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(浙江工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,浙江 杭州 310014)

隨著科技的進步以及生活水平的提高,人們對于環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高。近年來,霧霾、沙塵暴等環(huán)境問題一直都是大家關(guān)注的焦點,國家政府對于環(huán)境問題也是高度重視,對于污染物的排放出臺了相關(guān)政策。目前,室外環(huán)境質(zhì)量問題已經(jīng)得到了一定的控制和改善,但是,有關(guān)于室內(nèi)空氣質(zhì)量(IAQ)的研究還是極為缺乏,且缺少系統(tǒng)性地分析,在預(yù)防和控制等方面都略顯薄弱[1-2]?？諝庵蓄w粒物濃度的增大會增加某些疾病的發(fā)病率[3-5],顆粒物具有多孔結(jié)構(gòu),漂浮在空氣中的各種細菌病毒會附著在顆粒物中,人類在呼吸的過程中,會將顆粒物帶入呼吸道內(nèi),隨之細菌病毒同樣也會進入,小粒徑的顆粒物甚至可以進入人的肺部,產(chǎn)生極大的危害[6-7]。有研究表明:人類有80%～90%的時間是在室內(nèi)度過的,因此對于室內(nèi)環(huán)境的研究就顯得尤為重要。人生活的室內(nèi)環(huán)境中,存在很多肉眼不可見的污染物,不同粒徑的微小顆粒物就是室內(nèi)環(huán)境污染物的一種。在一般情況下,這些不同粒徑的污染物沉積在地面上,室內(nèi)的各種活動都會引起顆粒物的二次懸浮[8]。因此,研究室內(nèi)地面顆粒物的二次懸浮可以有效地改善室內(nèi)環(huán)境。

目前,空調(diào)已經(jīng)成為人類生活不可或缺的一部分,無論是在公司還是家里,都會用空調(diào)來調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境,使室內(nèi)空氣得到流通,以及降低或提高室內(nèi)溫度,特別是在一個密閉的空間里,空調(diào)對于空氣流通的作用就更為明顯。Jiang等[9]研究了通風(fēng)房間內(nèi)的顆粒運動情況,首先采用大渦模擬的方法計算瞬態(tài)流場,然后利用拉格朗日得到室內(nèi)顆粒的運動軌跡和分布情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn)小顆粒跟隨氣流流動相對較好,不易沉降,且能逸出房間,大顆粒則易沉降。Goldasteh等[10]發(fā)現(xiàn)地板和腳在步態(tài)周期之間產(chǎn)生的高速氣流是顆粒再懸浮的主要原因。模擬結(jié)果表明:在足部向下運動時,顆粒與基體分離。此外,腳在向上運動的過程中,也可能產(chǎn)生吸入流引起顆粒物再懸浮。隨著生活水平的提高,空調(diào)得到了廣泛的應(yīng)用,然而,與空調(diào)系統(tǒng)和室內(nèi)空氣質(zhì)量有關(guān)的健康問題更為常見。Yu等[11]綜述了近年來空調(diào)系統(tǒng)和室內(nèi)空氣質(zhì)量控制對人體健康影響的研究進展,總結(jié)了現(xiàn)有研究中存在的問題。因此,氣流對于顆粒物的運動會產(chǎn)生較大影響,目前的研究僅僅是在通風(fēng)的情況下,氣流對顆粒物二次懸浮的影響,筆者研究室內(nèi)中央空調(diào)掃風(fēng)情況下對顆粒物懸浮的影響,進風(fēng)口的氣流方向在實時變化。主要研究中央空調(diào)掃風(fēng)情況下對地面顆粒物二次懸浮的影響,通過CFD技術(shù)對該情況進行數(shù)值模擬,揭示顆粒物二次懸浮的狀態(tài),以此來進行分析和研究。

1 基本理論

1.1 湍流計算模型

湍流指的是雷諾數(shù)大于2 000的流動狀態(tài),目前對于湍流的研究主要是實驗和數(shù)值模擬兩種方法。實驗方法主要是流動監(jiān)測和測量,而數(shù)值模擬方法比較多,包括直接數(shù)值模擬方法、Reynolds平均法和大渦模擬方法。大渦模擬是將小漩渦對湍流場的影響進行簡化,忽略較小尺寸的漩渦的影響,而是對湍流流場進行大漩渦模擬。直接數(shù)值模擬雖然結(jié)果會比較精確,但是它對電腦內(nèi)存、CPU等硬件的要求特別高,一般情況下硬件達不到要求。而Reynolds平均法是對湍流流場中瞬態(tài)脈動量進行均化處理,可減少一定的模擬計算量,簡化了數(shù)值計算過程。所以這種方法對計算機的要求不是很高。由于硬件限制的原因,采用Reynolds平均法中的k—ε模擬的方法對室內(nèi)湍流進行研究預(yù)測[12]。

目前在分析湍流數(shù)值模擬過程中,運用最廣泛的就是k—ε模型,k—ε模型包括標(biāo)準(zhǔn)的k—ε方程、RNGk—ε方程和Realizablek—ε方程[13]。主要采用RNGk—ε模型來模擬三維湍流流場,RNGk—ε模型計算效率更快以及在計算過程中更加穩(wěn)定,它也相當(dāng)準(zhǔn)確地描述了大范圍的湍流流動[14]。和標(biāo)準(zhǔn)的k—ε模型相比較,RNGk—ε模型很好地實現(xiàn)了室內(nèi)氣流組織的模擬,并且模擬結(jié)果和實測數(shù)據(jù)已經(jīng)能夠很好吻合[15]。

1.2 離散相粒子模型

考慮到室內(nèi)環(huán)境中的顆粒大小和密度,其中有一些力足夠小,可以忽略不計,Zhao等[16]給出了在粒子上選擇適當(dāng)外力的詳細分析。離散隨機游走(DRW)模型用于分析考慮到瞬時湍流速度波動對顆粒分散性的影響。因此,相應(yīng)的質(zhì)點運動方程為

式中:ui為粒子的速度;xi為粒子的位置;d為直徑;μ為動力黏度;CD為阻力系數(shù);Re為相對雷諾數(shù);gi為重力加速度;Fl為每單位質(zhì)量顆粒[17]Saffman升力;ρ為粒子密度;Cc為Cunningham因子,可表示為

Cc=1+Kn[1.257+0.4exp(-1.1/Kn)]

其中Knudsen數(shù)定義為

式中λ為流體的平均自由程。

筆者所討論的顆粒物都是離散相,且相互之間的作用力可以忽略不計,并且顆粒物可視為球形。因此,可以使用離散相模型DPM(Discrete phase model)來模擬顆粒物的分布情況[18]。

1.3 顆粒沉積模型

二次懸浮顆粒的重新沉積需要考慮到布朗運動、湍流沖擊和重力沉降。顆粒的沉積速度uD為

式中:Sc為c施密特數(shù);τ,τg分別為量綱和無量綱粒子的弛豫時間;u*為剪切速度。

而在n個時間步長里對于給定尺寸顆粒云的沉積質(zhì)量Mdn為

Mdn=uDCm(n-1)SnΔt

式中:Sn為顆粒云的平均投影面積;Δt為步進時間;Cm(n-1)為顆粒云在開始時顆粒的質(zhì)量濃度[19]。

1.4 追蹤粒子模型

一般而言,研究室內(nèi)顆粒物的二次懸浮主要是研究顆粒物運動的軌跡。歐拉法對于稀疏的氣固兩相流和顆粒粒徑分布廣且其粒徑大小不斷改變的兩相流均不太適用,拉格朗日法相比較于歐拉法在該研究中更加適用,拉格朗日法可以有效追蹤顆粒的運動軌跡,因此在研究氣流組織的運動時,拉格朗日方法有明顯優(yōu)勢[20-21]。

由于室內(nèi)環(huán)境中,氣流對顆粒物的運動影響比較大,而顆粒物對于空氣的流動影響基本可以忽略,所以在模擬過程中,采用拉格朗日軌跡追蹤法計算室內(nèi)顆粒物的懸浮情況。在計算過程中將氣體設(shè)為連續(xù)相,而顆粒物設(shè)為離散相。

2 模型建立

空調(diào)掃風(fēng)情況下室內(nèi)顆粒物二次懸浮所采用的模型:6 m×4 m×3.5 m的長方形模型,房間頂部為中央空調(diào),空調(diào)內(nèi)機尺寸為840 mm×840 mm,出風(fēng)口尺寸為480 mm×8 mm,回風(fēng)口尺寸為470 mm×470 mm,空調(diào)距離地面高度3.5 m。該空調(diào)4個出風(fēng)口均可進行掃風(fēng),風(fēng)速為4.322 m/s,角度為0°～90°。模型結(jié)構(gòu)如圖1所示,該模型較為簡單,但是對于網(wǎng)格質(zhì)量要求很高,與現(xiàn)有的非結(jié)構(gòu)化動網(wǎng)格進行比較,結(jié)構(gòu)化動網(wǎng)格提高了計算精度，且具有網(wǎng)格質(zhì)量高、網(wǎng)格數(shù)量和疏密易控制等優(yōu)點[22]。因此采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對其進行網(wǎng)格劃分,總網(wǎng)格大約為332 141個,具體劃分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 房間結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of room structure

圖2 房間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of room grid structure

此模擬按照實際生活中天井式空調(diào)設(shè)計,4個出風(fēng)口和回風(fēng)口均分布于頂部中央位置。地面上通過DPM模型總共設(shè)置10萬個粒子,顆粒物直徑0.000 01 m。粒子的初始位置在地面上,在室內(nèi)空氣流場作用下,粒子會產(chǎn)生二次懸浮的現(xiàn)象,經(jīng)過一定時間,顆粒物會隨著流場的運動被攜帶出房間,本模擬主要研究顆粒物的二次懸浮軌跡。

Fluent中的UDF(User-defined function)功能可以實現(xiàn)特殊邊界條件、定制材料特性和建立新的物理模型等功能[23]。模擬空調(diào)的掃風(fēng)狀態(tài)采用UDF進行控制,在Fluent中導(dǎo)入已經(jīng)編寫的UDF程序就可以實現(xiàn)空調(diào)的掃風(fēng)。

模型建立后,試驗風(fēng)速與模擬風(fēng)速對比結(jié)果如圖3～5所示,其中試驗風(fēng)速采用風(fēng)速計進行在與模型對照相同位置的XYZ3個方向測量。由圖3～5可知:該計算模型可用來模擬該實驗。

圖3 X方向?qū)嶒炁c模擬風(fēng)速對比Fig.3 The simulated and experimental wind speed in the X direction

圖4 Y方向?qū)嶒炁c模擬風(fēng)速對比Fig.4 The simulated and experimental wind speed in the Y direction

圖5 Z方向?qū)嶒炁c模擬風(fēng)速對比Fig.5 The simulated and experimental wind speed in the Z direction

在理論數(shù)值研究上,采用非定常計算的方法求解室內(nèi)流場的湍流計算問題。氣流和顆粒的相互作用引入氣-固雙向耦合方法。在邊界條件的處理上,利用動網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)空調(diào)掃風(fēng)的周期性運動特征。最后,利用Fluent數(shù)值計算軟件,實現(xiàn)數(shù)值計算結(jié)果的三維可視化,分析相關(guān)模擬數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果分析

3.1 速度場與渦量分析

圖6為空調(diào)掃風(fēng)情況下40 s時的速度流線圖,可以看出:由于空調(diào)掃風(fēng)的作用,室內(nèi)產(chǎn)生了相對穩(wěn)定的速度場,離地面較高的區(qū)域風(fēng)速最大,地面速度相對較大,頂部四周速度較小,且可以看出流線在四周均呈現(xiàn)對稱分布,這些速度場的存在會使地面上的顆粒物產(chǎn)生二次懸浮,所以空調(diào)掃風(fēng)會增加顆粒物的二次懸浮濃度。

從圖6中可以看出：在空調(diào)掃風(fēng)的情況下,整個房間都會存在速度場,因此可以推測,沉積于地面的微小顆粒物在速度場的帶動下將會充滿整個房間。

圖6 空調(diào)通風(fēng)速度流線圖Fig.6 Velocity streamline diagram of air-condition wind swept

圖7為Y=0平面上速度矢量圖,可看出:在靠近地面處以及頂部兩側(cè)產(chǎn)生了漩渦,在這些漩渦的帶動下,地面上的顆粒物再次懸浮,增加空氣中的懸浮濃度和顆粒物密度。圖7箭頭所指的位置可以明顯看出有較大的漩渦,在其余位置,同樣具有類似的漩渦,在垂直面上可以看出紊亂氣流是造成顆粒物二次懸浮的重要原因。

圖7 Y=0平面上速度矢量圖Fig.7 Velocity vector diagram on Y=0 plane

圖8為Z=0平面上的渦量和速度矢量圖,渦量圖描述的是Z=0平面上漩渦的大小,描述的是流場的紊亂程度。從圖8可以看出中間出現(xiàn)了一個較大的漩渦,其他位置也有一些較小的漩渦,正由于這些漩渦的存在,會使地面上的顆粒物產(chǎn)生二次懸浮。

圖8 Z=0平面上渦量和速度矢量圖Fig.8 vorticity and velocity vector diagram on Z=0 plane

圖9描述的是不同高度的渦量圖,可以看出Z=1.5 m位置的渦量最小,而Z=0處的渦量最大,說明空調(diào)掃風(fēng)的作用下,地面上會產(chǎn)生較大的漩渦,流場比較紊亂,流場越紊亂,越容易使地面上的顆粒物懸浮起來。所以當(dāng)空調(diào)掃風(fēng)的時候,地面上會產(chǎn)生紊亂的流場,導(dǎo)致顆粒物二次懸浮。

從圖9中可以發(fā)現(xiàn):速度云圖較為對稱,也可以證明在空調(diào)掃風(fēng)的情況下,房間的速度場都較為對稱。高度越低,越靠近空調(diào)正下方,渦量越大,顆粒物運動越劇烈。

圖9 Z為0,1.5,3.0 m的渦量圖Fig.9 Vorticity diagrams of Z for 0,1.5,3.0 m

3.2 顆粒物運動軌跡分析

圖10是不同時刻,室內(nèi)通風(fēng)情況下顆粒物的運動軌跡圖。從圖10中可以看出:當(dāng)空調(diào)剛開啟的時候,位于地面中央位置的顆粒物首先受到作用,中部顆粒物會產(chǎn)生一定速度并且會向上運動,四周顆粒物會向中間靠攏,接著顆粒物開始懸浮,向出風(fēng)口運動,中部顆粒物在上風(fēng)以及下風(fēng)的共同作用下,顆粒物懸浮濃度最大,最后顆粒物開始慢慢地向四周擴散,直至充滿整個房間,顆粒物在此過程中會因氣流攜帶作用產(chǎn)生逸散,導(dǎo)致室內(nèi)顆粒物的總數(shù)目就減少。當(dāng)t為30,35 s時出風(fēng)口的顆粒物懸浮濃度較大,有較多的顆粒物被出風(fēng)口吸進去,排到室外。當(dāng)t為35,40 s的時候顆粒物基本已經(jīng)充滿了整個房間,地面上的顆粒物懸浮了起來,空氣中的顆粒物濃度有大幅提高,在高度1.5 m處,顆粒物懸浮數(shù)量達到頂峰。所以在開啟空調(diào)掃風(fēng)的情況下,在一定程度上會使室內(nèi)空氣中懸浮顆粒物的濃度增加。從數(shù)值模擬中可以清楚地了解顆粒物懸浮的軌跡。

圖10 空調(diào)通風(fēng)顆粒物運動軌跡追蹤圖Fig.10 Tracking chart of moving particles under the condition of air-condition wind swept

總體而言,在空調(diào)掃風(fēng)情況下,顆粒物會散布到整個房間,房間里高度較低處的顆粒物濃度較高,高度較高處的顆粒物濃度較低,并在某一位置達到顆粒物二次懸浮的最大值,可為辦公室室內(nèi)布局提供參考。

3.3 粒子撞擊分析

圖11 顆粒物撞擊地面數(shù)量Fig.11 The number of particles hitting on the ground

圖11為顆粒物撞擊地面的數(shù)量,從圖11中可以看出:模擬一開始,沉積在地面上的顆粒物在速度場的作用下開始懸浮,從而離開地面。顆粒物在經(jīng)歷氣相介質(zhì)中的運動后,撞擊地面,之后顆粒物產(chǎn)生反彈,再次離開地面,產(chǎn)生懸浮。在空調(diào)掃風(fēng)的情況下,不停地撞擊地面,再次反彈,重復(fù)該過程,但是撞擊顆粒物的數(shù)量在逐漸減少.5～40 s逐漸趨于穩(wěn)定,地面上的顆粒物都處于懸浮狀態(tài)。

圖12為顆粒物撞擊壁面的數(shù)量,從圖12中可以發(fā)現(xiàn):模擬一開始顆粒物都沉積在地面上,沒有顆粒物撞擊壁面,從4 s左右開始,有顆粒物撞擊壁面,且與地面一樣,顆粒物在撞擊壁面之后,顆粒物產(chǎn)生反彈,6～10 s顆粒物撞擊壁面數(shù)量出現(xiàn)波動,急劇增加,10～40 s趨于穩(wěn)定,但是撞擊壁面的顆粒物數(shù)量為總粒子的1/3。

圖12 顆粒物撞擊壁面數(shù)量Fig.12 The number of particles hitting on the wall

顆粒物地面數(shù)量初始設(shè)置為10萬個,模擬結(jié)束共有44 218個,從出風(fēng)口逃逸55 782個。說明在空調(diào)掃風(fēng)的情況下,地面上所沉積顆粒物被氣流攜帶到上部空氣中,并且隨著掃風(fēng)所形成的穩(wěn)定氣流運動,在房間頂部由于空調(diào)出風(fēng)口的存在,一部分粒子隨著氣流逸出,很大一部分粒子在出風(fēng)口的綜合作用下重新回到室內(nèi)空氣中。

4 結(jié) 論

采用非定常計算方法對室內(nèi)掃風(fēng)情況下顆粒物二次懸浮進行數(shù)值模擬,分析室內(nèi)不同高度的渦量和速度矢量情況,觀察顆粒物運動的軌跡流線圖,對顆粒物二次懸浮的軌跡進行研究,得到結(jié)論:通過流線圖可以發(fā)現(xiàn)空調(diào)掃風(fēng)在室內(nèi)會產(chǎn)生較多的渦,且在地面上的渦量最大,這些渦會增大地面上顆粒物的二次懸浮。通過研究空調(diào)掃風(fēng)對二次懸浮的影響,分析流線圖,結(jié)合人類在室內(nèi)的工作狀態(tài),可以在空調(diào)出風(fēng)口位置等方面進行科學(xué)地改善。通過對顆粒物二次懸浮濃度的研究,可以科學(xué)合理地安排人的工作位置,減少在空調(diào)出風(fēng)口的工作位置,減少顆粒物濃度高的位置的活動,減少顆粒物的二次懸浮對人體造成的慢性傷害。研究為生活環(huán)境中空氣顆粒物二次懸浮提供數(shù)據(jù)藍本,可在此基礎(chǔ)上的特定位置選擇合適的空氣凈化設(shè)備,減少微小顆粒物在室內(nèi)的沉積以及二次懸浮,改善人居環(huán)境的空氣質(zhì)量。