高超 吳偉亮

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院

地下停車(chē)場(chǎng)污染物擴(kuò)散數(shù)值模擬

高超 吳偉亮

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院

傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為只要保證車(chē)庫(kù)內(nèi)部的污染物濃度控制在合理范圍內(nèi)，就其通風(fēng)系統(tǒng)滿足要求，而不關(guān)心排出的污染物對(duì)外部環(huán)境的影響。對(duì)于人口密集區(qū)的地下車(chē)庫(kù)，由于周邊人口密度很大，污染物直接排出將會(huì)危害周邊人群的健康，還會(huì)造成二次污染，應(yīng)考慮添加空氣凈化裝置，對(duì)污染物排放進(jìn)行總量控制。本文根據(jù)某大型地下車(chē)庫(kù)建立模型，通過(guò)數(shù)值模擬考察污染物的分布情況，從而為選擇空氣凈化裝置的最佳安裝位置提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

空氣污染 空氣凈化 CO濃度場(chǎng) CFD模擬

0 引言

本文針對(duì)人口密集地區(qū)的地下大型車(chē)庫(kù)，利用數(shù)值模擬的方法對(duì)空閑時(shí)段與高峰時(shí)段地下車(chē)庫(kù)的通風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行研究，對(duì)車(chē)庫(kù)內(nèi)污染物的分布進(jìn)行了計(jì)算，考察了污染物分布規(guī)律，從而為空氣凈化裝置的安裝提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 通風(fēng)系統(tǒng)建模

車(chē)庫(kù)內(nèi)流場(chǎng)復(fù)雜多變，本文主要研究空閑時(shí)段與高峰時(shí)段兩種有代表性的情況下污染物分布規(guī)律?？臻e時(shí)段對(duì)應(yīng)車(chē)庫(kù)內(nèi)進(jìn)出車(chē)輛稀少的情況，高峰時(shí)段對(duì)應(yīng)車(chē)庫(kù)內(nèi)進(jìn)出車(chē)輛較多的情況。

1.1 尾氣釋放量和組分的確定

不同品牌及類型的汽車(chē)，不同運(yùn)行狀態(tài)，尾氣排量均不同。選取不同類型及品牌汽車(chē)在低速運(yùn)行時(shí)尾氣排量的平均值，比較接近車(chē)庫(kù)內(nèi)的實(shí)際情況。根據(jù)文獻(xiàn)計(jì)算得到平均每輛車(chē)尾氣釋放量為473.8ml/min[1]。

地下車(chē)庫(kù)內(nèi)汽車(chē)排放的污染物中主要含有一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸衔锏扔泻ξ镔|(zhì)[2]。據(jù)研究表明：在低速狀態(tài)下，以上三種污染物CO、HC及NOX散發(fā)量的比例分別為7、1.5和0.2[3]。所以在地下停車(chē)庫(kù)的通風(fēng)量計(jì)算與控制中，通常以CO濃度為依據(jù)，如果CO濃度指標(biāo)達(dá)到要求，那么其他污染物濃度也一定會(huì)滿足要求[4～5]，因此本文將主要考察尾氣中的CO。

根據(jù)文獻(xiàn)，尾氣組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定CO為0.08，CO2為0.11，H2O為0.11，O2為0.02，H2為0.01，CO允許濃度取200mg/m3[6～8]。本文假設(shè)氣體物性為常數(shù)，CO濃度與尾氣占混合氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是一一對(duì)應(yīng)的，可以將CO的允許濃度轉(zhuǎn)換為尾氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)，取0.002，本文將以此做為判別車(chē)庫(kù)內(nèi)空氣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 幾何模型的建立

某地下車(chē)庫(kù)建筑面積為8650m2，層高3.6m，采用機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)組織車(chē)庫(kù)通風(fēng)。車(chē)庫(kù)的幾何模型如圖1所示。一個(gè)新風(fēng)管道位于遠(yuǎn)離進(jìn)出口的底部，四個(gè)排風(fēng)管道位于圖1中部和下部，大致呈左右對(duì)稱布置。車(chē)庫(kù)中間位置長(zhǎng)方形箭頭所示區(qū)域?yàn)檐?chē)輛進(jìn)出車(chē)庫(kù)的主要通道，為車(chē)庫(kù)內(nèi)部CO主要發(fā)生區(qū)域，其余結(jié)構(gòu)主要為水泥支撐結(jié)構(gòu)以及車(chē)輛幾何模型。

圖1 車(chē)庫(kù)平面圖

新風(fēng)管道與排風(fēng)管道安裝風(fēng)機(jī)型號(hào)相同，風(fēng)量為45679m3/h。送風(fēng)口有8個(gè)，尺寸為0.8m×0.32m。排風(fēng)口有44個(gè)，尺寸為0.63m×0.25m。車(chē)庫(kù)內(nèi)最多可停放汽車(chē)188輛。

1.3 物理模型簡(jiǎn)化假設(shè)

地下車(chē)庫(kù)流場(chǎng)實(shí)際上屬于粘性、三維、非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。為了能夠在現(xiàn)有的計(jì)算條件下反映實(shí)際情況，抓住問(wèn)題的主要矛盾，對(duì)用于計(jì)算的物理模型作以下假設(shè)：

1）車(chē)庫(kù)氣流流動(dòng)是三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，各變量不隨時(shí)間變化；

2）室內(nèi)氣流作不可壓縮氣體處理，空氣和污染物的特性參數(shù)為常數(shù)；

3）考慮尾氣排放及車(chē)體散熱對(duì)流場(chǎng)的影響；

4）不考慮車(chē)庫(kù)墻壁與空氣的換熱，認(rèn)為車(chē)庫(kù)壁面絕熱；

5）尾氣發(fā)生區(qū)如圖1所示黑色區(qū)域，認(rèn)為污染源的尾氣發(fā)生率恒定。

車(chē)庫(kù)中間位置長(zhǎng)方形區(qū)域?yàn)檐?chē)輛進(jìn)出車(chē)庫(kù)的主要通道，為CO主要發(fā)生區(qū)域，作為尾氣發(fā)生區(qū)進(jìn)行研究。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，進(jìn)行濃度場(chǎng)模擬計(jì)算時(shí)，忽略車(chē)輛怠速運(yùn)行釋放CO的動(dòng)態(tài)過(guò)程和汽車(chē)停放的隨機(jī)性，將CO視為體積污染源釋放，認(rèn)為CO釋放區(qū)污染物發(fā)生率恒定。按照每分鐘車(chē)庫(kù)平均進(jìn)出一輛汽車(chē)，考慮汽車(chē)在車(chē)道上停留時(shí)間，相當(dāng)于車(chē)道上有兩個(gè)汽車(chē)在同時(shí)排放尾氣，將尾氣釋放量平均到尾氣發(fā)生區(qū)的表面上，得到污染物平均釋放速率。

1.4 流體動(dòng)力學(xué)控制方程

在計(jì)算中，車(chē)庫(kù)內(nèi)氣體流動(dòng)假設(shè)為定常、粘性、不可壓縮流動(dòng)。需要研究空氣流動(dòng)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、污染物濃度場(chǎng)情況，其流動(dòng)過(guò)程要受物理守恒定律的支配，即：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律、組分質(zhì)量守恒定律。為了便于對(duì)各控制方程進(jìn)行分析，建立各基本控制方程的通用形式[9]:

式中：Φ為通用變量，可以代表u、v和w、T等求解變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)。式中各項(xiàng)依次為瞬態(tài)項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)。對(duì)于特定的方程，Φ、T和S具有特定的形式，表1中給出了三個(gè)符號(hào)與各特定方程的對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

表1 通用控制方程中各符號(hào)的具體形式

1.5 通風(fēng)模型的邊界條件

根據(jù)送、排風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)量與送、排風(fēng)口的尺寸，得到送、排風(fēng)口的速度邊界條件。車(chē)庫(kù)8個(gè)送風(fēng)口風(fēng)速為6.2m/s，中部的20個(gè)排風(fēng)口風(fēng)速為8.1m/s，車(chē)庫(kù)進(jìn)出口附近的24個(gè)排風(fēng)口風(fēng)速為6.7m/s。車(chē)庫(kù)進(jìn)出口定義為開(kāi)口邊界條件，相對(duì)壓力定義為0Pa，參考?jí)毫?atm。

CO污染源邊界條件設(shè)為速度入口，為16.3mm/s，尾氣溫度定義為798K。停在車(chē)庫(kù)內(nèi)部分汽車(chē)模型考慮其散熱，壁面溫度定義為323K。

固體壁面采用無(wú)滑移壁面，壁面粗糙度定義為光滑壁面，傳熱類型為絕熱。因?yàn)榭紤]車(chē)庫(kù)中氣流速度較低，熱量傳輸模型選擇熱焓模型；湍流模型選擇k-ε模型，使用Scalable壁面函數(shù)。求解格式定義為高階求解格式[10]。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 空閑時(shí)段

車(chē)庫(kù)在空閑時(shí)段沒(méi)有車(chē)輛進(jìn)出，送、排風(fēng)機(jī)持續(xù)開(kāi)啟，并沒(méi)有尾氣排放，下面將針對(duì)這種情況進(jìn)行研究。假設(shè)尾氣初始濃度場(chǎng)恰好滿足衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，即其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.002，模擬得到尾氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖（圖2），速度云圖（圖3）與流線圖（圖4～圖5）。CFD模擬結(jié)果選取成年人呼吸的高度范圍，距離地面高度為1.70m的平面進(jìn)行顯示。

圖2 尾氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

圖3 速度云圖

圖4 二維平面流線圖

圖5 三維流線俯視圖

按人們的日常經(jīng)驗(yàn)，在無(wú)新污染物加入且通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，污染物濃度應(yīng)降低。而計(jì)算結(jié)果顯示，污染物濃度在車(chē)庫(kù)左下角與右下角排風(fēng)管道區(qū)域出現(xiàn)升高現(xiàn)象，發(fā)生污染物聚集現(xiàn)象，最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.0022，超過(guò)了計(jì)算設(shè)定的初始濃度，由此可見(jiàn)該車(chē)庫(kù)內(nèi)部流場(chǎng)通風(fēng)不夠合理。

速度云圖顯示以上區(qū)域氣流速度較低，觀察二維流線圖，發(fā)現(xiàn)在這些區(qū)域均出現(xiàn)較明顯的局部漩渦。但存在局部漩渦并不一定引起污染物聚集，仍需要進(jìn)一步考察。選取車(chē)庫(kù)平面圖左下角的污染物聚集區(qū)進(jìn)行研究，觀察其三維流線圖，可以看到在該位置形成貫穿上下空間的三維立體渦，使進(jìn)入該漩渦的污染物難以擴(kuò)散，這就是該區(qū)域出現(xiàn)污染物聚集的原因。對(duì)于其他在二維平面流線圖中存在局部漩渦但并沒(méi)有形成污染物聚集的區(qū)域，可認(rèn)為這些區(qū)域只在局部空間形成漩渦，并沒(méi)有形成貫穿上下空間的三維立體渦，污染物從局部漩渦中逃逸。

2.2 高峰時(shí)段

在高峰時(shí)段，單位時(shí)間進(jìn)入車(chē)庫(kù)的汽車(chē)數(shù)量顯著增加，車(chē)庫(kù)內(nèi)部空氣質(zhì)量惡化。高峰時(shí)段進(jìn)入車(chē)庫(kù)的車(chē)輛每時(shí)每刻都在變化，選取每分鐘進(jìn)出一輛車(chē)的情況作為研究對(duì)象。在考慮平均一分鐘進(jìn)出車(chē)輛為一輛時(shí)，送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)持續(xù)開(kāi)啟且污染物持續(xù)排放情況下，流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，尾氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖（圖6），氣流速度云圖（圖7）和二維流線圖（圖8）如下所示。

圖6 尾氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

圖7 速度云圖

圖8 二維平面流線圖

從尾氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖來(lái)看，在遠(yuǎn)離汽車(chē)運(yùn)行通道即尾氣發(fā)生區(qū)的位置，在車(chē)庫(kù)左下角與右下角排風(fēng)管道區(qū)域以及送風(fēng)口未覆蓋區(qū)域的污染物較為集中。速度云圖顯示以上區(qū)域氣流速度較低，二維流線圖顯示在這些區(qū)域存在明顯的局部漩渦。根據(jù)上面空閑時(shí)段的分析可推斷是因?yàn)樵谶@些區(qū)域出現(xiàn)貫穿上下空間的立體漩渦，造成污染物聚集。對(duì)于其他低速、存在局部漩渦但污染物濃度并不高的區(qū)域，可以認(rèn)為雖然該區(qū)域氣流速度較低，但沒(méi)有形成貫穿上下空間的立體渦，仍然起到了一定的通風(fēng)效果。

3 結(jié)論

根據(jù)計(jì)算分析，可以得出車(chē)庫(kù)中污染物分布具有如下特點(diǎn)：

1）在空閑時(shí)段，污染物濃度在車(chē)庫(kù)左下角與右下角排風(fēng)管道區(qū)域出現(xiàn)升高現(xiàn)象，發(fā)生污染物聚集現(xiàn)象，超過(guò)了計(jì)算設(shè)定的初始濃度；

2）在高峰時(shí)段，污染物主要聚集在新風(fēng)管道未覆蓋區(qū)域及車(chē)庫(kù)左下角與右下角排風(fēng)管道區(qū)域；

3）空閑時(shí)段與高峰時(shí)段的污染物聚集在臨近的區(qū)域，兩種情況下的污染物聚集區(qū)主要集中在新風(fēng)管道未覆蓋區(qū)域及車(chē)庫(kù)左下角與右下角排風(fēng)管道區(qū)域，為空氣凈化裝置的安裝提供了可行性。污染物聚集的主要原因是出現(xiàn)貫通上下空間的三維立體渦，改善流場(chǎng)應(yīng)從破壞這些立體渦入手。

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Num e ric a l Sim ula tion of Polluta nt Dis pe rs ion in the Unde rgroud Ga ra ge

GAO Chao,WU Wei-liang
School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University

Only pollutant concentration inside underground garage is cared about in traditional standard,regardless of the influence of discharged pollution on the external environment.However,the discharged pollutant of the underground garage in densely populated areas will cause serious damage to the health of people in the surrounding,and air purification device should be added.According to the underground garage of a hospital,a few suggestions about the best installation location is proposed by numerical simulation.

air pollution,air purification,CO concentration field,CFD simulation

1003-0344（2015）03-013-4

2014-2-22

高超（1989～），男，碩士研究生；上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院（200240）；E-mail:gaochaoverycool@163.com