室内气流组织对PM2.5分布影响的模拟研究

室内气流组织对PM2.5分布影响的模拟研究

陈忠海张含芝郭焕丽刘忠峰孟佳杰

河北建筑工程学院

摘要：本文采用数值模拟的方法，以体育馆的更衣室为例，模拟了四种不同气流组织以及不同送风口速度对PM2.5颗粒浓度分布的特点。结果表明：顶送下回形式下的房间内细颗粒物的浓度分布较少，有效的排出PM2.5，降低其室内的浓度；不同的送风速度下，室内PM2.5平均浓度随速度增大而减少。因此，选择合理的气流组织与送风口速度可直接有效的降低室内颗粒物浓度。

关键词：PM2.5浓度分布；气流组织；送风口速度；数值模拟

引言：目前，人们更多的关注生活品质和质量的改善。而在暖通领域中，已不仅仅是对温湿度的控制，而更注重于对热舒适性和室内空气品质的要求。尤其是近几年对雾霾的关注与治理愈加重视。并且，颗粒物污染影响着一些疾病的诱发，与肺炎、慢性呼吸道甚至肺癌等疾病有关，影响人类健康[1]。因此，降低室内的颗粒物污染程度尤为关键。

在2022年，我们国家将迎来北京冬奥会，冬天的北京室外PM2.5的浓度是偏高的，但由于场馆内届时会有大量的运动员和观众，因此对控制体育馆内PM2.5的浓度提出了很高的要求。影响PM2.5浓度的因素有很多[2][3]，其中不同的气流组织对PM2.5的分布有直接的影响。因此，本文以装有空调系统的奥运馆更衣室为例，研究分析空调不同气流组织对PM2.5分布的特点，借助模拟手段，模拟四种不同送回风口以及不同的送风口速度两个条件下，更衣室内PM2.5浓度分布的不同，对比并分析最佳的气流组织。

1模拟仿真模型

1.1物理模型

针对更衣室的人员走动较少，扰动因素小的特点，以体育馆更衣室作为模拟对象。为节省计算机运算时间，同时保证模拟结果的精确性，将更衣室简化，更衣室中仅放置一个柜子与一个长凳。根据PM2.5细颗粒的特性，颗粒的粒径设为2.5μm，很易随室内气流流动，将颗粒设为随空气流动。此次的模拟分析四种典型的送回风口位置，分别为同侧上送下回，异侧上送下回，顶送下回，顶送顶回四种方式。在这四种方式下同时模拟不同送风口速度，以2m/s和3m/s模拟。模型中各种物体的参数见表1。

1.2计算方法

本文数值模拟的过程分为连续相模拟和离散相模拟两个部分。FLuent中的离散相模型（DPM）要求分散相的体积分数要小于10％，而PM2.5在空气中非常稀薄，体积分数远小于10％，因而颗粒与颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响可忽略不计[4]。模拟采用有限容积法离散计算区域，选用四面体的网格类型。相对于SIMPLE算法，SIMPLEC算法可加快迭代计算的收敛速度，而且本次模拟是在稳态下进行的，故本文采用SIMPLEC算法。为了提高模拟精度，动量、紊流动能和紊流扩散率皆采用二阶迎风格式离散（secondorderupwind）。为了简化问题，假设颗粒不发生相变，颗粒之间既无碰撞也无化学反应，因此，本次模拟中，颗粒所受力仅考虑重力、布朗力以及Saffman升力。

1.3控制方程

流体流动的控制方程有：质量守恒方程（连续性方程）、动量守恒方程。下面2个方程针对粘性为常数的牛顿流体的不可压缩恒定流而建立。

质量守恒方程：

1.4边界条件

连续相的边界条件详见表1，房间的墙面、顶部、地面以及柜子长凳的表面均设为无滑移的壁面条件。入口边界与出口边界紊流皆采用紊流强度和水力直径定义，紊流强度选择10％。入口速度分别设为2m/s以及3m/s。

对于颗粒相，不考虑其他因素，假设PM2.5由空调送风口引进。颗粒的尺寸为2.5μm，颗粒密度为1450kg/m3，冬季北京雾霾较大，取PM2.5颗粒物浓度平均值200μg/m3。离散相的边界条件设置如下：入口和出口边的离散边界条件均设置为捕集（trap）；考虑颗粒碰到壁面即沉降，不发生二次悬浮，室内的地面、屋顶、地面以及物体表面的离散边界条件均设置为逃逸（escape）。

2模拟结果分析

为了对比分析室内气流与PM2.5颗粒物浓度的空间分布模拟结果，在室内选取一些具有代表性的平面：1）选取房间的中轴面y=2m；2）由于室内人员常处于坐姿状态，因此重点分析横切面z=1m处PM2.5浓度分布的特点。

2.1气流组织的影响

对同侧上送下回，异侧上送下回，顶送下回，顶送顶回四种气流组织形式下进行模拟。四种气流组织下进入室内的PM2.5浓度均设为200μg/m3，送风口的速度均为2m/s，各种方式下的送回风口的尺寸详见表1，其他条件均一致。设置完各项参数与边界条件后，通过模拟计算，达到稳定后，将PM2.5浓度分布的模拟结果输出，详见图1的abcd。

图1.不同气流组织在y=2m处PM2.5浓度分布图

由图1模拟结果可知，在Y=2m处的纵平面上，PM2.5颗粒的浓度分布影响和气流组织的形式关系很密切。比较图1中a和b同侧和异侧的上送下回形式，可明显看出PM2.5颗粒物浓度是基本沿房间内的空气流场而分布。这是由于颗粒物随空气从送风口进入后，颗粒物质量较轻易随着空气的流动方向漂浮，并且可发现PM2.5浓度较集中的地方为远离送风口的一端，可达到1.2×10-2kg/m3。而图1中c和d中顶送下回和顶送顶回的形式，PM2.5浓度较前两者有所减少，集中分布在房间底部，浓度最高达到8.2×10-3kg/m3。

d.顶送顶回

图.2不同气流组织在z=1m处PM2.5浓度分布图

分析图二中各种气流组织影响的情况：在人体坐姿状态的横切面z=1m处，同侧和异侧上送下回形式中，颗粒物浓度仍然是分布在离送风口远端，由于房间布置一侧有衣柜，颗粒物浓度在房间另一侧集中分布；顶送下回和顶回的形式中，颗粒物浓度分布在墙角较为集中。四种气流组织影响的PM2.5浓度最高分别达到7.77×10-3kg/m3、9.54×10-3kg/m3、3.68×10-3kg/m3、4.89×10-3kg/m3。

2.2送风口速度的影响

结合PM2.5颗粒物小而轻的特性，模拟送风口在不同速度下颗粒物浓度分度的影响。以同侧上送下回的气流组织为例，送风口速度分别为2m/s和3m/s。根据房间以及送回风口位置的特点，将模拟结果显示在中轴面Y=2m处的纵平面上。速度分布与PM2.5的浓度分布模拟结果参见图3和图4。

图4.y=2m处的PM2.5浓度分布图（左为速度3m/s，右为2m/s）

分析模拟结果可知，由上述可知，同侧上送下回的形式使得颗粒物大多集中在房间离送风口远端，不同的是送风口速度为3m/s时，颗粒物已有部分沉降于地面，而速度为2m/s时，颗粒物大部分为悬浮状态。并且送风口速度越大，PM2.5浓度反而小一些，浓度最大值分别为。

3结论

本文运用Fluent软件对更衣室房间内不同气流组织和流速影响因素下，PM2.5颗粒物的浓度分布进行了模拟分析，由模拟结果可得出以下结论：

PM2.5因其颗粒小而轻，空气则成为细颗粒物的良好载体，在空调条件下，PM2.5颗粒的轨迹与流场方向相似，具有一定的流动性和跟随性。

不同的气流组织形式下，室内PM2.5颗粒平均浓度大小依次为：顶送下回＜顶送顶回＜同侧上送下回＜异侧上送下回。顶送下回方式下室内通风顺畅，颗粒污染物可以快速的沉降并排出。异侧上送下回形式的室内气流组织不平稳，造成PM2.5颗粒在人员坐姿状态平面上积聚，难以稀释和消散，不利于身体健康。

不同的送风速度下，室内PM2.5颗粒平均浓度随速度增大而降低。速度越大，细颗粒物可随空气大量排出，但是送风口速度不是越大越好，因此，在送风口速度允许的条件下，可以加大送风口速度。

参考文献：

[1]王清勤，李国柱，赵力等.建筑室内细颗粒物(PM2.5)污染现状、控制技术与标准[J].暖通空调，2016，46(2):1-7.

[2]赵斌，陈玖玖，陈曦.室内颗粒浓度影响因素的集总模型分析[J]．清华大学学报(自然科学版)，2005，45(12)：1589—1591.

[3]谢伟．室内颗粒物浓度变化特征及污染控制策略研究[D]．西安：西安建筑科技大学，2013：15—16.

[4]李先庭，赵彬.室内空气流动数值模拟[M].北京：机械工业出版社，2009.