应用FLUENT模拟学生寝室室内污染物浓度场的变化规律

1、19Bi J-Jn .ZL-f MIJJ 任I 倔 «lr Vl-I-U应用FLUENT模拟学生寝室室内污染物浓度场的变化规律高清军，庄宏昌，王林大连海事大学环境科学与工程学院，大连(116026)E-mail : ruichao 2001163.con摘 要：数值模拟技术对建筑室内环境进行模拟仿真，可以形象的、直观的对室内气流流动形成的微环境做出分析和评价。本文采用FLUENT数值模拟法，模拟了现有学生寝室污染物浓度场的变化规律，指出当前学生宿舍格局的不足，并将其适当改进。为更加合理、优化 的寝室布局提供了理论依据。关键词：数值模拟，FLUENT，学生宿舍1前言随着全国高考升学率的

2、不断提高，以及各大高校的学生宿舍的相对紧缺，宿舍内人员拥挤，布局紧凑，直接导致学校内寝室的环境质量下降。同时由于寝室紧缺，许多学生寝室都 是刚刚装修完毕，就允许学生入住，尤其是在冬天，北方的天气比较冷，几乎很少开窗，这 使得污染物很难向外扩散。高校的学生每天至少有 8个小时的时间是在寝室里度过的，所以分析一下学生寝室的空气质量还是很有必要的。目前很多学生公寓都是阴阳双面建筑设计， 寝室内都是上面住人，下面是桌子的一体化格局，事实上对于单面宿舍，这种设计并不算合理的。本文选用的污染物是甲醛，甲醛是最简单、最常见的醛类物质，其理化性质为：无色、具有强烈刺激性气味，沸点-1915 C，比重1106

3、,易溶于水、醇和醚，是一种溶解度很大、挥发 性很强的有毒物质 。据调查，新装修的公共场所甲醛的超标率达60 %100 %。甲醛已成为室内空气污染物的主要成分。甲醛的释放期比较长，一般为3年15年，故将甲醛作为室内污染的指示污染物2。甲醛的主要来源是装潢用的尿醛树脂、油漆、胶水、脱氧剂、消毒剂及防 腐剂，在卷烟和燃烧的废气中也有3。甲醛在室内的浓度变化主要与室内污染源的释放量和释 放规律有关，也与使用年限、室内温度、湿度及通风强度等因素有关，其中通风的影响最为重要。目前国内外普遍运用的室内空气评判方法有主观评价法、客观评价法和主客观相结合 评价法5。计算流体动力学数值模拟法就是目前较为成熟的客观

4、评价方法。本文采用计算流 体动力学软件FLUNET，对房间中甲醛浓度场的变化进行了数值模拟，以典型宿舍中的书桌和衣柜为污染源，模拟宿舍密闭若干小时通风一定时间后，房间内污染物浓度场的变化规律，从而指出当前主流学生宿舍格局的不足。2房间几何模型和数学模拟如图1、2所示，学生公寓尺寸为 XX YXZ= 6X 5X 3(m)门YXZ = 1.2 X 2(m)上铺XX YXZ =2X 1.2 X 0.1(m)距地 1.8m ;窗 YXZ = 1 X 1.5(m，距地 1.4m;桌面 XXY = 1.5 X 0.8(m)距地 0.8m，衣柜XX YXZ= 1.4 X 1X 1.7(m)由于宿舍布局沿门窗

5、连线成轴对称分布，本文则选取沿对称轴截取的半边宿舍为研究对象。如图所示，I、 n类型为当前高校学生宿舍主流布局。*卜4亠一1图1I类型学生宿舍几何模型图2 H类型学生宿舍几何模型3边界条件寝室的温度定义为 300K，空气流动分别采用非稳态的三维层流模型。由于宿舍分为阴 阳面，故当房间处于通风状态时，可分为窗户进风和门口进风两种情况，设置窗（门）为速 度进口（velocity in let），风速设为0.12m/s6;门（窗）设置为流出封口 （outflow），分别模拟室 内污染物分布规律。本文模拟以甲醛为代表的室内挥发性有机污染物的浓度常，假设桌子和衣柜表面为释放源，其边界条件设为质量进口（m

6、ass flow in let），密闭和通风两种状态的释放强度均为7.2 x 1O-11kg/S，并且不随时间变化，其它壁面无甲醛释放。-2 -fciB. J-rfn HjHL-f Mijj 任i 倔 «ir vi-i-a4计算结果及分析由于人体一般的坐姿高度是1.2m，因此假定平面 z= 1.2m为监控对象。图3-6分别是房间密闭1小时和12小时后的污染物浓度分布情况。我国民用建筑工程室内环境污染控 制规范中，对室内空气采样前要求的密闭时间是1小时，而室内空气质量标准8中要求的密闭时间是12小时。下图中，颜色由蓝至红代表污染物浓度由低到高。-# -fciB. J-rfn HjHL-

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11、对房间分别进行窗口通风和门口通风，并分别作出分析和讨论。jraaair vlaw *w*v bbs ar *b 4.1窗口通风 1.?aeK.l.Mi-K l.42»<e a站4闻 |卫加的 1.10$ 111fl.dhi4Ng.EIXiI7JU4Q7.1M96.3Je-W 1WWJ.WW I J加曲3 I缽国I.血脚7.fi1edQOHhiOO1%-M l.51ii>Ml.g% 抽 1徹卓 USw® 11皿 a.ftjfroe 9 W闻 a.T>K 7.0>B 7.1-M G.M-KI 5.57?W 4.7?ii'1XI J丽4 二旧皿 2

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14、wl Oniob n3) m*v-438(M町斥n WSflP?FLUENTS 魁aegia护此瑋屯to.叫 jrvlMjd/i图9I类型学生宿舍甲醛浓度分布图截面z = 1.2m，密闭图10 n类型学生宿舍甲醛浓度分布图12h后窗口通风3minI157hM14>DSIJ1i4S 9空购g撤曲11缽国HI如曲 呱的昭配爭圆 |8 .眈KI7JM97.«e-MG.2$e-N 5血国4.71w>N I 3%国叮知切i5TiM ?眇10皿00I.4MHI.SJfrW E如$ 匸如閒 I MA N伽咖 9 Q知卿 fl I«i4fl 吐电醉3 7J5MQ 氐闵*国 Li

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16、l£IB密闭12小时后，对房间进行开窗通风，图7-12为气流由窗口进入若干分钟，截面z=1.2m的污染物浓度场。通风10分钟后，两种类型宿舍A点甲醛浓度分别为 0.18mg/m3和0.2mg/m3, 仍然高于室内空气质量标准中的甲醛浓度的限量值；B点甲醛浓度分别为 0.045mg/m3和0.19mg/m3, n型宿舍B点浓度高于限量值。由计算结果可得，对于I类宿舍，A点甲醛浓度缓步下降，B点浓度值则迅速下降进而达到一稳定值。n类宿舍A点浓度先增大而后慢慢下降，B点浓度值的变化出现了振荡现象。分析流体运动状态发现，I类宿舍A点风速很小，该点污染物的扩散主要靠其自身扩散作用，故A点浓度降

17、低很慢，在较长一段时间内高于限量值。B点所处较大区域有较大风速，对流作用明显，污染物浓度迅速降低，达到 动态平衡（如图18）。n类宿舍在通风初始阶段 B点区域形成一短暂旋涡（如图 17）,导致 A点浓度增加而 B点浓度出现降低的现象，随着通风的进行，旋涡消失，流体运动状态逐 渐达到平衡，A、B两点区域内风速很小，该区域内也会在较长时间内高于限量值。0.3 ;一,一,一,一.一,一,0.3.*-0.28p +3 0.26.+L 0.24度+甲 0.220.2. .0.180.1a iiiiiiii12345678910通风时间min)图13 I类窗口通风A点甲醛浓度随时间的变化0.340.320

18、.3;3)0.280.20.18I12图14 n类窗口通风0.35678910通风时间min)A点甲醛浓度随时间的变化0.15 Fgm度浓醛甲320.20风时间min)2345678910通风时间mi n)图15 I类窗口通风B点甲醛浓度随时间的变化图16 n类窗口通风B点甲醛浓度随时间的变化-6 -: J * HjRlr *m国照翌疋x仕业I 1 .29e-D 11 az 11 .OSfl-OI1 .03e-0 1J9.6Je-022927.7Se-0fi7.07e-02.43e-025.1 gg4.sof

19、l-oe3.86-023.22e-02 2.57"卫11 .260-028.4603 S.OAPnYe i&& iV VSCW re Cc l& n&-3 B/ V bti1! Maq flilud HWr) (T mi&-4 r33a0eT-0£|)FLUENT &.吨(3d, Mgirvgated, sp®Apr 10. 2007 匕口 u rBteady)图17 n类宿舍窗口通风2min速度矢量图Iaajfr-Oi 1.1794)1 i.HQ-Ol I.Oh-DiQ断曲 P如437 dQ阿5 W«I

20、6 IW3 5.55etH4JMMS d皿4HJ.ED29J7MSHE址我 如QE l?Ad 0 WeiflOI 2MIl.lh-DIl.fflfliDl 畑加乩单弘馆 诃0翊申聊祸$545e-E4.&M0J.伽血 丄畑良2电#锻耐曲E K«朗Q WSiOOCorTt>ua olVftlKi-V feTniprilUi (n>) (T.*(ti Q£, SOD?FLUEhfl-铿 gaff#用嗣d,叭 km,血如|>：!D?nt>ua olVftlMi-V kniprilud申(n>) (T.*p i 5ft, SOD?FLUEMTSi

21、 gaff吓嗣d,申、hm,血輕由：！图18 I类型学生宿舍风速分布图图19 n类型学生宿舍风速分布图截面z= 1.2m,密闭12h后窗口通风10min4.2门口通风I' a.ye-13 1 WQ$I d9a圄 g皿I.Sq-MLI昭国I IMS m伽俑8.K4-D917 B?fr-K ?时曲 石冷加 5i51eMI 3电和凶3 I沖2疑切 伽血 T.IQ4.W23I a ife-W伽胡0M4HI.Pfr-W 1触03 I W俑Q.ED4 9.55*W I? T?e-tB P咖曲 匚血DO 5.44沪国 丄飯补国 I3KI&-M3 IMO 2樂曲 H.dKi7.77H0H.6f

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23、= 1.2m，密闭12h后门口通风2min-7 -91-T 斗 L谿圄.IJ5HHI 1盼圖 F I曲闻NVMA伽朋!j3JM9SiMHHj.raI 3.商沪闻3 g曲伽矽I渤理G gh.10 丿池刚 iJkHH L如圖 i.3>ra I占血 匸恥芮 1.10UM0 Q渤财 9.Bh4fl 工也血 I?j4M»G.TJp-W5.984-09 站和D9 Jjfie-K |3d4曲9JMQ 2如叩 l.-W7 d9ed0C-offi-usfll Mohr Gereemalon el wd.wl Hm$bri3) Ti r沁dJ屯阳04)却 i 吧 3JD7FLUE 1*11 tJS

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26、LUE MI Mgisgitd,聊h.叫 jrstMjd/i图24 I类型学生宿舍甲醛浓度分布图图25 I类型学生宿舍甲醛浓度分布图截面z= 1.2m，密闭12h后门口通风10min由图20-25可知，对于门口通风，进风量较大，房间内空气更换速率较大，因此两类宿舍监测区域内污染物浓度均在较短时间内降至限量值以下（图26-29）。分析流体状态可得，两类宿舍背风区（I类A处，I类AB之间）均形成稳定涡流（如图 30-31）,有较强的对 流作用，利于污染物的扩散。通风初始阶段流场的不平衡导致了各监测点甲醛浓度的振荡变 化。-8 -工"r m-9 -工"r mJ Ng卩度浓醛甲0.

27、052345678910通风时间(mi n)5200.10.350.30.253m 0 g °.z.浓 0.15醛 甲5345678910通风时l(Ei n)-# -工"r m-# -工"r m图26 I类门口通风A点甲醛浓度随时间的变化0.2图27 n类门口通风A点甲醛浓度随时间的变化-# -工"r m-# -工"r m0.248T0JrgE(浓醛甲0.080.06 1 r 1 1 1 12345678910通风时间Ein)图28 I类门口通风B点甲醛浓度随时间的变化d)gm度浓醛甲L.080 06iiii i i i i123

28、45678910通风时间(mi n)图29 n类门口通风B点甲醛浓度随时间的变化-# -工"r m-10 -工"r m1.251.01I.1BH-011.124-01U06S-01 亂驱血87-02 技 12*02 7如02« jBt-oaS.02e-O24.40e-023J8e-023.16e-022.5*021 93e-021.g7jfe-03£7A-DddvQ-torB Cfl-bnn? By Wbe瞰 Magniiuw (mrp：) (Tim«a ggQQ卄财)Apr 101,. 2W7FLUEHT S.2 pdp e«暫母9

29、畝角山即曹十 ta mB urBtead)图30 I类宿舍门口通风10min速度矢量图-# -图32改进的学生宿舍几何模型门ww-f 七LJJ I壬!礎1A91H X什吐金息*Q1 2.1-01 2.029-01 LSIe-01 LB0e-01 1.69e-01 1.56e-01 1.6e-01 1J5e-01 ldv-01 I.13M-01 I.D 细 01 9.04e-02 ?j91e-02 6.796-02 5.67e-02 4.55e-02 3.3e-02 91«-021 .iea-Qg 7.0SH-0d”说咛 口如阳 64吟日 申 如吳谢 Miigriilug1伯1时 仃i

30、eaJ ggQg于Apr 109. 2W7 FLUENT £.2 Rd.禅畝led. speT bjm* urBteadjr)图31 n类宿舍门口通风10min速度矢量图由上述分析可得，门口进风，进风量较大，整个房间空气流通流畅，利于污染物扩散；窗口进风风量小，由于布局的不合理，房间内造成死区”(I类A处，n类AB之间)，污染物在较长时间内堆积，浓度较高。基于上述讨论，对现有宿舍布局进行改进，门左右边为学生衣橱，宿舍共四张床(上下铺)，为了模拟方便，将两张紧靠的床模拟成一张大床，窗左首边为靠墙长桌，长为4米，其余设施尺寸同前。-11 -# -鉴于上述模型，房间内，靠近污染源的 死区”

31、处污染物浓度较高，故对此模型，设置长桌两端人所处位置为监测点，即A、B分别为：(0.8,421.2)、(3.8,4.2,1.2)。-# -19Bi J-Jn .上r *LU IB】礎IPX hr 吐-12 -19Bi J-Jn .上r *LU IB】礎IPX hr 吐43£32£21£o o o o o OJ Ngm度浓醛甲0.1 2345678910通风时间min)0.04345678910通风时间mi n)图33 A窗口通风甲醛浓度随时间变化图34 B点窗口通风甲醛浓度随时间变化1E11i0.3-0.25-0.2r0.151-命0.1-+-If .0.05-+

32、 - *0111iii0.3512345678910通风时间min)0.183)m g度浓 0.14醛甲 0.08-0.0612345678910通风时间min)图35 A门口通风甲醛浓度随时间变化图36 B点门口通风甲醛浓度随时间变化1.244-01vlu-di1.05o0l9 6302 7.07s-OS7 2Nft-a?E知g 旳.帥鼻心圧 2.EJ4-O?1.33S-0?E.714-03V724-C4iw理 仃irrwdApt 1QP a(K)7FLUENT GJ* 自也 M>gr4qa.vd, dpj la.nL, rjeIki血y)图

33、37 窗口通风10min速度矢量图-13 -wr m-14 -wr m-# -wr m2.DB4X.Q | 2.S3«-!S.53fr-01 e.3B-01 窘.471 Q.DgtH1 .口4»小 1.79fr-01 1.6a*-01 1叫CHI .工耐 11 .lte>011.0501 e.eto-oe 7,dQa E.DH-a2 山.込卫1.55fr-0SYaIocII' Vaciois Cob rad Vfibcr|r Maginaiuda <»1 |7 ime-d .28<iafi>>i-Dd)iF LUlElNT &

34、amp; pd；, B->gr«gail»dl 护耳图38 门口通风10min速度矢量图由计算结果可以发现， 改进布局后，无论窗口通风还是门口通风，各个监测点甲醛浓度在短时间内降至限量值，整个房间在截面z=1.2m处甲醛浓度均在限量值以下（图 33-36）。分析流场状态分布，在流场达到平衡状态后，在整个截面不同程度均有速度分布（图37-38），有利于污染物扩散。5讨论本文建立了与现实寝室相似的模型，数值模拟的结果使我们从时间、空间的不同角度了解了一个先密闭后通风的学生寝室中污染物的分布变化规律，为室内合理布局提供一定的理论依据。此外，本文还根据数值模拟的结果，改进室内格局，降低居室污染程度。当然，室 内格局的分布还应结合采光、空间的