韓云龍,胡永梅,錢付平

(安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,安徽馬鞍山243002)

室內(nèi)空氣品質(zhì)問題,如CO2濃度高或新風(fēng)不足、揮發(fā)性有機(jī)氣體的排放、細(xì)(病)菌等更易獲得大家的關(guān)注,尤其對于那些大部分時(shí)間在封閉的室內(nèi)工作和生活的人來說,更是如此,可是大家往往忽略了空氣中可吸入顆粒物濃度的影響。對于中央空調(diào)系統(tǒng)而言,如果通風(fēng)系統(tǒng)只是裝備了低效或中效過濾器,那么室內(nèi)可吸入顆粒物濃度將會(huì)受到影響。室外空氣中的灰塵會(huì)通過過濾器進(jìn)入送風(fēng)系統(tǒng),其中一部分會(huì)沉積在管道內(nèi),而送風(fēng)管道內(nèi)的溫濕度非常適合病菌、微生物的生存繁殖,在空調(diào)系統(tǒng)啟動(dòng)過程中或管道振動(dòng)則可能會(huì)促使氣流將這些附有病菌的積塵重新?lián)P起并送至室內(nèi)。若人們長期暴露于此環(huán)境下,呼吸道疾病或病態(tài)建筑綜合癥將不可避免。因此,諸多研究者[1-5]對管道內(nèi)顆粒沉積進(jìn)行了相關(guān)的研究工作,他們的研究結(jié)果表明風(fēng)速、顆粒粒徑、管壁表面粗糙度等對顆粒物沉積具有重要的影響,一般而言,隨風(fēng)速、粒徑的增加,顆粒沉積速率提高。對于水平的通風(fēng)管道,氣流中的顆粒物在重力沉積作用下部分沉積于管道底部,同時(shí)慣性和湍流擴(kuò)散也會(huì)加速顆粒向管道周壁的沉積。

對于空調(diào)房間,為了維持室內(nèi)一定的溫、濕度環(huán)境,要進(jìn)行一個(gè)熱濕交換過程,經(jīng)過熱濕處理后的空氣經(jīng)由通風(fēng)管道送往空調(diào)房間。因此,若管道保溫措施不當(dāng),則氣流與管壁間的溫差產(chǎn)生的熱泳力會(huì)加速顆粒的沉積,一些研究者[6-8]認(rèn)為即使氣流與管壁之間存在一個(gè)小的溫差也會(huì)加速顆粒沉積速率。然而,前人[9-12]的研究多基于小斷面通風(fēng)管道內(nèi)的顆粒物沉積,同時(shí)空氣濕度變化對通風(fēng)管道內(nèi)顆粒物沉積的影響還未有報(bào)道。該文采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)模擬管道內(nèi)湍流,在接近實(shí)際空調(diào)通風(fēng)管道尺寸斷面的管道內(nèi)應(yīng)用拉格朗日隨機(jī)軌道模型對完全發(fā)展湍流中顆粒物沉積進(jìn)行模擬研究,對于管道內(nèi)氣流與管壁溫差所產(chǎn)生的熱泳力對顆粒物沉積的影響進(jìn)行探討,同時(shí)研究空氣相對濕度對顆粒物沉積的影響。

1 模型

1.1 流體與顆粒運(yùn)動(dòng)方程

通風(fēng)管道內(nèi)空氣與顆粒之間的運(yùn)動(dòng)屬于典型的氣固兩相流動(dòng)問題,目前,對此問題的解決方法主要就是歐拉法與拉格朗日法。拉格朗日法可追蹤單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,但是需要花費(fèi)較多的計(jì)算時(shí)間。一般而言,空調(diào)通風(fēng)管道內(nèi)的灰塵濃度較低,由于過濾器的裝備,粒徑也較小,因此,空氣與灰塵可分別處理為連續(xù)相與分散相。通常來說,由于灰塵粒徑較小及濃度較低,連續(xù)相對分散相有重要的影響,而灰塵顆粒對連續(xù)相的影響可以被忽略,所以采用拉格朗日法的單相耦合計(jì)算方法。

空調(diào)通風(fēng)管道內(nèi)湍流流動(dòng)的模擬計(jì)算應(yīng)用商業(yè)軟件FLUENT 6.1,一些研究者[13-15]采用雷諾平均的Navier-Stokes(RANS)方程,即k-ε雙方程模擬不可壓縮湍流流動(dòng)。Tian和Ahmadi[16]于湍流管道內(nèi)納米和微米級的顆粒物沉積進(jìn)行了模擬研究,認(rèn)為RSM湍流模型及“two-layer”邊界條件的使用,能合理的預(yù)測顆粒物的沉積。模擬結(jié)果表明0.01～50μm范圍的無因次顆粒沉積速率呈現(xiàn)“V”形分布,因此,采用 RSM 模型和“two-layer”模型的邊界處理?xiàng)l件。

1.2 沉積速率及熱泳力

為了與前人的研究結(jié)果進(jìn)行比較,采用了無因次顆粒沉積速率,通常表示為：

其中Cm為時(shí)均顆粒濃度;u*為磨擦速度,可寫為下式：

其中U m為平均風(fēng)速;f為范寧系數(shù),采用W hite[17]得出的關(guān)聯(lián)式計(jì)算 f。

其中k為壁面粗糙度,光滑壁面為0;Re為雷諾數(shù);D為水力直徑。

無因次松弛時(shí)間τ+,如下示：

其中μ和ν分別為流體的動(dòng)力粘度與運(yùn)動(dòng)粘度;ρp和dp分別為顆粒密度和直徑;Cc為坎寧漢系數(shù),如下示：

其中λ為氣體分子自由程,在1大氣壓,25℃時(shí)為0.065μm。

如果氣流與管壁之間存在溫差,顆粒物會(huì)沿著溫度降低的方向運(yùn)動(dòng),即為熱泳現(xiàn)象。顆粒所受熱泳力可表示為如下：

2 計(jì)算域

于矩形斷面0.3 m×0.2 m,長度為3m接近實(shí)際空調(diào)通風(fēng)管道尺寸的管道內(nèi)模擬完全發(fā)展湍流顆粒沉積。采用網(wǎng)格生成工具Gambit生成六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格;對于管道內(nèi)顆粒沉積而言,邊壁處高精度網(wǎng)格的生成十分重要,因此采用Tian和Ahmadi[16]的邊界層劃分方法,即第一個(gè)網(wǎng)格距離邊壁處0.05 mm,其后以1.2的倍率增加直至1～1.2個(gè)單位長度為止,近壁處網(wǎng)格較為密集,見圖1,整個(gè)計(jì)算域共劃分150 000個(gè)網(wǎng)格單元。

圖1 矩形斷面網(wǎng)格劃分

應(yīng)用拉格朗日隨機(jī)軌道模型追蹤離散相顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,顆粒密度為900 kg/m3,個(gè)數(shù)為3 000個(gè)。為了和以前研究者的實(shí)驗(yàn)或計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,對于粒徑范圍0.01～50μm的球形顆粒沉積進(jìn)行了模擬計(jì)算,入口風(fēng)速為5 m/s,溫度15℃,管道出口邊界條件為“outflow”,管壁熱絕緣并認(rèn)為水力光滑,為“trap”;忽略顆粒間的合并、碰撞及與壁面的反彈。

3 結(jié)果與討論

3.1 流場分析

為了和前人的研究結(jié)果進(jìn)行比較,對小斷面尺寸(0.075m×0.05m)的通風(fēng)管道內(nèi)低雷諾數(shù)流動(dòng)及顆粒沉積也進(jìn)行了模擬計(jì)算,流場見圖2。2種斷面尺寸的管道進(jìn)口風(fēng)速均為5 m/s,由于斷面尺寸的減小,相應(yīng)的雷諾數(shù)也減小,分別為 82 135、5 136。由圖2可以看出,雖然進(jìn)風(fēng)風(fēng)速相同,但斷面尺寸的減小導(dǎo)致雷諾數(shù)大幅降低?？梢钥闯龃髷嗝婀艿纼?nèi)流速梯度較小,斷面流速較為均勻;而小斷面管道流速梯度較大,斷面越小,管道流動(dòng)核心區(qū)流速越大,而近壁區(qū)域流速明顯低于大斷面管道處的流速。而前人如Tian等[16]主要基于小斷面管道內(nèi)顆粒沉積的研究,由此可知這和實(shí)際通風(fēng)管道內(nèi)流體流動(dòng)情況稍有差距。

3.2 模型驗(yàn)證

圖3為無因次沉積速率隨無因次松弛時(shí)間的變化曲線,塵粒粒徑范圍為0.01～50μm,并將模擬結(jié)果與前人數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。由于粒徑不同,所受擴(kuò)散力、慣性力大小也不同,致使顆粒沉積運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)3個(gè)區(qū)：即擴(kuò)散區(qū)、過渡區(qū)和慣性區(qū)。對于次微米及納米級顆粒而言,顆粒所受重力很小,慣性力可以忽略,而擴(kuò)散力則是顆粒沉積的主要機(jī)理。對于大粒徑顆粒,重力及慣性力是顆粒沉積的主要作用力。由圖3可以看出,模擬結(jié)果基本符合前人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果,無因次沉積速率隨無因次松弛時(shí)間呈現(xiàn)“V”形變化,滿足顆粒沉積的擴(kuò)散區(qū)、過渡區(qū)及慣性區(qū)分布規(guī)律。但是計(jì)算域?yàn)榫匦螖嗝?0.3 m×0.2m)的三維計(jì)算,更接近于實(shí)際空調(diào)管道的斷面尺寸,雷諾數(shù)(82 135)也要遠(yuǎn)高于前人的實(shí)驗(yàn)或計(jì)算中采用的雷諾數(shù)[16,19](Tian等[16]采用的雷諾數(shù)為6 667)。但雷諾數(shù)的提高不是由風(fēng)速的提高而引起,而僅由斷面尺寸的增加導(dǎo)致的。一般而言,隨風(fēng)速的提高,顆粒的沉積速率會(huì)相應(yīng)提高,但由斷面尺寸增加而導(dǎo)致雷諾數(shù)提高對顆粒沉積的影響并不顯著。

圖2 不同通風(fēng)管道斷面流速場

圖3 模型計(jì)算結(jié)果的比較驗(yàn)證

3.3 溫度對顆粒沉積的影響

對于實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)通風(fēng)管道而言,送風(fēng)溫度、濕度因季節(jié)的變化而不同,因主氣流溫度與管壁的溫差而導(dǎo)致的熱泳力將會(huì)促進(jìn)次微米級小微粒的沉積。有關(guān)熱泳力對顆粒沉積的影響,一些研究者曾加以研究,如Yang等[11]認(rèn)為PM 2.5的沉積效率主要受主氣流與冷壁面的溫差影響,熱泳力是導(dǎo)致PM 2.5沉積的關(guān)鍵因素。He和Ahmadi[20]認(rèn)為只有顆粒進(jìn)入邊界層的粘性底層時(shí),布朗擴(kuò)散才是顆粒沉積的控制機(jī)理,熱泳力對小顆粒(如幾個(gè)微米級或以下)的傳輸、沉積有重要影響。并且沉積速率及粒徑范圍皆隨著主氣流與壁面溫差的提高而增加。其它研究者[21-22]也都認(rèn)為溫差導(dǎo)致的熱泳力能促進(jìn)顆粒的沉積。該研究針對1μm的顆粒探討主氣流與管壁之間溫差對顆粒沉積的影響。圖4為入口空氣溫度24℃時(shí)不同壁面溫度所形成主氣流與冷壁面的溫差對顆粒沉積的影響,溫度梯度均為沿著壁面的法線方向,溫度向管壁處降低。由圖4可以看出,當(dāng)固定入口溫度時(shí),隨著管壁溫度的提高,顆粒沉積速率有下降的趨勢,無論底面、側(cè)壁還是頂壁面都是如此趨勢,表明了主氣流與壁面溫差所產(chǎn)生的熱泳力促進(jìn)了顆粒的沉積。同時(shí)可以看出,側(cè)壁顆粒沉積速率同頂、底面相比,其沉積速率略小,底面的沉積速率最大。然而對于實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)通風(fēng)管道而言,都會(huì)有保溫措施,管道壁面可視為熱絕緣,主氣流與管壁之間的溫差很小,那么熱泳力對顆粒沉積所起的作用可以被忽略。

圖4 熱泳力對顆粒沉積的影響

然而當(dāng)入口空氣溫度提高,而管壁保持絕緣時(shí),發(fā)現(xiàn)不同之現(xiàn)象,如圖5示?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著入口溫度的提高,底面、側(cè)壁的顆粒沉積速率均略呈下降趨勢,而頂面的顆粒沉積速率則呈現(xiàn)升高趨勢。雖然設(shè)立了管壁絕緣的邊界條件,但管道頂部的氣流溫度略高于管道底部,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)升力。因此,溫差產(chǎn)生的升力作用使較多的顆粒分散于管道空間的上部,所以,管道頂部的顆粒沉積速率有升高趨勢,底部及側(cè)壁的顆粒沉積速率則略呈下降趨勢。另外,隨著溫度的升高,空氣的粘度增加而導(dǎo)致管道內(nèi)氣體流動(dòng)的雷諾數(shù)有所減小,湍動(dòng)能有所降低致使顆粒的湍流擴(kuò)散作用減弱也有關(guān)。

圖5 管道氣流溫度對顆粒沉積的影響

3.4 濕度對顆粒沉積的影響

空調(diào)系統(tǒng)為了滿足室內(nèi)一定的濕度要求,在新風(fēng)處理單元一般需要加濕過程,經(jīng)過加濕處理后的空氣,其中的顆粒沉積是否有影響尚需研究。在該研究中,于入口空氣16℃時(shí),對通風(fēng)管道內(nèi)空氣相對濕度40%～80%的環(huán)境條件顆粒沉積進(jìn)行了模擬研究,見圖6。空氣相對濕度的提高會(huì)改變空氣的粘度、密度、熱導(dǎo)率等物性,將空氣相對濕度改變所引起的物性變化計(jì)算出來,在模擬計(jì)算過程中,認(rèn)為每個(gè)物性都對應(yīng)著一個(gè)相對濕度。由圖6可以看出,隨著氣流相對濕度的提高,顆粒沉積速率均相應(yīng)增加。這是由于空氣相對濕度的提高,濕空氣的粘度也會(huì)相應(yīng)提高,增加了湍流邊界層的厚度,使得更多的顆粒進(jìn)入這個(gè)低速的粘性邊界層,因此提高了顆粒沉積速率。該研究只是對于絕緣管壁的情況進(jìn)行的計(jì)算,在實(shí)際運(yùn)行中,倘若管壁保溫措施不當(dāng),則較高濕度空氣中的水會(huì)凝結(jié)于管壁,這就會(huì)相應(yīng)提高管壁的粗糙度,按照Lai等[3]的研究結(jié)果可知,粗糙度的提高會(huì)促進(jìn)顆粒的沉積,所以沉積速率會(huì)有相應(yīng)的提高,而潮濕的管道內(nèi)環(huán)境,適宜的溫度則為真菌、細(xì)菌等提供了繁殖的溫床,對室內(nèi)空氣品質(zhì)會(huì)有嚴(yán)重的影響。

圖6 管道內(nèi)氣流濕度對顆粒沉積的影響

4 結(jié)論

應(yīng)用拉格朗日隨機(jī)軌道模型模擬分析了通風(fēng)管道內(nèi)溫濕度變化對顆粒物沉積的影響,得出了如下主要結(jié)論：

1)集中式空調(diào)系統(tǒng)通風(fēng)管道內(nèi)高溫送、回風(fēng)氣流與低溫管壁形成較大溫差時(shí),熱泳力會(huì)加速小顆粒(亞微米、納米級顆粒)的沉積速率,對于實(shí)際工程應(yīng)用,若管道具有良好的保溫措施,熱泳力對顆粒沉積的作用則可以被忽略。

2)通風(fēng)管道內(nèi)送、回風(fēng)濕度的提高會(huì)加速顆粒的沉積速率,對于缺乏良好保溫措施的通風(fēng)管道,若濕度較大,管壁上凝結(jié)水的出現(xiàn)會(huì)增加粗糙度,更會(huì)加速顆粒物的沉積。

3)集中式空調(diào)系統(tǒng)通風(fēng)管道內(nèi)顆粒物的沉積及其衛(wèi)生狀況對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響已逐漸引起重視,若通風(fēng)管道維護(hù)不當(dāng),送回風(fēng)溫濕度的變化會(huì)影響顆粒物的沉積,并惡化室內(nèi)空氣品質(zhì)。通過文章的分析研究,有助于空調(diào)運(yùn)行管理人員提高通風(fēng)管道內(nèi)顆粒物沉積的認(rèn)識,促進(jìn)其對空調(diào)系統(tǒng)通風(fēng)管道的維護(hù)、清潔工作,同時(shí)可為評價(jià)室內(nèi)人員對顆粒物的接觸、暴露情況提供參考。

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