示这类颗粒物的传输规 律，寻求有效除尘方式以改善室内空气质量。 本文首先建立了缩小尺度的模拟室，目的是在量化、可控参数条件下，测 量室内颗粒物的浓度、粒径分布特征及其时间序列，为分析室内环境下颗粒物 的传输机理提供有效数据。实验发现，室内颗粒物的演变是一个动态过程，其 粒径谱和浓度是不断变化的。在烟雾释放进入模拟室后，各粒径段内的蜡烛和 香烟颗粒物的数量都随时间的推移而持续地降低。同时，颗粒物的直径有增大 的趋势。它们的总数量浓度和质量都呈现近似于指数规律地衰减，香烟颗粒物 的衰减率比蜡烛颗粒物小得多。室内颗粒物衰减呈现的v 型曲线表明，1 0 0 n m 1 0 0 0 n m 范围内的亚微米颗粒物应当是除尘关注的重点对象，因为这些颗粒物 容易由纳米级颗粒物形成，却很难沉积。 以实验数据为基础，结合气溶胶动力学理论，建立了一个带高精度粒径分 辨率的室内颗粒物动力学模型。模型中包括了凝并、沉积和通风稀释机理，模 型巧妙引入了代表室内特征的几个参量，如面容比、室内雷诺数和空气换气率。 本文采用了三组不同粒径分布和初始浓度的实验来对模型进行验证。结果表明， 此模型预测的颗粒物的粒径谱演变、数量浓度衰减和数量中位径变化结果与实 验数据吻合良好。作者利用模型的模拟功能深入探讨了凝并与沉积对室内颗粒 物传输的具体影响。结果发现，对于高浓度的颗粒物，凝并的影响是最大的， 特别是对于1 0 0 n m 以内的超细微粒。相对凝并来说，当颗粒物的数量浓度比较 高时，表面沉积效应的影响并不大，但当数量浓度比较低时，忽略表面沉积效 应会导致预测的结果偏高。当面容比和雷诺数增大时，颗粒物的沉积加大。结 合模型模拟和气溶胶动力学计算，本文还对气溶胶颗粒物在室内的传输过程中 的各种因素进行了综合分析，从而解释了前面测试中出现的不同颗粒物衰减率 的本质原因，以及v 型衰减曲线的形成机制。 本文进一步利用计算流体力学技术对相邻室内之间的通风流动和颗粒物的 上海交通大学博士学位论文 扩散传输进行了模拟研究。模拟分为稳态和非稳态两种情况。通过稳态模拟分 析了两个相邻房间的气流和浓度分布状况。研究表明，污染物稀释率与平均浓 度有着反比的关系。随着空气换气率的增加，稀释率也同样增大。对于两个相 邻的室内空间，有源的模拟室内的稀释效率最高，这是由于通风将污染源捧放 的颗粒物带入了相邻通风的室内。通过非稳态模拟，本文分析了室内颗粒物的 动态传输过程，如烟羽随空气流动的逐步扩散、升高和倾斜的细节。 关键词：室内；颗粒物；传输；粒径谱；凝并；沉积；通风 s t u d yo nt r a n s p o r tm e c h a n i s m so ff l n e p a r t i c l e sf r o mi n d o o rc o m b u s t i o ns o u r c e s a b s t r a c t i n d o o ra i rp o u l i t i o nh a sb e e naf o c u s i n ga a v i r o n m a n ti s s u ec t w r e n t l y , n o to n l y b e c a u s ei n d i v i d u a l sa ”e n c o u n l e r e ds e r i o u se x p o s m - er i s ki n d o o r s b u ta l s ob e c a u s e i n d o o rp o l l u t i o nh a si t su n i q u et r a n s p o r tm e c h a n i m sa n dc h a r a c t e r i s t i c s i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rd e s i g n e da n ds e t u pam o d e l i n ge x p c r i m c n t a lc h a m b e r , w i l ht h eh i g h - p e r f o r m a n c ea e r o s o lm o n i t o r i n gi n s t n m a e n t , i n v e 砸g a t e dt h ed y n a m i cv a r i a t i o n so f c a n d l ea n dt o b a c c os m o k e p a r t i c l e c o n c e n t r a t i o n sw h i c h 雠c o n s i d e r e da s r e p r e s e n t a t i v eo fi n d o o rc o m b u s t i o ns o u “mo ff i n ep a r t i c l e s f o rd i f f e r e n td i a m e t e r m o d e s t h ea i mo f t h i sp a p e ri st h r o u g ht h eb a s i cr e s e m e ht or e v e a lt h et r a n s p o r tl a w o f i n d o o r p a r t i c l e s ，s e e ke f f i c i e n t w a y f o r d u s t r e m o v a l t o i m p r o v e i n d o o r a i r q u a l i t y ar e d u c e d - s c a l ec h a m b e rw a se s t a b l i s h e df i r s t l y , w i t l ia i mt o 咖时a s l 玳t h ep a r t i c l e c o n c e n t r a t i o n , t h es i z ed i s t r i b u t i o na n dt h et i m es e r i e sd a t aq u a n t i t a t i v e l yu n d e r w e l l - c o n t r o l l e dc o n d i t i o n s ，a n dt op r o v i d eq u a l i f i e dd a t af o ra n a l y z i n gt h et r a n s p o r t m e c h a n i s m so fi n d o o rp a r t i c l e s t h ee v o l u t i o no fi n d o o rp a r t i c l ew a sf o u n dt ob ea d y n a m i cp r o ( 鬻s si nt h e 叩c r i m 伽悟，w i t ht h es i z es p c c 恤a n dc o n c e n n a t i o n c h a n g i n gc o n l i n u o u s l y i tw & so b s c t v e dt h a tt h ep a r t i c l en u m t rw i t h i ne a c hs i z e i n t e r v a ld e c a y e dc o n t i n u o u s l y , a f t e rs m o k ew a se m i t t e di n t ot h ec h a m b e r a tt h e s a m et i m e ，t h ep a r t i c l ed i a m e t e rh a dag r o w i n gt e n d e n c y t h ed e c a yo ft h et o t a l n u m b e ra n dm a s sc o n c e n t r a t i o n sw c i eb o t hi nn e a r l ya l le x p o n e n t i a lw 姒a n dt h e d e c a yr a mo ft o b a c c op a r t i c l e sw s se v i d e n t l ys l o w e rt h a nt h a to ft h ec a n d l es m o k e p a r t i c l e s t h ed e c a yc u r v eo f t h e v ”s h a p ei n d i c a t e dt h a t , t h o s ep a r t i c l e sw i t h i nt l m d i a m e t e rr a n g eo f1 0 0 n m 1 0 0 0 n m , s h o u l db el u c yp a i d “【t e n n t of o rp a r t i c l e i m n o v a l ，s i ct h e yw 哪n o te a s i l yd e p o s i t e db u tw e e & s i l yf o r m e d f r o m n a n o - p a r t i c l e s b a s e d0 1 1t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h et h e o r yo fa e r o s o l d y n a m i c s ，a h i g h - r e s o l u t i o ns i z e - s p e c i f i ci n d o o rp a r t i c l ed y m m i cm o d e lw a se s t a b l i s h e d ，w h i c h c o m p r i s e d t h em e c h a n i s m so fc o a g u l a t i o n d e p o s i t i o na n dv e n t i l a t i o n s o m e p a r a m e l e mo f i n d o o ra t t r i b u t e s ，s u c ha st h er a t i oo f a r e at ov o h u n e ，i n d o o rr e y n o l d s n u m b e ra n da i re x c h a n g er 山巴- f e s k i l l f u l l yi n m x l u c c dt ot h em o d e l t h em o d e l 上海交通大学博士学位论文 w a sv a l i d a t e db yt l l r c e g r o u p so fe x p e r i m e n t a ld a t aw i t hd i f f e r e n ti n i t i a ls i z e d i s t r i b u f i o i l sa n dc o n c c b k r j f l i o n $ i tw a sf i u n dt h a tt h em o d e lp r e d i c l i o b sa 哪e dw a l l w i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si nt h ep a r t i c l es i z es p e c t r u me v o l u t i o n ，n u m b e rd e c a y a n dc o u n tm e d i a nd i a m e t e rv a r i a t i o r s w j t l lt h ep o w e r f u if u n c t i o no f t h em o d e l t h e a u t h o rf u r t h e rd i s c u s s e dt h ei m p a c to f c o a g u l a t i o na n dd e p o s i t i o no ni n d o o rp a r t i c l e d i s p e r s i o n mr e s u l t si l l u s t r a t e dt h a tf b rh i g l lc o n c e n t r a t i o np a r t i c l e s ，c o a g u l a t i o ni s t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r , e s p e c i a l l yf o ru l t r a f i n ep a r t i c l e s 、“t l id i a m e t e rs m a l l e r t h a nl o o n m c o m p a r i n gt oc o a g u l a t i o n , s u r f a c ed e p o s i t i o nh a dl i t t l ee f f e c to n c o n c e n t r a t i o nc h a n g ef 醅h i g hc o n c e n t r a t i o np a r t i c l e s ，b u ti fi tw a si g n o r e df o rl o w c o n c e n t r a t i o np a r t i c l e s ，t h ep r e d i c t e dr e s u l t st e n d e dt ob eal i t t l eh i g b ns u r f a c e d e p o s i t i o nw o d db ee n h a n c e di ft h ev a l u eo ft h er a t i oo ft h ea t o l lt ov o l t a n ea n d i b d i ) o rr e y n o l d sn u m b e ri n c r e a s e d c o m b i n e dt h em o d e ls i m u l a t i o nw i t ht h ea e r o s o l d y n a m i cc o m p u t a t i o n , t h ef a c t o r sa f f e c t i n gp a r t i c l et r a n s p o r tc o u l db ea n a l y z e d s y n t h e t i c a l l y f r o mt h i sa n a l y s i st h er c a s o l l so ft h ed i f f e r e n td e c a yr a t e sa n dt h e “v ” s h a p ed e c a yo u r v em e n t i o n e dp m 、，i o u s l yc o u l db ee x p l a i n e d w i t ht h et e c h n i q t o f c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c st h ea u d l o rl c i t h c ts t u d i e dt h e v e n t i l a t i o nf l o wa n dp a r t i c l ed i f f u s i o nb c l w c e nc o n j o i n tc h a l n b e r $ n s i m u l a t i o n i n c l u d e db o t h s t e a d y a n d u n s t e a d yc a s e s t h ef l o wf i e l d a n dc o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o nw e r ea n a l y z e di nt h es t e a d yc a s e t h ep o l l u t i o nd i l u t i o nr a t ew a sf o u n d t 0b ei na l li n v e r s ep m p o t i o nt ot h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o n w i t ht h ei n c r e a s eo fa i r e x c h a n g er a t e t h ed i l u t i o nr a t ei n c r e a s e dt o o n 峙1 1 i g h e s td i l u t i o nr a t ew a sf o u n di n t h ec h a m b e rw b 觑弓t h ep a r t i c l es o u i ew a sl o c a t e df o rt h et w oc o n n e c t e de h a l l l b e r s s i n c ep a r t i c l e si nt h es o l l r c ec h a m b e rw c r et r a n s p o r t e dt ot h eo t h e rb yv e n t i l a t i o n t h r o u g ht h eu n s t e a d ym o d e l i n gt h ed y n a m i ct r a n s p o r tp r o c e s s e so ft h ei n d o o r p a r t i c l ew e r ea n a l y z e d , s u c h 淞t h ed e t a i l so ft h ep a r t i c l ep l u m ed i s p c r s o n , r i s i n g 。 a n di n c l i n e k e y w o r d s ：i n d o o r ：p a r t i c l e ：t r a n s p o r t ；p a r t i c l es i z es p e c t r u m ；c o a g u l a t i o n ； d e p o s i t i o n ；v e n t i l a t i o n 符号与缩写 符号缩写 a e r c f d c m d c p c d m a d n s e t s g d e g s d h v a c l a q i 帕 u 三s m 帅 n a a p m r h s b s s m 旷s t v 符号与缩写 英文全称 a i r e x c h a n g e h i 扯 c o m p w a t i o n a lf l u i d 由m k c o u n tm e d i a nd i a m e t e r c o n d e n s a t i o np a r t i c l ec o u n t e f d i f f e r e n t i a lm o b i l i t y a i y m d i r e c tn u j - 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。随 着汽车、工业和家庭污染排放的增加和城市人口的膨胀，这一数字还会增大。 空气污染是指有人类活动或自然过程引起的某些物质进入空气中，呈现足够的 浓度、持续足够的时间并因此危害了人体的舒适、健康或危害了环境【j - 0 3 城市中影响健康的主要污染物是s o x 、n o x 、悬浮颗粒物、c o 、v o c x 、 0 3 以及其它如p b 和h g 等重金属污染物 2 1 。空气污染物的出现与能源的使用有 紧密的联系。在2 0 世纪六十年代以前，工业化国家大多采用煤为主要能源，因 此空气污染的类型主要属于以烟尘和s 0 2 为主的煤烟型污染，1 9 5 2 年的伦敦烟 雾事件就是典型的煤烟型污染。随着石油在能源中的比重剧增和机动车的发展， 以n o x 和0 3 污染物为主的光化学烟雾逐渐成为环境热点，这种烟雾首先在美 国洛杉矶被发现，又被称为洛杉矶烟雾1 1 1 。 近年来，包括大型百货商店、学校教室、办公室、居民现代住宅以及汽车 等在内的室内空气质量( i n d o o ra i rq u a l i t y ，n q ) 引发的诸如病态建筑综合 症( $ i c k b u i l d i n gs y n d r o m e , s b s ) 等问题成为了关注的焦点1 “。据调查，一 个人平均有近9 0 的时间都是处于室内环境中l l ”，因此受到室内空气污染的威 胁要大于室外。研究表明1 9 1 ”，室内空气的平均污染程度要比室外严重。在 特殊情况下甚至可达到一百倍。因此室内空气污染也被认为是继“煤烟型和“光 化学烟雾”后的第三代空气污染 1 2 室内空气污染的特征及主要污染源 室内环境污染物来源广泛，种类繁多，各种污染物对人体的危害程度是不 同的；另外，作为现代人生活工作的主要场所一室内环境，在现代的建筑设计 中越来越多的考虑能耗的经济性。室内与外界的通风换气是比较少的，在这种 情况下室内和室外就变成两个相对不同的环境，因此室内环境污染有自身的特 点，主要表现在以下几个方面j ： n 影响范围广，室内环境污染不同于特定的工矿企业环境，它包括居室环境、 办公室环境、交通工具内环境、娱乐场所、医院疗养院环境等，故所涉及 的人群数量大，几乎包括了整个年龄组； 上海交通大学博士学位论文 2 1 接触时间长，人一生中至少有一半的时间是完全在室内度过的，当人们长 期暴露在有污染的室内环境中时，污染物对人体的作用时间也相应很长： 3 ) 污染物浓度高，很多室内环境特别是刚刚装修完毕的环境，从各种装修材 料中释放出来的污染物浓度均很大，并且在通风换气不充分的条件下污染 物不能排放到室外，大量的污染物长期滞留在室内，使得室内污染物浓度 很高，严重时室内污染物浓度可超过室外的几十倍之多； 4 ) 污染物种类多，如表i l ，有物理污染、化学污染、生物污染、放射性污 染等，特别是化学污染，其中不仅有无机物污染如氮氧化物、硫氧化物、 碳氧化物等，还有更为复杂的有机物污染，其种类可达到上千种，并且这 些污染物又可以重新发生作用产生新的污染物； 5 1 污染物排放周期长，对于从装修材料中排放出来的污染物如甲醛，尽管在 通风充足的条件下，它还是能不停的从材料孔隙中释放出来。有研究表明 甲醛的释放可达十几年之久，而对于放射性污染其发生危害作用的时间可 能更长； 6 ) 危害表现时间不一，有的污染物在短期内就可对人体产生极大的危害，而 有的则潜伏期很长，比如对于放射性污染，有的潜伏期可达到几十年之久， 直到人死亡都没有表现出来 表1 1 室内主要的污染物厦其排放源吲 t a b l e1 - 1m a j o ri n d o o rp o l l u t a n t sm i de m i s s i o n $ o t l l 9 8 瞄】 表l l 列出了室内主要的污染物和相关捧放源，其中可以看出。虽然来自 室外空气的污染物也是室内污染物的主要来源之一，但是，更多的室内污染物 2 第一章绪论 来自于室内环境条件下，如建筑装饰材料，吸烟等。 鉴于室内空气污染问题的严重性，我国建立了代号为g b t1 8 8 8 3 2 0 0 2 的 室内空气质量标准如表1 2 。并于2 0 0 3 年开始正式实行。 表i 一2 室内空气质量标准 参数类别参数单位标准值备注 1 3 颗粒物污染及室内外颗粒物污染的关系 1 3 i 颗粒物污染现状 颗粒物是空气污染物中重要的一类，自然界和人类活动都会产生颗粒物( 图 1 1 ) ，但工业活动燃煤和燃油产生的颗粒物具有更大的毒害性。按照颗粒物空 气动力学直径的大小，通常将其分为总悬浮颗粒物( t s p ，d p 1 0 0 t t r n ) 、p m i o ( d p q 0 “r a ) 、p m 2 5 ( d p 2 5 岫) 、亚微米颗粒物( d p 1 0 1 t m ) 以及超细颗粒 物( d p 2 p m ) ，但目前各种模态的粒径范围并没有统一的界 定。如图2 - - 2 是一个典型的内燃机颗粒物的粒径分布图1 1 4 t l ，其中的实线和虚 线分别表示数量浓度分布和质量浓度分布。从这里看到，核模态的颗粒物在数 量上占据绝大部分，积聚态的微粒则对质量上的贡献最大，粗粒子态的颗粒物 在数量上微乎其微，但也占有一定比例的质量 本文的研究对象为室内颗粒物，在继承传统的分类方法基础上，又考虑颗 粒物的环境健康效应，同时兼顾实际测量的可行性，本文借鉴n a z a r o o l j 的定 义方法，稍有不同的是将2 i n n 用2 5 1 a n 取代，这是因为2 5 t i m 是环境标准之一， 同时现行的测量仪器有2 5 p m 的切割采样头具体的分类方法如表2 2 袁2 2 室内颗粒物的模态属性h 1 】 t a n c2 - 2a t t r i b u t e so f i n d o o rp a n i c l e l d e s l 4 1 1 类型直径 典型室内源成分 超细微粒 1 0 时属于自由分子区， l ( i ；o 3 1 0 时属过渡区，k 。卸3 属于滑动区；k 娜1 时属连续区。而k 数 与d ，问的近似关系见表2 - - 3 。 表2 3k 教与d 近似关系 ! 生型型! ! 些堡! 型竺! 垦竺! 生 名称 自由分子区 粒径范围 过渡区滑动区连续区 另一个标志粒子在气体中的运动的重要参数是粒子雷诺数( r * ) ，其表达 式为： = 掣 ( 式2 一1 1 ) 与流体流动时的雷诺数的大数值相反，气体介质中的粒子雷诺数典型地小 于0 1 施密特数是衡量粒子的扩散度与气体粘性系数和密度的关系的准数，其表 达式为： 上海交通大学博士学位论文 疋2 参 ( 式2 1 2 ) 当数增加到一定程度，布朗扩散相对于粒子由于对流传质就可以忽略了 2 3 2 颗粒物的曳力与阻力公式 流体与固体颗粒之间有相对运动时，将发生动量传递。颗粒表面对流体有 阻力，流体则对颗粒表面有曳力阻力与曳力是一对作用力与反作用力 由于颗粒表面几何形状和流体绕颗粒流动的流场这两个方面的复杂性流 体与颗粒表面之间的动量传递规律远比在固体壁面上要复杂得多。 流体与颗粒物之间典型 的流动为爬流，其特征是来 流速度很小，流动很缓慢，圈睁 颗粒迎流面与背流面的流线 对称，如图2 5 所示。 在球坐标系中用连续 图2 5 典型的爬泷 性方程和n s 方程可得到颗 f 嘻2 。5 l 、, p i c a lc r e e p i n gf l 。” 粒周围流体中剪应力k 和静压强p 的分布图2 - - 6 ： 白= 三2 丝r 例k r ) s i n 口( 式2 1 3 ) p = 岛一脬一等阱c 础 ( 式2 1 4 ) 式中的p 0 为来流压力 流体对单位面积球体表面的曳力( 表 面摩擦应力) 为： l = 嘞h = 一互3 百z u s i n o 钿在：轴的分量为： 田2 6 球形坐标中的颗粒物 f i g 2 - 6 a p a r t i c l e i n as p h e r i c a l c o o r d i n a t e s 苎三童墅垫塑些薹查堕丝墨塾垄兰曼墨一 r , , , c o s ( o + j r 2 ) = r , a s i n o ( 式2 1 6 ) 所以整个球体表面摩擦曳力在流动方向上的分量c 为- e 也被称为表面曳力 流体静压强对整个球体表面的作用力在流动方向上的分量为 ( 式2 - - 1 7 ) e = f f ( 一c o s 0 p i ，。) r 2 s i n o d o = r a r 一- 一硝嘲口立2 丝r 一“ r z s i n o c o s 舢c 式：一- s ， ：；，r 置p g + 2 a r p r u 从上式可以看出，f 。由浮力和形体曳力组成 流体流动时颗粒物表面的总曳力为摩擦曳力与形体曳力之和： f j = f ，+ ，p = 4 础搿+ 2 7 训j 陆= 3 ，日喀 ( 式2 1 9 ) 上式就是著名的斯托克斯( s t o k 船) 定律 需要指出的是，严格说只有在r _ = 历卅+ 吉而m 一) 】 甩”， 凡；