左　濱， 鐘　珂， 朱　輝， 亢燕銘

(1. 東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127 )

碰撞射流通風(fēng)房間懸浮顆粒質(zhì)量濃度分布特性的數(shù)值研究

左濱1,2， 鐘珂1， 朱輝1， 亢燕銘1

(1. 東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127 )

采用數(shù)值方法研究了碰撞射流通風(fēng)房間夏季供冷工況下人員行走行為導(dǎo)致的懸浮顆粒物的空間分布，分析了碰撞射流通風(fēng)房間內(nèi)的顆粒物質(zhì)量濃度分布特點(diǎn)，并與其他送風(fēng)方式下的室內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度分布進(jìn)行了比較. 給出了不同粒徑懸浮顆粒對(duì)室內(nèi)呼吸高度平面以及其他重要位置處顆粒物質(zhì)量濃度的影響.

碰撞射流通風(fēng)；懸浮粒子；排污效率；呼吸平面；顆粒物質(zhì)量濃度

碰撞射流通風(fēng)是一種較新的空調(diào)送風(fēng)方式，自20世紀(jì)90年代起逐漸被應(yīng)用于辦公室、博物館和展覽廳等公共建筑空間. 碰撞射流通風(fēng)系統(tǒng)中，送風(fēng)氣流以較高動(dòng)量從垂直送風(fēng)口流向地面，沿地面擴(kuò)散開的同時(shí)其速度逐漸衰減. 夏季供冷工況時(shí)，碰撞射流通風(fēng)與置換通風(fēng)類似，沿地面擴(kuò)散開的冷空氣在地面形成“空氣湖”，并在熱浮力的作用下沿房間高度方向形成熱力分層，因而具有空氣品質(zhì)好和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)；冬季供熱工況時(shí)，由于碰撞射流通風(fēng)的送風(fēng)動(dòng)量較高，熱風(fēng)與室內(nèi)空氣自房間下部區(qū)域開始充分混合，從而克服了置換通風(fēng)用于供熱工況時(shí)的缺陷. 因此，碰撞射流通風(fēng)被認(rèn)為是同時(shí)具有置換通風(fēng)和混合通風(fēng)優(yōu)點(diǎn)的通風(fēng)方式[1-2]. 但由于碰撞射流通風(fēng)的送風(fēng)氣流以較高動(dòng)量直接撞擊地面，故送風(fēng)氣流引起已沉積顆粒物再懸浮的風(fēng)險(xiǎn)顯然將大于其他通風(fēng)方式.

人員在室內(nèi)的行走和其他行為都會(huì)引起顆粒物的再懸浮[3-5]. 文獻(xiàn)[6]通過對(duì)辦公室內(nèi)人員各類行為引起顆粒物再懸浮的情況進(jìn)行了實(shí)測(cè)，結(jié)果表明，人員行走造成地面顆粒物的再懸浮對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的影響很大. 文獻(xiàn)[7]對(duì)混合通風(fēng)不同氣流組織下室內(nèi)顆粒物濃度的分布進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果也表明氣流方式是引起室內(nèi)粒子濃度分布變化的重要因素. 本文針對(duì)夏季供冷工況時(shí)的碰撞射流通風(fēng)方式，對(duì)人員行走行為導(dǎo)致的懸浮顆粒物的空間分布進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，以分析碰撞射流通風(fēng)房間的顆粒物質(zhì)量濃度分布特征，并同時(shí)對(duì)其他送風(fēng)方式的顆粒物質(zhì)量濃度空間分布進(jìn)行了模擬和比較. 給出典型使用功能空間中不同粒徑再懸浮顆粒對(duì)室內(nèi)呼吸平面以及其他關(guān)鍵位置顆粒物質(zhì)量濃度的影響程度，為降低碰撞射流通風(fēng)房間顆粒物污染提供理論依據(jù).

1　物理與數(shù)學(xué)模型

1.1物理模型

以一間尺寸為5.4m×3.6 m× 2.7 m的典型辦公室作為研究背景，為比較碰撞射流通風(fēng)房間的顆粒物質(zhì)量濃度分布特征與其他送風(fēng)方式的不同，同時(shí)對(duì)置換通風(fēng)、混合通風(fēng)以及地板送風(fēng)3種通風(fēng)房間的流速場(chǎng)、溫度場(chǎng)和顆粒物質(zhì)量濃度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬. 房間內(nèi)設(shè)有4個(gè)坐姿的人(0.35 m×0.35 m×1.20 m)和4臺(tái)電腦(0.25 m×0.50 m×0.50 m). 室內(nèi)的熱源包括：4個(gè)人(表面溫度29 ℃)、4臺(tái)電腦(表面溫度45 ℃)和一面外墻(x=0平面，表面溫度30 ℃)，房間布置和各送風(fēng)方式的風(fēng)口布置形式如圖1所示.

a—碰撞射流送風(fēng)口；b—置換通風(fēng)送風(fēng)口；c—地板送風(fēng)送風(fēng)口；d—碰撞射流、置換通風(fēng)、地板送風(fēng)回風(fēng)口；e—混合通風(fēng)送風(fēng)口；f—混合通風(fēng)回風(fēng)口；g—室內(nèi)污染源；灰色柱體—模擬人體；黑色柱體—模擬電腦圖1　4種送風(fēng)方式的風(fēng)口和房間布置Fig.1　Arrangement of the air inlet for the four supply modes

在實(shí)際工程中，為了達(dá)到人員活動(dòng)區(qū)基本相同的熱舒適性要求，不同送風(fēng)方式的送風(fēng)溫差不同，所以系統(tǒng)負(fù)荷相同時(shí)，不同送風(fēng)方式的送風(fēng)量不同. 表1列舉了本文所用的計(jì)算工況的基本參數(shù)和各工況人員活動(dòng)區(qū)(距地面2 m以下空間)的平均溫度.

表1　計(jì)算工況所用的基本參數(shù)Table 1　Set values of the main parameters for calculating conditions

1.2氣流模型

本文采用Reynolds時(shí)均N-S方程(即RANS)和標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型來模擬和預(yù)測(cè)室內(nèi)氣流的不可壓縮湍流流動(dòng)，原因是這一方案對(duì)問題的求解簡(jiǎn)單、省時(shí)且實(shí)用，模擬結(jié)果與測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比具有較好的一致性[8-9].

采用有限容積法離散RANS方程，壓力項(xiàng)離散采用標(biāo)準(zhǔn)格式(FLUENT,2005)，其余變量的離散均采用二階迎風(fēng)格式. 對(duì)壓力項(xiàng)與速度項(xiàng)的耦合則采用SIMPLE算法，并采用Boussinesq近似估計(jì)由溫差引起的熱浮力效應(yīng). 為獲得準(zhǔn)確的數(shù)值結(jié)果，計(jì)算空間采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并在近壁面區(qū)域加密網(wǎng)格，從而保證邊界層內(nèi)的結(jié)果合理可靠.

定義送風(fēng)口為速度邊界，并假定流速均勻，回風(fēng)口為流動(dòng)出口邊界，即滿足流出與流入?yún)^(qū)域的質(zhì)量流量相等. 用壁面函數(shù)來描述近壁面處的湍流特性.

1.3顆粒物輸運(yùn)模型

通常有兩種方法用于處理多相流運(yùn)動(dòng)：拉格朗日方法和歐拉方法. 歐拉方法廣泛應(yīng)用于預(yù)測(cè)室內(nèi)顆粒物濃度分布[10-12]. 拉格朗日方法可以跟蹤和分析大量粒子運(yùn)動(dòng)軌跡線，研究顆粒物的動(dòng)態(tài)特性[8,13]. 本文更加關(guān)注懸浮顆粒的濃度分布，因此采用歐拉方法中的混合模型. 將顆粒相濃度作為被動(dòng)運(yùn)輸標(biāo)量，并考慮顆粒相和流體相之間的相對(duì)速度來描述顆粒相. 通過求解流場(chǎng)的守恒方程和標(biāo)量輸運(yùn)方程，從而得到顆粒的濃度場(chǎng).

1.4網(wǎng)格獨(dú)立性

為了保證數(shù)值模型的可靠性和結(jié)果的準(zhǔn)確性，數(shù)值計(jì)算中網(wǎng)格的獨(dú)立性是很重要的. 對(duì)于所有的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬情況，本文均采用非結(jié)構(gòu)的四面體網(wǎng)格，對(duì)室內(nèi)熱源表面、送風(fēng)口、回風(fēng)口和污染源區(qū)域進(jìn)行局部加密，并以1.05～1.20的增長(zhǎng)率從局部加密區(qū)域向室內(nèi)空間逐漸擴(kuò)展.

1.5數(shù)值計(jì)算方法的合理性驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的合理性，本文在一個(gè)全尺度房間內(nèi)對(duì)室內(nèi)流速場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，并將數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[14]中的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比. 實(shí)驗(yàn)所用的房間尺寸為長(zhǎng)×寬×高=5.16 m×3.65 m×2.43 m，為對(duì)比數(shù)值計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合程度，本文采用與文獻(xiàn)[14]相同的邊界條件和室內(nèi)熱源條件. 房間通風(fēng)換氣次數(shù)為4次/h，送風(fēng)溫度為17 ℃，室內(nèi)的熱源包括：2個(gè)人(表面溫度為28～30 ℃)、2臺(tái)電腦(散熱量分別為173和108 W)、6盞燈(散熱量為34 W)、墻壁表面溫度為23.3～26.0 ℃. 選取房間中心位置處沿高度方向各測(cè)點(diǎn)的速度和溫度分布曲線，對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果和文獻(xiàn)結(jié)果如圖2所示.由圖2可以看出，本文所得模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[14]中的結(jié)果具有較好的一致性，這表明本文所采用的數(shù)值計(jì)算方法是可行的.

(a) 速度場(chǎng)對(duì)比

(b) 溫度場(chǎng)對(duì)比圖2　數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.2　Comparisons of the simulated results with measured data

2　結(jié)果與討論

本文模擬了夏季工況下碰撞射流通風(fēng)方式，人員行走行為造成的顆粒物再懸浮對(duì)室內(nèi)空間顆粒物質(zhì)量濃度分布的影響，同時(shí)與置換通風(fēng)、混合通風(fēng)以及地板送風(fēng)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算.

2.1室內(nèi)流速場(chǎng)和溫度場(chǎng)結(jié)果

在表1給出的條件下，對(duì)所設(shè)定的房間在4種不同送風(fēng)方式下的流速場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，圖3給出了4種送風(fēng)方式下沿開間方向房間中心處豎直平面(即y=1.8 m平面)的溫度和氣流速度分布.

(a) 碰撞射流通風(fēng)

(b) 置換通風(fēng)

(c) 地板送風(fēng)

(d) 混合通風(fēng)圖3　4種送風(fēng)方式在y=1.8 m平面的溫度和氣流速度分布Fig.3　Indoor temperature and air velocity profiles ofy=1.8m plane for the four air supply modes

由圖3可以看出，碰撞射流通風(fēng)、地板送風(fēng)和置換通風(fēng)沿垂直方向均產(chǎn)生溫度分層(圖3(a)～3(c))，房間上部空間溫度較高，下部空間溫度較低，人體頭足部溫差約3 ℃；而混合通風(fēng)由于氣流比較均勻，室內(nèi)溫度分布均勻(圖3(d))，人體頭足部溫差約1℃. 這是因?yàn)椴煌惋L(fēng)方式產(chǎn)生不同的室內(nèi)氣流形態(tài)，前3種送風(fēng)方式在室內(nèi)形成熱羽流，主要驅(qū)動(dòng)力是熱浮力，在垂直方向產(chǎn)生溫度分層；混合通風(fēng)情況下，由于送風(fēng)氣流與室內(nèi)空氣溫度相差較大(8 ℃)，且人員活動(dòng)區(qū)處在氣流的回流區(qū)，室內(nèi)溫度均勻性更好. 但在4種送風(fēng)方式下，人員活動(dòng)區(qū)(2 m以下空間)溫度均在24～26 ℃內(nèi)，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[15]對(duì)室內(nèi)溫度的要求.

由圖3還可以看出，混合通風(fēng)污染源附近的地面區(qū)域氣流傾斜向上，室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)主要受到慣性力的控制，可能更有利于顆粒物的輸運(yùn)；地板送風(fēng)近地面污染源附近氣流有明顯的鉛直流動(dòng)；碰撞射流通風(fēng)和置換通風(fēng)在近地面處氣流完全呈水平流動(dòng).

2.2懸浮顆粒物質(zhì)量濃度空間分布規(guī)律

(a) 碰撞射流通風(fēng)

(b) 置換通風(fēng)

(c) 地板送風(fēng)

(d) 混合通風(fēng)圖4　4種送風(fēng)方式在y=1.8m平面的顆粒物質(zhì)量濃度分布Fig.4　Distributions of particle mass concentration ofy=1.8m plane for the four air supply modes

(a) 碰撞射流通風(fēng)

(b) 置換通風(fēng)

(c) 地板送風(fēng)

(d) 混合通風(fēng)圖5　4種送風(fēng)方式在z=1.1 m平面的顆粒物質(zhì)量濃度分布Fig.5　Distributions of particle mass concentration atz= 1.1 m plane for the four air supply modes

由圖4和5可以看出，在碰撞射流通風(fēng)和置換通風(fēng)工況下，室內(nèi)大部分人員活動(dòng)區(qū)的顆粒物質(zhì)量濃度均低于地板送風(fēng)和混合通風(fēng)方式，這是由于前兩者的通風(fēng)量明顯高于后兩者. 然而，在碰撞射流通風(fēng)和置換通風(fēng)工況下的室內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度分布非常不均勻，在遠(yuǎn)離送風(fēng)口的近地面處存在高濃度區(qū).這是由于這2種送風(fēng)方式在近地面處氣流呈水平流動(dòng)(圖3(a)和3(b))，缺乏向上的氣流將顆粒物攜帶到房間上部，懸浮顆粒隨送風(fēng)的水平氣流流向送風(fēng)口對(duì)面的墻體，最終在送風(fēng)口對(duì)面墻體附近聚集. 與置換通風(fēng)相比，碰撞射流通風(fēng)近地面處氣流水平運(yùn)動(dòng)慣性更大，因此，顆粒物高濃度區(qū)分布范圍更寬. 而地板送風(fēng)和混合通風(fēng)房間，由于污染源附近存在鉛直方向的氣流運(yùn)動(dòng)，便于將人員行走懸浮起來的顆粒物攜帶到房間上部空間，因此室內(nèi)的顆粒物質(zhì)量濃度分布比較均勻，僅在地面附近渦流區(qū)內(nèi)出現(xiàn)極小范圍的高濃度區(qū).

2.3不同送風(fēng)方式排污效率對(duì)比

排污效率是衡量通風(fēng)性能的重要指標(biāo)，它用來評(píng)價(jià)空調(diào)送風(fēng)排除污染物的能力. 經(jīng)濟(jì)有效的空調(diào)送風(fēng)方式，在滿足室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)熱舒適性的基礎(chǔ)上，更有效地排除室內(nèi)污染物，從而達(dá)到提高室內(nèi)空氣品質(zhì)的目的. 排污效率εp的計(jì)算式[16]為

(1)

(a)dp= 2.5m

(b)dp= 7.0m圖6　4種送風(fēng)方式排污效率沿高度的變化Fig.6　Vertical variations of the contaminant removing efficiency of the four air supply modes

由圖6可以看出，4種送風(fēng)方式的排污效率均隨房間高度的增大而增大，并且地板送風(fēng)和混合通風(fēng)的排污效率高于置換通風(fēng)和碰撞射流通風(fēng)，特別是在房間下部區(qū)域. 這是因?yàn)楹髢烧邇H依靠熱羽流難以將顆粒物完全輸送到上部回風(fēng)口排出，而前兩者送風(fēng)氣流在室內(nèi)混合流動(dòng)，氣流以慣性驅(qū)動(dòng)為主，慣性力比熱浮力具有更強(qiáng)的固態(tài)污染物輸運(yùn)能力，底部污染源顆粒更容易被攜帶至房間上部排出. 此外，對(duì)比圖6(a)和6(b)可以看到，地板送風(fēng)和混合通風(fēng)房間的排污效率幾乎與顆粒物粒徑無關(guān)，而置換通風(fēng)和碰撞射流通風(fēng)房間排污效率受粒徑影響很大，小顆粒的排污效率明顯高于大顆粒.

2.4人員呼吸區(qū)的顆粒物質(zhì)量濃度對(duì)比

為了進(jìn)一步分析碰撞射流通風(fēng)方式對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響，比較了不同粒徑顆粒在人體站立時(shí)呼吸區(qū)(距地面1.6～1.8 m區(qū)域空間)的質(zhì)量濃度(如圖7所示)，以及工作人員坐姿時(shí)距人體周圍0.03 m和距地面0～1.2 m范圍內(nèi)的質(zhì)量濃度(如圖8所示).

(a) 濃度分布

(b) 平均濃度箱形邊界線表示25%分位線、中位線和75%分位線；箱形兩端須線表示5%分位線和95%分位線；箱內(nèi)點(diǎn)表示平均值；箱外點(diǎn)表示最大值和最小值圖7　4種送風(fēng)方式人體站立時(shí)呼吸區(qū)的顆粒物質(zhì)量濃度Fig.7　Particle mass concentration in the breathing plane while the occupant standing for the four air supply modes

(a) 碰撞射流通風(fēng)

(b) 置換通風(fēng)

(c) 地板送風(fēng)

(d) 混合通風(fēng)箱形邊界線表示25%分位線、中位線和75%分位線；箱形兩端須線表示5%分位線和95%分位線；箱內(nèi)點(diǎn)表示平均值；箱外點(diǎn)表示最小值圖8　4種送風(fēng)方式工作人員坐姿時(shí)人體周圍的顆粒物質(zhì)量濃度Fig.8　Particle mass concentration around the occupant while sitting for the four air supply modes

由圖7可以看出，4種送風(fēng)方式下人體站立時(shí)呼吸區(qū)的顆粒物質(zhì)量濃度由高到低的順序是：混合通風(fēng)、地板送風(fēng)、碰撞射流通風(fēng)和置換通風(fēng)，其中碰撞射流通風(fēng)工況與置換通風(fēng)工況在所有粒徑下的顆粒物質(zhì)量濃度數(shù)值均很接近，約為混合通風(fēng)時(shí)的0.5倍. 這是由于為了滿足空調(diào)熱舒適性的需求，混合通風(fēng)、地板送風(fēng)系統(tǒng)所需要的風(fēng)量明顯低于碰撞射流通風(fēng)和置換通風(fēng)工況，前兩者約為后兩者的一半.

3　結(jié)　語

本文對(duì)碰撞射流通風(fēng)在夏季工況時(shí)人員行走行為導(dǎo)致的再懸浮顆粒物在室內(nèi)空間分布進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，分析了碰撞射流通風(fēng)房間的顆粒物質(zhì)量濃度分布特征，并與其他通風(fēng)方式進(jìn)行了比較，主要結(jié)論如下：

(1) 碰撞射流通風(fēng)的室內(nèi)顆粒物排污效率隨房間高度的增大而增大，與置換通風(fēng)相似. 兩者排污效率均低于地板送風(fēng)和混合通風(fēng)方式，且濃度分布不均勻，容易使懸浮粒子聚集在送風(fēng)口對(duì)面的墻體附近；

(2) 在碰撞射流通風(fēng)工況下，人體呼吸區(qū)顆粒物質(zhì)量濃度隨著粒徑的增大而增大，由于熱舒適需求使其送風(fēng)量大于混合通風(fēng)，因此盡管排污效率較低，但人體站姿和坐姿時(shí)呼吸區(qū)顆粒物平均質(zhì)量濃度均遠(yuǎn)低于混合通風(fēng)；

(3) 由于送風(fēng)口布置在房間的一側(cè)壁面，碰撞射流通風(fēng)與置換通風(fēng)房間中坐姿人員周圍的顆粒物質(zhì)量濃度明顯受到人員空間位置影響，離送風(fēng)口越遠(yuǎn)，濃度越大.

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Numerical Investigation of Indoor Suspended Particle Concentration in Impinging Jet Ventilated Room

ZUOBin1,2,ZHONGKe1,ZHUHui1,KANGYan-ming1

(1. School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China;2. School of Hydraulic, Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)

Indoor particle distributions in impinging jet ventilated (IJV) rooms in summer with people walking were studied by employing numerical simulations. The particle mass concentration field in the IJV room was analyzed and compared with the cases of the other existing supply modes. The influences of particle size on the mass concentration distributions in the breathing plane and other regions of the IJV room were also discussed and analyzed.

impinging jet ventilation；suspended particle；contaminant removing efficiency；breathing plane；particle mass concentration

1671-0444(2015)03-0369-07

2014-04-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278094)；上海市教委科技創(chuàng)新重點(diǎn)資助項(xiàng)目(13ZZ054)

左濱 (1980—)，女，江蘇揚(yáng)州人，講師，博士研究生，研究方向?yàn)槭覂?nèi)空氣品質(zhì). E-mail: zuobin@yzu.edu.cn

TU 831.3

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