置换通风不同风量下颗粒分布的数值研究

摘要：室内颗粒造成室内空气污染，危害人体健康，其分布作为影响室内空气品质的一个重要因素，正日益受到人们的关注。通 风是稀释、去除室内颗粒的有效方法，通风房间室内颗粒分布受到很多因素的影响，包括通风形式、送风量、颗粒源位置等。本文采用考虑了颗粒沉降效应的三维滑 移通量（drift flux）模型，用数值模拟的方法分析了置换通风形式下有颗粒源的房间内，三种不同风量下1、2.5、5、7.5、10微米五种粒径颗粒的分布情况，颗粒 源位于房间中部。结果表明：置换通风下，风量对不同粒径的颗粒分布影响很大。同样的风量下，大粒径颗粒扩散范围比小粒径颗粒广，而且小粒径颗粒在房间上部 区域浓度比较大，大粒径颗粒在房间下部区域浓度较大。随着风量的增加，小粒径颗粒在整个通风房间内扩散；大粒径颗粒容易向房间上部区域扩散。而且，粒径越 大，风量变化对颗粒分布的影响也越大。

1 背景

随 着经济的发展、人们生活水平的提高，人们对建筑环境的要求也越来越高。人们对人居环境的要求，已经不仅仅限于对传统的温度、速度、湿度的要求，而提升到对 与室内可挥发有机物、颗粒物质等密切相关的室内空气品质（IAQ：Indoor Air Quality）的要求上来。空气动力学当量直径小于10μm的颗粒称为可吸入颗粒物（记做PM10），可通过呼吸进入人体的上下呼吸道。颗粒物上富集了 重金属、酸性氧化物、有机污染物（如多环芳烃、农药等），并且是细菌、病毒和真菌的载体，是对人体危害最大的污染物，已引起世界各国的广泛关注 [1~4]。近年来众多学者的研究表明，长期暴露在颗粒物质中，对人体呼吸道疾病、眼睛和皮肤过敏等健康问题影响很大[5~7]，也导致死亡率和发病率有 所增加[8~9]。2003年春季肆虐全球的严重急性呼吸综合症（SARS:severe acute respiratory syndrome），其病毒微生物及载体也是一种微小的生物颗粒（0.08－0.12微米）。鉴于颗粒物质可能造成的种种不利影响，室内颗粒分布作为影响 IAQ的一个重要因素，正日益受到人们的关注[5]。同时，模拟预测室内颗粒分布对于评价建筑环境、指导实际的通风空调的设计也有着重要意义。

由 于室内颗粒会造成种种危害，所以研究影响室内颗粒运动和分布的因素以及有效去除室内颗粒的方法具有重要意义。室内颗粒浓度受室外颗粒浓度、换气量、室内颗 粒发生源、颗粒沉降、颗粒穿透、颗粒二次悬浮以及人的活动等因素影响。通风是一种稀释、去除室内污染物的有效方法，可防御颗粒对室内环境的污染。通风房间 室内颗粒的运动和分布受很多因素的影响，主要是气流组织、颗粒特性、房间的几何特性、室内热源、室内颗粒源位置等。其中气流组织的影响包括通风形式、通风 量、进出风口位置的布置等。相同房间内不同通风量具有不同的流场，颗粒在不同的流场中其运动和分布是很不一样的。对于不同特性的颗粒，其分布和运动也是随 着通风量的不同显示出很大差异。因而，有必要研究通风房间不同通风量下室内颗粒的分布，以便更有效的稀释、去除室内颗粒，提高IAQ。

置换通风是典型的通风方式之一，下面将借助于数值模拟手段，对不同粒径的颗粒在置换通风房间内不同风量下的分布进行比较、分析。

2 数值模拟方法

对 于通风室内的空气流动，本文采用集成了N点风口动量模型[10]和一个新零方程湍流模型[11]的简捷数值模拟方法进行数值模拟。该方法已经经过置换通风 [10]、混合通风[10]以及座椅送风等算例的验证[12]，能取得和实验数据吻合较好的模拟结果。对于室内生物颗粒的气溶胶系统，本文采用可考虑颗粒 沉降效应的滑移通量模型（drift flux model）[13]模拟颗粒分布，相比将颗粒相简单当作空气被动运输的组分的处理方法而言，该模型能考虑颗粒与空气之间的滑移，因此能更为合理地模拟室 内颗粒的运动和分布。目前，该模型已经成功地被Murakami等人[14]、Holmberg和Li [13]分别用于模拟通风空调室内颗粒的运动和分布。

2.1 控制方程

以张量形式表示的室内空气流动和颗粒运动控制方程如下：

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(4)