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浙江大学硕士学位论文 室内空气污染物排放过程数值模拟 摘要 人的一生中至少有8 0 以上的时叫是在室内环境中度过的，室内环境对人们 的身体健康及工作效率有极大影响。目日f 城市地区普遍存在较为严重的室内空气 污染问题。自然通风方法驱除室内空气污染物效果好、能耗低，丁f 日益受到重视。 数值模拟方法尤其是大涡模拟省时省力，可对自然通风过程进行较为准确的模 拟，已被用于对自然通风的研究。目前尚缺乏对整套住宅整体自然通风的大涡模 拟研究，此类过程中污染物排放的具体规律尚未被完全认识。 本文采用大涡模拟方法针对整套住宅，对其在不同条件下的自然通风及室内 空气污染物排放过程进行了数值模拟，得到了详细的流场和污染物浓度场数据。 对计算结果的分析表明：自然通风时流场中的大尺度涡是污染物积存的主要区 域：不同的房间布置产生不同的流场，从而影响换气效果，多开口房间污染物稀 释速度为单开口房间的4 1 0 倍，将单开口房间变为多开口房间，减小、破坏多丌 口房间回流区可有效提高换气效果；一般情况下污染物排放速度与外界风速成正 比；污染物排放主要受对流影响，扩散影响可以忽略，因而不同污染物具有极为 相似的排放规律；室外污染物浓度变化时，室内外污染物相对浓度差的变化过程 是相似的。这些结论对于自然通l x l 研究有一定参考价值，可用于指导实际建筑通 风方式的设计工作。 关键词：住宅；室内空气污染；数值计算；三维；大涡模拟；自然通风：甲醛 浙江大学顺十学位论文 n u m e i u c a ls i m u l a t i o no fi n d o o ra i r p o l l u t a n td i l u t i o n a b s t r a c t p e o p l es p e n dm o r et h a n8 0 o f t h e i rt i m ei n d o o r s b u i l d i n ge n v i r o n m e n th a sg r e a te f f e c to n p e o p l e sh e a l t h i n e s sa n dw o r ke f f i c i e n c y t h ei n d o o ra i rp o l l u t i o nh a sb e c o m eab i gp r o b l e mi n m o s tc i t i e s n a t u r a lv e n t i l a t i o n ，w h i c hc a np r o v i d eo c c u p a n t sg o o di n d o o ra i rq u a l i t ya n dr e d u c e e n e r g yc o s t s ，i sa t t r a c t i n gc o n s i d e r a b l ei n t e r e s t sf r o md e s i g n e r s c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) ，e s p e c i a l l yl a r g ee d d ys i m u l a t i o n ( l e s ) ，i sb e c o m i n gp o p u l a rd u et oi t si n f o r m a t i v er e s u l t s a n d l o wc o s t so f l a b o ra n de q u i p m e n t l e ss i m u l a t i o no f n a t u r a lv e n t i l a t i o na n dd i l m i o no f i n d o o r a i rp o l l u t a n ti nw h o l eb u i l d i n gt h a tc o n t a i n ss e v e r a lr o o m si ss t i l ls c a n t y i nt h i sp a p e r , l a r g e e d d ys i m u l a t i o ni su s e dt os i m u l a t et h ep r o c e s so ft h ed i l u t i o no fi n d o o r a i rp o l l u t a n tw i t hn a t u r ev e n t i l a t i o ni na na p a r t m e n ti nas e r i e so fc o n d i t i o n s t h en u m e r i c a l s i m u l a t i n gr e s u l t ss h o w ：i nv e n t i l a t i o np r o c e s s ，t h el a r g es c a l ev o r t e xi nt h ef l o wf i e l dc o n t a i n s m o s to fp o l l u t a n t ；r o o m so fd i f f e r e n tc o n f o r m a t i o nr e s u l t st od i f f e r e n tf l u i df i e l da n dp o l l u t a n t m o v e m e n t t h es p e e do fd i l u t i o no fi n d o o ra i rp o l l u t a n ti nm u l t i - h a t c hr o o m si s4 10t i m e sm o r e t h a ns i n g l e h a t c hr o o m s ，a n dt h es o u n dl a y o u tc a nb e n e f i tt h ef l o wf i e l dt oa c c e l e r a t et h ed i l u t i o n a n dd i s c h a r g i n go fi n d o o ra i rp o l l u t a n t ；c o m m o n l y , s p e e do fp o l l u t a n td i l u t i n gi n c r e a s e sw i t h o u t d o o rw i n ds p e e d ；c o n v e c t i o nh a sm u c hm o r ei n f l u e n c eo nd i l a t i o no fp o l l u t a n tt h a nd i f f u s i o n ， s ot h ed i l u t i o nl a w s o fd i f f e r e n tp o l l u t a n ta r ei d e n t i c a l ；t h ec h a n g i n gp r o c e s s e so fr e l a t i v e c o n c e n t r a t i o nd i f f e r e n c eo fp o l l u t a n ta r cs a m ew h e no u t d o o rp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o ni sc h a n g e d t h e s ec o n c l u s i o n sc a nb eu s e dt og u i d et h ed e s i g no f b u i l d i n gv e n t i l a t i o n k e y w o r d s ：b u i l d i n g ；i n d o o ra i rp o l l u t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；3 - d ；l a r g ee d d ys i m u l a t i o n n a t u r ev e n t i l a t i o n ；f o r m a l d e h y d e i i 浙江大学坝l 学位论文 第一章绪论 1 1 本文的应用背景 继“煤烟型”、“光化学烟雾型”污染后，现代社会正进入以“室内空气污染” 为标志的第三污染时期 1 。 据统计，人的一生中至少有8 0 以上的时间是在室内环境中度过的，仅有 低于5 的时间在室外，而其余时问则处于两者之问。生活在城市中一些行动不 便的人以及老人、婴儿等则有可能有高达9 5 的时间是在室内生活( 表1 1 ) 【2 。 区域职业男性职业女性家庭妇女 居室环境1 3 4 ( 5 6 ) 1 5 4 ( 6 4 ) 2 0 5 9 ( 8 5 ) 工作场所 6 7 ( 2 8 )5 2 ( 2 2 )0 ( o ) 其它建筑物内1 6 ( 7 )1 8 ( 7 呦2 1 ( 9 ) 过渡区域1 6 ( 7 ) 1 3 ( 5 )1 0 ( 4 ) 室外环境 0 7 ( 3 )0 3 ( 1 )1 4 ( 2 ) 表1 1 成年人在一些区域度过的平均时间( 小时，日) 及百分t e l 2 l 随着空调设各的普及以及建筑物节能技术的广泛应用，居室密封性越来越 高，室内外空气交换量变少。如果在室内存在污染源，其释放出的气念污染物很 容易不断聚集而长时间维持较高浓度。长期在此种环境下生活和工作将产生不适 感，症状最多的是头疼、胸闷、易疲劳、烦躁、粘膜刺激、过敏性皮炎、哮喘等。 1 9 8 5 年世界卫生组织将这些现象称为“建筑物综合症”或“写字楼综合症” ( s i c k b u i l d i n g s y n d r o m e ) 。 目前城市写字楼和家庭中的空气污染物主要来自于建筑装饰材料和家具中。 广泛使用的各种建筑装饰材料和家具中往往不同程度的含有挥发性有机物 ( v o c s ) 如有机溶剂、甲醛、苯、氯化烃等毒性有机物，这些有机物逐会渐挥 发，其过程往往可持续数年。 出国家质量监督检验检疫局、卫生部和国家环保局联合制定并发布的室内 空气质量标准，是我国第一部室内空气质量标准，2 0 0 2 年1 1 月1 9 同发布，2 0 0 3 浙江大学顾士学位论文 年3 月1 日实施。其中对各种污染物含量均做了相关规定( 表1 - - 2 ) 。 污染物单位标准值备注 二氧化硫s 0 2m g m 3 o 5 01 h 均值 二氧化氮n 0 2m g m 3 0 2 41 h 均值 一氧化碳c om g m 3 1 01 h 均值 二氧化碳c 0 2 o 1 0r 平均值 氨n h 3m g m o 2 0l h 均值 臭氧0 3m g m 3 o 1 6l h 均值 甲醛h c h o m g m 3 o 1 01 h 均值 苯c 6 h 6m g m 3 0 1 11 h 均值 甲苯c 7 h 8m g m 3 o - 2 01 h 均值 二甲苯c 8 h 1 0m g m 3 o 2 0l h 均值 苯并 a 芘b ( a ) pn g l n 3 1 0日均值 可吸入颗粒p m l o m g m 。 0 1 5日均值 总挥发性有机物 m g m 0 6 08 h 均值 t v o c 表i - 2 主要室内空气污染物浓度控制指标 各项调查表明目前我国室内空气污染问题较为严重，大部分住宅尤其是新装 修后的住宅室内空气污染物含量普遍超标( 表1 3 ) 。 1 2 自然通风方法控制室内空气污染物及其研究方法 由于污染物持续数年不断的散发，在封闭房间内经常会积聚较高浓度的污染 物。为降低室内空气污染物浓度，需要不断的依靠自然通风或是强制通风将外界 较清洁空气引入室内以将室内的污染物稀释、排出。由于空调、排风扇等换气设 备普遍存在通风量小、能耗较高等问题，目前大多数建筑驱除室内空气污染物仍 主要依靠定期开窗自然通风的方法。研究表明，较之空调等通风手段，人们在自 然通风时可以适应更大的温度变化范围。因此，除了提供更好的室内空气质量外， 自然通风方法还能节约能源上的开支，这一观念在建筑设计领域已经越来越受到 重视 9 】。对自然通风方法驱除室内空气污染物的过程进行研究，掌握自然通风 2 浙江大学坝上学位论义 方法的规律、特点，这一工作对建筑设计、房问布置等工作具有重要的指导价值。 研究自然通风主要有三种方法：分析方法、实验方法和计算流体力学( c f d ) 研究调查地所调查污染物及其 实测污染物浓度范围或平均浓度( m m 3 ) 者 占 国家标准 t 直( m g m 3 ) 郝俊长沙市甲醛0 1 0o 1 0 5 7 红等内七套氨o 2 00 2 0 7 5 【3 住宅 苯0 1 1o o 1 2 甲苯0 2 0 0 o 2 龚幸北大园总挥发性有机物教工及学生住所：o 2 2 2 ，0 姬等 瞰 ( t v o c ) 0 6 0食掌、书库、舞厅等： 0 2 8 0 9 6 4 打字室、激光照排室、计算机室o 2 7 1 3 0 戴天北京、甲醛0 1 0装修后：0 1 2 4 有等深圳的装修五天后：2 。4 5 】住宅及装修一个月后：o 8 7 办公室装修六个月后：o 2 5 装修一年后：0 0 8 7 王桂某办公甲醛0 1 00 8 5 0 9 6 芳等 宫 苯0 1 10 4 2 o 5 6 【6 】甲苯o 2 0 0 5 8 0 9 1 乙苯o 1 0 0 1 2 二甲苯o 2 0 0 1 0 0 1 2 李延甲醛0 1 0装修半年后：0 1 7 0 红等2 3 年后：o 0 7 1 7 】 王伯广州市苯系物宾馆0 1 2 光等居室0 0 9 3 【8 餐厅o 3 4 图书馆0 1 0 大型商业城0 3 3 浙江大学硕 学位论文 表1 3 国内部分城市室内空气污染物现状 方法。 ( 1 ) 分析方法 目前常用的分析方法有两种：经验公式法和节点分析法。 a ) 经验公式法：将室内外温差、风速以及一些经验参数代入公式得到空 气流量。由于计算量小，这一方法在建筑设计中得到了广泛应用。但 这些经验参数是针对某些特定建筑在特定条件条件下得到的 1 0 1 ，很 难与实际应用条件完全相符，因此该方法适用范围小且难以得到准 确、详细的流动、通风情况。 b ) 多区域分析法：将建筑物简化为若干物性均匀的区域进行分析。较之 经验公式法，多区域分析法可提供较为详细的气流信息。常用的多区 域分析法有e s p 法 11 、a i r n e t 法 1 2 】、c o n t a m 法 1 3 1 、c o m i s 法 1 4 、p a s s p o r t - a i r 法 1 5 】等。这些方法简化较多，需要引入一些经 验值，如压力损失系数等，而这些经验值随房间布置、外界环境的不 同变化很大，难以制定统一的标准。 ( 2 ) 实验方法 实验方法可分为三种：缩比试验法、风洞试验法和全尺寸模型试验法。 a ) 缩比试验法：用水或其他气体模拟空气流动。由于所用工质与空气的 粘性差异，可以在模型尺寸小于实际房间尺寸的情况下保持与实际情 况相同的格拉晓夫数。这一方法可以用较低的花费对各项因素对自然 通风的影响进行试验并得到详细的流场。然而，该方法难以模拟热源 类型、房间开口、外界条件的变化 1 6 1 。另外，由于实验工质与空。i 的普朗特数不同，缩比模型法得到的流动结果有时会与实际房间内测 得结果不符【1 7 。 b ) 风洞试验法：目前已广泛应用于建筑物外部流场和室外空气质量的研 究。由于风洞内可产生很高的流速，因此可以采用较小尺寸的模型而 保持与实际情况相同的雷诺数。该方法可以对不同的流速、压力等流 动特征值进行研究 1 8 1 9 。然而，风洞试验法存在以下问题：风洞调 节范围有限，仅能模拟少量的工况；流场测量仪器容易干扰流场而导 浙江大学坝j ：学位论文 致误差【2 0 ；难以模拟诸如风向等流动特征的变化 2 1 】 2 2 ；费时费力， 难以推广应用。 c ) 全尺寸模型试验法：采用1 ：1 尺寸的模型进行试验，可以保证各项参 数与实际条件相同，从而可以克服缩比法和风洞法在模拟精度上的不 足，得到真实的气流信息。k a t a y a r n a 2 3 、d a s e a l a k i 2 4 、f e r n a n d e z 年f i b a i l e y 2 5 采用实际尺寸模型对自然通风进行了研究。显然，浚方法 费时费力尤甚于风洞实验，目前仅能用于校验数值计算结果和推导经 验公式。 ( 3 ) 计算流体力学( c f d ) 方法 由于湍流模型理论和计算机技术的发展，目前计算流体力学方法( c f d ) 已 能够以较小的花费在较短的时间内得到详细的流场情况，在工程领域得到了广泛 的应用。按不同的湍流数值模拟方法可将其划分为以下三种：直接数值模拟法 ( d n s ) 、r e y n o l d s 平均法( r a n s ) 和大涡模拟方法( l e s ) 。 a ) 直接数值模拟：直接求解n s 方程，不用对湍流作任何简化或近似， 理论上可以得到相对准确的计算结果。直接模拟需要采用非常细的网 格以捕捉小涡，这就导致了网格数量的增加。对于一个小房间内的自 然通风流动，直接数值模拟需要l o “数量级的网格，而目前的大型计 算机仅能处理1 0 8 数量级的网格。显然，目前尚无法用直接数值模拟方 法模拟自然通风过程。 b ) 大涡模拟：介于直接数值模拟和雷诺平均法之间，用瞬时n s 方程直 接模拟湍流中的大尺度涡，不直接模拟小尺度涡，而是将小涡对大涡 的影响通过近似的模型来考虑。该方法对计算机内存及c p u 速度的要 求仍比较高但低于直接模拟方法。 c ) r e y n o l d s 平均法：对纳维尔一斯托克斯方程中的雷诺应力项作出某些 假定，将湍流脉动值与时均值联系起来，从而得到时均化的雷诺方程。 该方法计算量较小，是目前工程应用最为广泛的。+ 种方法。不同的雷 诺应力假定对计算结果影响很大而适用于不同的情况，容易产生误 筹。 浙江大学倾+ 学位论文 1 3 计算流体力学方法在自然通风研究中的应用 由于具有省时省力、结果详细等优点，计算流体力学方法已被大量用于自然 通风的研究。如上文所述，对自然通风问题，目前可以采用的数值方法主要是大 涡模拟法和雷诺平均法。由于自然通风往往具有高雷诺数、强旋流、非定常的特 点，需要对这些方法进行分析比较。 ( 1 ) 雷诺平均法研究自然通风存在一些问题 首先，用雷诺模型计算出的建筑物内、外部流场不够准确。c h e n 2 6 用五种 不同的x e 模型计算室内空气流动，发现它们均不能反映室内的旋流和二次回 流；l a k e h a l 和r o d i 2 7 用不同的雷诺模型计算了立方体外的稳态流场，发现大多 数雷诺模型无法计算出顶部的气流分离区，而且所有模型都高估了建筑后方的回 流区。g i a n l u c a 和d u r b i n 2 8 用雷诺方法计算了该立方体外的非稳态流场，发现其 模拟结果尽管优于稳态模拟结果，但还是将建筑物后方回流区范围高估了约2 0 ，且仍然无法计算出建筑物顶部的边界层分离现象。s h u r 2 9 用非稳态雷诺模 型对圆柱绕流进行了计算，阻力系数比实验结果高4 0 。s p a l a r t 3 0 也指出对于 圆柱绕流，非稳态雷诺模型在流场中难以产生混合的涡结构，且在可见涡辫与假 定驻波间存在着一个分离的时间尺度，这与实验结果不符。y a n gg a o 3 1 将基于 雷诺模型的计算流体力学软件m i t - c f d 与多区域分析c o n t a m 法 1 3 进行耦合， 计算了相互联通的多个房问内自然通风及污染物排放过程。这种做法的优点在于 能够得到较为准确的边界条件。但由于用到了雷诺模拟，仍然会造成一定的计算 误差。唐振朝【3 2 】对标准k 一模型，r n g k ：- 8 模型以及r e a l i z a b l e k _ 模型在室内 通风流场模拟中的应用效果进行了对比，并使用r n g k - 湍流模型对一房一厅问 题进行了室内通风流动和热交换的数值模拟。 其次，雷诺模型难以正确求解非稳态边界条件问题，而在自然通风中存在大 量此类问题，如外界风速、风向随时间变化的问题。s c o n i 和p i o m e l l i 3 3 】对非稳 态边界条件下的管内流动进行了研究，发现所采用的四种雷诺模型尽管能提供合 理的主流信息，但都无法正确求解流场的其他信息，如雷诺应力、湍动能和耗散 率等，而这些信息对于a 然通风和舒适性的研究是非常重要的。 t r a v i n 等人【3 4 这么解释非稳态雷诺模型的计算误差：i 流流经建筑物等物体 时会引起三维分离流。非稳态雷诺模型仅捕捉了某一频率的湍流随机运动，从而 浙江大学石贞上学位论文 造成了计算误差。尽管近年来雷诺模型在不断改进，但始终不能达到足够的计算 精度。对于建筑物通风问题，流场中的涡往往几何形状复杂且尺寸分布较广，用 雷诺平均法求解会产生无法克服的困难。 ( 2 ) 大涡方法能较好的模拟自然通风 研究表明，大涡模拟能够得到与实验数据符合的结果。 r o d i 3 5 用大涡方法模拟车问内部流场，所得结果与实验数据吻合。s h a h 3 6 1 用大涡模拟对前文l a k e h a l 和r o d i 2 7 1 、g i a n l u c a 平1 3 d u r b i n 所模拟的立方体外部外 流场进行了模拟，所得结果与实验值吻合。t r a v i n 等【3 4 用大涡模拟对圆柱绕流 进行了计算，结果与实验吻合，与雷诺模型法对圆柱绕流的模拟结果 2 9 相比， 大涡模拟提供了更丰富的流场细节。樊洪明 3 7 对几种单间洁净室内空气流场进 行了三维大涡模拟，也证明大涡模拟比雷诺模型提供了更多的流场细节。 y ij i a n g 3 8 对单个房间内部和外部的空气流场进行了大涡模拟，并与风洞 试验结果及雷诺平均法计算结果进行了对比验证。他认为：不同大涡模型的区别 主要在于对小尺度涡的不同处理方式。对于大雷诺数、强旋流的自然通风，大尺 度涡中含有大部分能量，从而对流场起决定作用，小尺度涡对流场所起的作用远 小于大尺度涡。此时不同大涡模型的计算结果差别不大，因而应采用较为简单的 大涡模型以降低计算时间。而对于低雷诺数、层流作用较强的情况，较简单的模 型对近壁处层流模拟效果较差，应采用经改进的模型。大涡模拟可以准确的反映 自然通风瞬时流场的波动情况，雷诺平均法做不到，这直接影响对通风效果的计 算准确性。 综合以上研究可以认为：对于自然通风，大涡模拟能取得优于雷诺模拟的结 果。t r a v i n 3 4 认为：不同于非稳态雷诺模型仅捕捉了某一频率的湍流随机运动， 大涡模拟考虑了所有频率的随机运动，所以大涡模拟能得到更为准确的结果。 1 4 本文的主要研究内容 目| j i 对少量房间内流场的大涡模拟得到了许多有价值的结果，根据所得到的 流场可以大致判断污染物的运动趋势。由于实际住宅往往由不同结构的多个房间 组成，各房间的流动互相关联，有必要进一步将相互连通的多个房间作为一个整 体进行计算。为了得到更详细的污染物运动情况，需要在计算中同时求解污染物 浙江大学颁+ 学位论文 场。 本文的研究重点是用大涡模拟方法对相互联系的多个房间内的自然通风及 污染物排放过程进行模拟，考察自然通风中污染物排放规律。由于污染物的释放 是一个缓慢而长期的过程，因此可以认为在自然通风丌始前室内已经积聚起一定 浓度的污染物，本文模拟的是从开窗起数分钟内的自然通风过程。在浚过程中忽 略污染源的影响。 本文主要研究内容包括： ( 1 ) 建立相互联系的多个房间的三维数值模型，根据资料确定了合乎实际 情况的各项边界条件。 ( 2 ) 对此模型在多种条件下的自然通风中非稳态流动及污染物排放过程进 行了三维大涡模拟。 ( 3 ) 对不同条件下的模拟结果进行分析对比，得到了自然通风时各因素对 污染物排放效果的影响规律。 浙江大学倾+ 学位论文 第二章数值计算方法 2 1 所计算房间布置特点 本文计算对象如图2 一l 所示，是一套1 6 9 平方米四室两厅两卫的住宅，共 九个房间，总长1 6 6 米，总宽8 2 米，高3 5 米，内部各房门均为高1 9 5 米，宽 0 9 米。计算时所有内部的房门均处于开启状态。： 图2 1 计算区域 2 2 计算网格 图2 2 计算阿格 为保证得到流动的主要影响因素，需要考察一定尺度以上的涡，这就要求 采用足够细的计算网格。在对这一要求和计算耗时上的限制进行权衡后，结合实 际房间尺寸，对计算区域划分了长、宽、高均为o 1 m 左右的六面体结构化网格， 共计4 6 5 2 1 4 个，如图2 2 所示。计算结果证明采用该网格可以提供足够的流场 信息。 2 3 流动特点 浙江人学碗：e 学位论文 首先确定雷诺数。进风的门窗共三个，尺寸分别为：主卧南门宽1 2 m 高 1 ，9 5 m ；次卧一南窗宽】8 m 高1 9 5 m ：次卧二南窗宽1 4 m 高1 9 5 m ，可计算出 其特征尺度为1 6 7 m ，计算中所涉及的外界j ) ( i 速分别为0 。5 r r d s 、1 m s 和2 r r d s ，各 风速下的雷诺数分别为： 一ul!：!竺坐塑!：53210reo 5 。 一v 西瓦万矛吾万。 r e 矿一u l ：上坐婴：1 0 6 1 0 5 ”2 了2 五西万：丽2 。 一ul!：塑!：!：!至：212105re2o 5 了2 瓦万万；而2 心。 在本文的计算中均假定空气温度为2 7 c ，不考虑温差及传热的影响。 由于流速较低，计算时可忽略空气的压缩效应，按不可压流体处理。 由于计算中空气污染物浓度均为】0 7 的数量级，因此在流动计算中可以忽 略污染物对流体物性的影响，按空气物性处理。 为了分析污染物排放过程，需要计算流动及污染物运动的非稳态过程。 综上所述，该流动问题的特点为：三维、高雷诺数、定温、不可压牛顿流 体、常物性、带组分输运、无源项的非稳态流动过程。结合第一章的分析，决定 采用大涡模拟方法进行计算。 2 4 大涡模拟 根据以上分析可以确定该流动满足连续性方程和动量守恒方程，流动中的污 染物浓度满足组分质量守恒方程： 连续性方程：堕十堕+ 堕：o o x o x j o x ( 式2 一1 ) 剑o t + 塑o x 掣一言o x + 土r e 丢0 x 舞0 x + 豢) 上3 豢o x 吒 ( 式z _ 2 ) ，缸7 。 。” 、7 其中i , = 1 , 2 ，3 组份质量守恒方程： 箜+旦掣+璺婴+旦譬：昙(口争+妄(d争+昙(d5(式23)0t 毽 融l舐融? ? ! & | ? 教? 、s 瓠f & k j 。融k j j? 。 湍流睐云j f 远甜f 中旬含着不同尼席的涡运矗f ，苴嚣女甩序可与平均远刮f 的特a f 0 浙江人学埘十学位论义 长度相比，而最小尺度则取决于粘性耗散速度。随着湍流流动雷诺数的增高，大 小尺度的比值迅速增大。涡团尺度范围的迅速扩大造成了直接模拟计算量的急剧 增加。 随着湍流研究的逐步深入，人们认识到：大尺度涡对平均流动有强烈的影响， 大部分动量、质量、能量和其他物理量的输运都是由大尺度涡完成的，大尺度涡 与所求解问题的几何及边界条件关系密切，不同的大尺度涡结构也互不相同；而 小尺度涡对平均运动只有轻微的影响，主要起粘性耗散作用，它们几乎不受几何 及边界条件影响，趋于各向同性，具有很强的共性。因此，在研究中可以着重考 虑大尺度涡的运动特性，而对于小尺度涡主要考虑其对大尺度涡的影响。 以此认识为基础，产生了大涡模拟的思想：放弃直接模拟中对所有尺度涡的 瞬时运动都进行模拟的做法，对大尺度涡和小尺度涡分别处理，首先把湍流的瞬 时运动通过滤波的方法分解为大尺度运动和小尺度运动两部分，： 大尺度运动量： 万g ，f ) = p 忙一j i 如( j ，t ) d v 7 ( 式2 - 4 ) 其中g 0 i 一i 1 ) 为滤波函数； 亚网格尺度运动量： a7 = a a( 式2 5 ) 然后，对大尺度量进行直接数值求解，而亚网格尺度量对大尺度运动量的影 响则通过模型来模拟。本文在大涡模拟中采用s m a g o r i n s k y 提出的亚网格尺度 ( s g s ，s u b - 西ds c a l e ) 模型 3 9 1 。对各流场瞬时变量o ( x ，y ，z ，f ) 在网格尺度上进 行区域平均后，得到区域平均瞬时量歹( 工，y ，z ，f ) ： 融m f ) - 矗五牮i 蓐1 晖1 船蛳脚硝 ( 式：- 6 ) 其中缸，匈，& 分别为流场所在位置的网格点在x ，y ，z 方向的网格长度。 这样任意位置流场瞬时变量有：瓴弘z ，f ) = 万如只乙，) + 声纯弘五f )( 式2 - 7 ) 其中驴( x ，y ，z ) 为亚刚格瞬时脉动量，它只保留了毋在大于滤波函数宽度的尺度上 的可变性。在网格区域上存在：砂( y ，z ，t ) = 0 。对式2 1 与式2 2 进行区域 平均可得： 浙江人学硕上学位论文 挈= 一考阮 _ 害+ 毒m 毒+ 吾 1 其中亚网格应力( s u b g r i d s c a l es t r e e s e ，简称s g s 应力) 为： f 口5p u f “一p u z f ， ( 式2 9 ) 根据大涡模拟思想，一般可以认为在亚网格尺度内湍流流动各向同性。因此 根据b o u s s i n e s q 的涡粘性假设对亚网格应力取模后可得到：巧= 一2 ，巧+ 三毛 ( 式2 1 0 ) 其中： 驴牾+ 刳 ( 式2 一1 1 ) 经过上述处理，可将式2 1 、2 2 、2 3 进行区域平均： 连续性方程：型型：o 蕊 一百= 百a 耐毒圈+ 和v 橹+ 剀( 式2 - - 1 3 ) 组分方程 o 。c ；+ i 要+ 虿要+ 瓦罢：昙( 皿竽) + i c 8 【n i 0 6 7 ) + 芸要) a i 瓠ji 瓠j 。叙k 毽j ：毽? 瓠| 、2 融| 。赢k ? i 瓠t 。 ( 式2 1 4 ) 在s m a g o r i n s k y 模型中，假定亚格子尺度的湍动粘度可用下式计算 3 9 ： 麒= ( c ，) 2 同 ( 式2 1 5 ) 其中： 同= ( 2 两芦 ( 式2 1 6 ) a = ( a x a y 止) 3( 式2 1 7 ) e 是s m a g o r i n s k y 常数，考虑到s g s 应力的扩散影响，尤其是近壁而处的影响， 按下式调整g ： e = c ( 1 一g _ r ) ，是到擘面最近距离，r 为半经验常数，取2 5 0 ，取c 。，) = 0 1 。 浙扛大学埘! 上学位论文 第三章室内空气污染物排放的数值模拟 结果与分析 3 1 计算工况的选择 为分析各种条件变化对通风效果的影响，需要针对各种不同条件的影响分别 进行计算、比较。本文考虑了以下条件：通风口饰置方式、风速、不同污染物排 放过程问的差异、外界空气污染物浓度是否含为零。本文基于这些考虑，共计算 了六种工况( 表3 1 ) 。在本文中污染物浓度除有特别说明者外均指相对质量浓 度，单位为k g k g 。 r 、 工况 四五、 室内甲醛浓度 3 3 2 5 6 3 3 2 5 6 3 3 2 5 6 33 2 5 6 3 3 2 5 6 3 3 2 5 6 ( k g k g ) 1 0 叫1 旷7 1 0 吖 1 0 “ 1 0 吖1 0 7 室内n 0 2 浓度 o o 0o4 0 2 1 7 0 ( k g k g ) 1 0 。 室外甲醛浓度 0 0 0000 4 8 4 5 ( k g k g ) 1 0 叫 通风口少多多多多多 j x l 速( m s 1 220 512 2 研究重点通风口布基准：i ：况风速影响t i ) ( 1 速影响不同污染外界空气 置方式的物排放效含污染物 影响果的比较的影响 表3 一l 各计算工况的特点 如表3 1 所示，工况二为基准工况；工况一与工况二具有不同的通风口布 置方式；工况三、四与工况二具有不同的流速：工况五计算了室内同时存在两种 不同污染物时的情况：工况六下外界空气中含有一定浓度( 低于室内浓度) 的污 染物，区别于工况二中外界空气不含污染物。下文将通过这些工况的计算、对比 分析这些条件变化对污染物排放的影响。在这些计算中均假设甲醛初始浓度分布 浙江人学硕上学位论文 均匀。由于甲醛分子量( 3 0 ) 与空气平均分子量( 2 8 9 6 6 ) 相近，因而密度相近 可以认为这一假定不影响计算结果。 3 2 工况一下各个房间内流动、污染物排放的特点 以工况一为例分析各个房间流动、污染物排放过程的特点。 假设经过一段时间的积累后室内甲醛质量浓度为3 3 2 5 6 x1 0 3 k g k g ，室外 甲醛浓度为零。开始通风后，外界空气从主卧和次卧1 南面的门窗以2 米秒( 相 当于2 级轻风) 的速度流入，最后从厨房北面窗口流出( 图3 一1 ) 。工况一对 该过程进行了计算，共计算了1 2 0 秒内的流动和污染物浓度变化情况。 图3 1 工况一计算嚏域 图3 2 到图3 6 显示了工况一下的流场、甲醛浓度场变化情况 4 浙江人学硕上学位论义 图3 2 工况一t = l o s 时刻速度矢量场与甲醛浓度等值面 图3 3 工况一t = l o s 时刻流线图 x乜 浙江大学硕上学位论文 ( a ) 1 1 0 4 、2 x 1 0 、3 x l f f 7 等值面 ( c ) 2 1 0 7 等值面 ( b ) 1 x 1 0 7 等值面 ( d ) 3 x 1 0 - 7 等值向 图34 工况一t = l o s 时刻甲醛质最浓度等值面( k g k g ) 6 浙江人学硕士学位论文 ( a ) 高1 5 m 水平剖面 ( c ) 距左侧墙2 9 米纵剖面 ( b ) 高2 5 m 水平剖面 ( d ) 距左侧墙4 4 米纵剖面 幽3 5 ：况一t = - l o s 时刻各剖面上的甲醛浓度分布 7 浙江大学硕士学位论文 ( a ) t = - l o s ( b ) t = - 2 0 s 8 浙江大学顾十学位论文 ( c ) t = - 3 0 s ( d ) t = 4 0 s 9 浙江大学预士学位论文 ( e ) t = - 5 0 s ( dt - - 6 0 s 2 0 浙江大学硕士学位论文 ( g ) t = - 8 0 s ( h ) t = l o o s 2 浙江大学硕上学位论文 攀 h - -。阳 j f 了i 7 。、 | ：。 ：翔 i ：- - ，：，： 巨，鳓 隧耋：； ，i l i i i m ，j 舢 删m m “栅一 j 撂 “洲1 州州一 瓣 f 。 w 删目w 咿f t i 。“艄州， ，。洲咖n ? ( i ) t = - 1 2 0 s 图3 - 6 工况一各时刻的流场、甲醛浓度场1 0 7 水平剖面圈( 高度1 5 m ) 由以上连续流动过程可以看出：室内流场很快便趋于稳定，第十秒以后各时 刻的流场只有很小的变化。同一时刻房间内各处的流速差别较大，走廊处由于宽 度较小因而流速最高，约为6 米秒左右，而部分靠近壁面处流速接近为零。进 风窗口后方存在一个涡环，在走廊处存在螺旋日u 进的气流。 将甲醛浓度场变化图与流场变化图进行对比，叮以看出甲醛浓度变化与流动 情况密切相关。随着外界清洁空气逐步向房间纵深推进，甲醛被不断稀释、带出。 甲醛浓度等值面形成的走廊j 下好与主流运动区域重合( 图3 2 、图3 3 、图3 - 4 ) ，说明主流内部甲醛浓度很快降低，而大尺度涡内部污染物含量往往较高， 火尺度涡内容易积存较高浓度的污染物。 根据流动情况和甲醛浓度变化规律的不同，可以将房间分成两类：多丌口房 间和单开口房间。多开口房间有两个或两个以上的开口与外界联系，而单开口房 间仪有一个开口。 在工况1 中，多开口房间包括主卧、次卧1 、客厅和厨房，而单丌口房间包 括卫生间1 、卫生间2 、次卧2 、储藏室和书房。 浙江人学硕上学位论文 以主卧1 ( 多开口) 和卫生间2 ( 单开口) 为例进行分析可以得到这两类房 间在流动和污染物排放上的不同特点。 将这两个房间的的流场及甲醛浓度场放大如图3 7 所示。 对于主卧，内部气流为一不规则有限空间内的湍流射流，主流区速度分布较 均匀，在主流区与墙壁问存在数个较为稳定的低速回流区。主流区流速从入口处 的2 r r d s 逐渐下降到靠近北墙处的i m s 左右，然后在出门时加速至3 m s 。而相比之 下靠近壁面处位于回流区，流速极为缓慢，仅有0 2 r r d s 左右。浓度场与速度场存 在明显的对应关系。甲醛浓度在流速高处下降陕，流速低处下降漫，回流区中一t l , 下降最慢。以2 0 s 时为例，射流核心区甲醛质量浓度迅速由初值下降至0 1 1 0 。7 ( 0 0 3 倍初始浓度) 以下，下降了9 7 。各回流中心的甲醛质量浓度仍然处于较 高水平，从1 4 1 0 。7 ( o 4 2 倍初始浓度) n i 9 1 0 。7 ( o 5 7 倍初始浓度) 不等，下 降了4 3 5 8 ，仅有射流中心下降值的一半。各壁面处的甲醛浓度比它们附近 的回流中心低0 2 1 0 。7 o 4 1 0 。6 0 s 时，主卧内除两侧回流区及卫生间2 出口 附近外，大部分地区甲醛浓度己基本降至0 1 1 0 7 以下。 对于卫生间2 ，由于只有一个开口，仅存在缓慢的层流旋转流动，其内部甲 醛浓度一直维持在较高水平。图3 7 ( a ) 显示，卫生间2 内部最大流速仅o 3 r r g s 。 由于气流沿墙壁流动，贴近壁面处甲醛浓度稍低，从1 7 1 0 。7 ( o 5 1 倍初始浓度) 到2 4 1 0 。7 ( 0 7 2 倍初始浓度) ，而房间中心处甲醛浓度基本未发生变化。6 0 s 时其中心处甲醛浓度仍有2 8 1 0 。7 ( o 8 4 倍初始浓度) 。 以上分析可以归纳为：( a ) 多开口房间内部流场较为复杂，但都由一个主流区 和若干个回流区组成。主流区流速大( 数量级为l m s ) ，甲醛稀释快；回流区流 速小( 数量级为0 1 m s ) ，甲醛稀释较慢。( b ) 单开口房间内部只存在一个大的旋 流区而没有主流区，流速低( 数量级为0 1 m s ) ，甲醛稀释慢。( c ) 综合上述因 素，多开口房间总的甲醛排放速度高于单开口房间。比较相同时间内这两类房间 浓度下降值，町以发现一般前者为后者的4 8 倍。 浙江人学硕士学位论文 ( a ) t = - 2 0 s t b ) t = - 6 0 s 图3 - - 7 工况一主卧及卫生间2 速度场和甲醛质 量浓度1 07 水平剖砥图( 高度1 5 米) 由计算结果可以得到各房问甲醛平均浓度随时问变化曲线，如图3 8 所示。 由此图结合流场情况可以看出：各房间甲醛平均浓度基本按近似指数规律下降。 个别曲线局部存在驼峰，是由于其他房间高浓度甲醛进入该房间所致。各房间对 应的曲线分成一高一低两群，这两群曲线分别与单开口房间、多丌口房间的划分 相对应，与前面单开e 1 房间甲醛排放速度大大低于多开口房问的结论吻合。 浙江大学硕士学位论文 图3 8 丁况一各房间甲醛平均浓度变化曲线 1 一厨房2 一卫生间13 一卫生间24 一主卧 5 一次卧l6 一次卧27 一储藏室8 一书房 9 一客厅 a v e r a g e - - 所有房间平均值 s t a n d a r d 一室内甲醛浓度国家标准，0 1 m g m 3 ，折合成质量浓度为0 8 3 1 0 7 3 3 通风口布置方式的影响 为验证上一节多丌口房间污染物排放效果优于单开口房间的结论，将工况二 与工况一进行对比。 工况二通过增设进、出风口将次卧2 和卫生间1 、2 由单开口房问转化为多 丌口房间( 图3 9 ) 。其他假设条件与工况一一致。 浙江大学顾+ 学位论文 图3 9 工况二计算区域 图3 一1 0 为工况二的流场及甲醛浓度场变化情况 ( a ) t = - l o s 浙江大学顾十学位论文 l 佐忒懦飞 l 矛吗 熏 各 f ( b ) t = 2 0 s ( c ) t = - 3 0 s 浙江大学硕士学位论文 ( d ) t = - 4 0 s ( e ) t - - 5 0 s 浙江大学硕上学位论义 ( d t - o s ( g ) t - - = 8 0 s 2 9 浙江大学硕士学位论文 ( h ) t = - l o o s ( i ) t = - 1 2 0 s 图3 1 0 工况二各时刻的流场、甲醛浓度场x 1 0 7 水平剖面图( 高度1 5 m ) 浙江大学硕 ：学位论文 由以上连续过程可以看出，对比工况二与工况一，类型未改变的房间其流动 及污染物排放情况基本一致，而那些由单丌口变为多开口的房间则有了明显的不 同。 以卫生间2 为例。图3 - 1 1 显示，两种工况相比，流速最大值由工况一的0 4 m s 上升到工况二的3 m s 左右，l o s