喬文佳 賀啟濱 劉艷華

1西安交通大學人居學院

2深圳市建筑科學研究院有限公司

壁掛爐排放顆粒在建筑之間的擴散特性

喬文佳1賀啟濱2劉艷華1

1西安交通大學人居學院

2深圳市建筑科學研究院有限公司

本文利用湍流-模型及離散相模型（DPM）數(shù)值研究了當兩棟建筑之間設(shè)置燃氣壁掛爐時，排煙中粒徑為1μm、10μm和100μm的顆粒物的擴散特性及其對建筑物周圍環(huán)境的影響。結(jié)果表明：來流方向和顆粒尺寸均會影響排煙顆粒物的擴散。燃氣壁掛爐排煙方向與來流風向相反時，在兩棟建筑物中間形成的大尺度渦旋，有利于大尺度顆粒物的擴散；當排煙方向與來流方向相同時，建筑物中間所形成的渦旋，使顆粒物的擴散困難，顆粒物在排放口附近積聚明顯，惡化了排放建筑附近的空氣質(zhì)量。1μm和10μm粒徑的顆粒物追隨流體的性能好，其運行軌跡主要受流體影響。100μm粒徑顆粒物因其自身重力較大，顆粒物運行軌跡主要受重力影響，其對環(huán)境的影響取決于重力與渦的力量平衡。

燃氣壁掛爐顆粒物離散相模型（DPM）；k-ε模型

0 引言

近年來，燃氣壁掛爐因其良好的經(jīng)濟效益和社會效益而迅猛發(fā)展[1]，但也帶來了環(huán)境污染的新問題[2～3]。壁掛爐的排煙中不僅含有一氧化碳、氮氧化物等氣態(tài)污染物，也有固體顆粒物。研究表明，顆粒物可引起呼吸系統(tǒng)及心腦血管等多種疾病。Dockery等的研究指出，居住在顆粒物濃度大的城市，居民心血管疾病死亡的危險可增加30%[4]。Ouur等應用健康影響評估方法對愛沙尼亞五個主要城市街區(qū)顆粒物污染狀況進行了量化分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這五個地區(qū)的細顆粒物對呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)病率和死亡率均有影響并導致壽命縮短[5]。

目前，用戶安裝壁掛爐后，鍋爐排煙對小區(qū)內(nèi)環(huán)境的影響方面的研究比較少。鑒于此污染對小區(qū)環(huán)境的影響不能忽視，故本文利用湍流k-ε模型及離散相模型（DPM）數(shù)值研究了兩棟建筑之間設(shè)置燃氣壁掛爐時、排煙中粒徑為1μm、10μm和100μm顆粒物的擴散特性及其對建筑物周圍環(huán)境的影響。

1 物理模型

1.1物理模型及網(wǎng)格劃分

本文主要研究不同風向下、不同顆粒物粒徑下壁掛爐排煙中固體顆粒物擴散的特性，因此采用三維模型（圖1）來對此問題進行研究。建筑物尺寸參數(shù)為：建筑物長l=20m、寬w=10m、高h=10.4m（四層樓房），兩棟建筑物間距離a=15m，如圖1左側(cè)建筑物每層有r=0.1m的面排煙口。坐標原點取在地面兩棟建筑間距的幾何中心，Z軸垂直向上為正方向。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并在排煙口、壁面及其附近區(qū)域進行網(wǎng)格加密。加密區(qū)域為距離建筑物外圍各10m、高度20.4m的立方體。圖2為結(jié)果分析剖面所在位置的示意圖。

圖1 物理模型尺寸參數(shù)圖

圖2 剖面示意圖

1.2城市風廓線

目前常用的城市地面風速廓線有指數(shù)形式和對數(shù)形式2種，本文采用指數(shù)形式[6]：

式中：zb和uzb分別為參考高度和參考高度上的風速；α為地面粗糙度指數(shù)。取zb=10m/s，uzb=2.0m/s，α=0.24。

1.3顆粒物參數(shù)

顆粒物密度取2000kg/m3，粒徑取1μm、10μm、 100μm；顆粒物總質(zhì)量流量取0.003kg/s，并且由各排煙口均勻排出。

2 控制方程及邊界條件

2.1控制方程

本文采用標準k-ε模型模擬風場，對于固體顆粒物的擴散采用DPM方法，連續(xù)相和離散相耦合。對于顆粒相本文做如下假設(shè)：①假定所有顆粒相都為球形；②由于顆粒相所占體積比率十分小，所以不考慮顆粒的碰撞。通過對顆粒所受的各種外力平衡方程可以得到預測顆粒的運動軌跡運動方程如下：

式中：u為流體項速度；up為顆粒速度；FD(u-up)為顆粒的單位質(zhì)量曳力；為重力和浮力項；Fx為顆粒所受的其它力。

對于顆粒的單位質(zhì)量曳力，表達式為

式中：μ為流體動力粘性系數(shù)；ρ為流體密度；ρp為顆粒密度（骨架密度）；dp為顆粒直徑；Re為相對雷諾數(shù)。其定義為

Fx由布朗力、薩夫曼剪切提升力、馬格努斯旋轉(zhuǎn)提升力、壓力梯度力、熱作用力（熱泳力、光泳力）、虛擬質(zhì)量力、倍瑟特力、范德華力、碰撞阻力等九種力組成。通過對這九種力進行數(shù)量級分析。本文計算中考慮了布朗力和薩夫曼剪切提升力。布朗力表征的是微小顆粒熱運動所受的力，粒徑越小，布朗力越大；薩夫曼剪切提升力是由于流場中的速度梯度引起，其表達式為

式中：ui為流體項速度；upi為顆粒速度；v為流體運動粘性系數(shù)；dij為變形速率張量；kc=2.594為一常數(shù)[7]。

本文應用軌道模型來考慮顆粒湍流擴散對軌跡的影響。隨機軌道模型通過計算足夠多的顆粒軌跡，湍流對顆粒的隨機性影響就可以得到考慮。在隨機軌道模型中，脈動速度u'是關(guān)于時間（顆粒與流體渦團相互作用時間）的分段常量函數(shù)，顆粒與流體渦團相互作用時間取流體渦團的特征生存時間τe和顆粒穿過流體渦團的時間tcross的較小值。其中，

經(jīng)驗常數(shù)CL在k-ε模型中取為0.15，r為服從（0，1）區(qū)間均勻分布的隨機數(shù)。其中

式中：τ為顆粒松弛的時間，Le為渦團特征長度標尺，|u-up|為顆粒與流體速度差。

經(jīng)過流體與顆粒相互作用的時間間隔，顆粒終止在當前渦內(nèi)的計算，并在下一個時間間隔，顆粒進入一個新的渦團，重復以上步驟獲得顆粒新的速度、軌跡。當顆粒碰到壁面被捕捉或離開計算區(qū)域時，終止軌跡的計算。

2.2邊界條件

1）入口邊界條件：速度入口邊界條件。

2）出口邊界條件：質(zhì)量出口邊界條件。

3）壁面邊界條件：地面和墻面無滑移邊界條件；計算域的上邊界、左右邊界取為對稱邊界，相當于滑移邊界條件。

4）顆粒相邊界條件：壁面為reflect邊界條件；出口和入口為escape邊界條件。

5）對控制方程離散格式：二階迎風格式，simple算法非耦合計算。

3 結(jié)果分析

3.1流場分析

圖3給出的是y=0剖面的速度矢量圖。從圖中可看出，當壁掛爐的排煙方向與氣流方向相反時，外部來流遇到前排建筑阻擋，在位置1處有渦旋，如圖3（a），同樣，氣流在兩棟建筑物中間區(qū)域2處及后排建筑物下游3處形成渦旋。當排煙口的排煙方向與氣流方面相同時，以上三個位置的渦仍然存在，且其結(jié)構(gòu)及尺度基本相近，如圖3（b）所示。但是，在兩棟建筑之間所形成的渦的旋轉(zhuǎn)方向及其對排煙擴散的影響是不同的。圖3（a）中的渦有利于輕質(zhì)污染物的提升與擴散，而圖3（b）的渦結(jié)構(gòu)可能阻礙污染物的擴散。

圖4給出的是z=5剖面上的速度矢量圖。從圖中可看出，無論來流方向如何，前排建筑物的阻擋形成繞流，在兩棟建筑物中間形成大尺度渦旋，同時在后排建筑的下風處也形成渦旋。兩棟建筑中間的渦旋對排煙的擴散有影響，可以看出，圖4（a）渦旋有利于污染物向建筑兩側(cè)擴散，而圖4（b）渦旋則可能抵制排煙污染物的擴散。

圖3 y=0剖面速度矢量圖

圖4 z=5剖面的速度矢量圖

3.2顆粒相軌跡分析

圖5給出的是排煙方向與來流風向相反時排放顆粒物的擴散軌跡圖。從圖中可看出，粒徑為1μm和10μm的小尺寸顆粒物，由于重力較小，顆粒對流體的跟隨性能好，此時顆粒的運動主要受曳力影響，這兩種粒徑的顆粒物的軌跡極為相近，部分顆粒在氣流的作用，隨氣流從建筑頂部移向下游。但尺寸為10μm的顆粒被移至下游的量明顯少于粒徑為1μm的情況。由于渦的作用，輕質(zhì)顆粒在兩棟建筑之間的停留時間長，且排放源對相鄰建筑周圍的空氣質(zhì)量影響很大。由于兩棟建筑之間形成的渦旋作用此粒度顆粒物可惡化相鄰建筑物附近的空氣質(zhì)量。由粒徑為100μm的顆粒物粒子運動軌跡可看出，由于顆粒物的尺度較大，其質(zhì)量也大，在重力的作用下，顆粒物的下沉趨勢明顯，如圖5（c）。此時基本沒有顆粒能從建筑物的頂部離開由二棟建筑形成的“峽谷”區(qū)域，部分顆粒物下沉到兩棟建筑之間的峽谷區(qū)域。

圖5排煙與風向反向時顆粒物的軌跡圖

圖6 給出的是排煙方向與來流風向相同時顆粒物擴散軌跡圖?？梢钥吹剑綖?μm、10μm的顆粒物，追隨流體的特性好，運動軌跡基本和流體運動方向一致，相當部分的顆粒能跟隨氣流離開建筑物。該結(jié)果也說明在這個數(shù)量級下，粒子軌跡主受粒徑影響不大，粒子跟隨流體運動趨勢明顯。但是，當顆粒的直徑為100μm時，圖6（c）可以看到，由于顆粒尺寸大，下沉明顯，再加上兩棟建筑間形成的渦不利于顆粒物的擴散，大部分顆粒聚集于排放源附近，很難擴散。

圖6 排煙與風向同向時顆粒物的軌跡圖

4 結(jié)論

本文利用湍流k-ε模型及離散相模型（DPM）對兩棟建筑之間設(shè)有燃氣壁掛爐時排煙中粒徑1μm、10μm和100μm顆粒物的遷移軌跡進行了數(shù)值研究。主要結(jié)論：

1）來流方向影響顆粒物的擴散。當燃氣壁掛爐排煙與來流風向相反時，在兩棟建筑物中間形成的渦旋，有利于大尺度顆粒物沿地面從建筑物兩側(cè)擴散；當排煙方向與來流方向相同時，建筑物中間所形成的渦旋，阻礙了大顆粒物的擴散。顆粒物在建筑排煙口附近的積聚現(xiàn)象明顯，惡化了該處的空氣質(zhì)量。

2）顆粒粒徑影響污染物的擴散。1μm和10μm粒徑的顆粒物追隨流體的性能好，運行軌跡主要受流體運動特性的影響，無論來流方向如何，由于受兩棟建筑中間渦的影響，小尺度顆粒容易積聚在兩棟建筑物的中間區(qū)域，對該區(qū)域的空氣質(zhì)量影響較大。100μm粒徑顆粒物因其自身重力較大，顆粒物運行軌跡受重力影響大，其對環(huán)境的影響取決于重力與渦力量之間的平衡。

[1]陳煜,張依,張輝.燃氣壁掛爐采暖的應用現(xiàn)狀與面臨的問題[J].上海工程技術(shù)大學學報,2009,23(2):106-110

[2]劉蓉,武嵐.對燃氣分戶采暖的污染分析[J].北京建筑工程學院學報,2007,23(2):14-16

[3]彭穎瑛,劉蓉,馮春鵬.分戶燃氣采暖爐排煙系統(tǒng)污染控制研究與CFD數(shù)值模擬[J].北京建筑工程學院學報,2009,25(4):41-44

[4]Dominici F,Peng RD,Bell ML,et al.Fine particulate air pollution and hospital admission for cardiovascular and respiratory diseas -es[J].JAMA 2006,295:1127-34

[5]Ouur H,Teinemaa E,Lai T,et al.Health impact assessment of particulate pollution in Tallinn using fine spatial resolution and modeling techniques[J].Environment Health,2009,8:7

[6]桑建國,劉輝志,王保民,等.街谷環(huán)流和熱力結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬[J].應用氣象學報,2002,13(1):69-72

[7]李先庭,趙彬.室內(nèi)空氣流動數(shù)值模擬[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009

Diffus ion of Pa rtic le s from Wa ll-m ounte d Boile r in Re s ide ntia l Zone

QIAO Wen-jia1,HE Qi-bin2,LIU Yan-hua1
1 School of Human Settlements and Civil Engineering,Xi'an Jiaotong University 2 Shenzhen Institute of Building Research Co.,Ltd.

With the turbulence model of-and the Dispersed Phased Model(DPM)the diffusion characteristics of smoke from the exits of wall-mounted gas boilers between two buildings in residential zones are studied.The sizes of the smoke particles are 1μm,10μm and 100μm.The results show that both the direction of wind and the size of particles affect the diffusion of smoke.When the direction of wind is opposite the smoke the vortex formed between the two buildings enhances the diffusion of large scale particles,while when the direction of wind is opposite that of smoke it impedes the diffusion resulting in the accumulation of smoke particles around the vent and the worse air quality there. The particles,the size of which is in between 1μm and10μm follow well the wind.The track of them is mainly affected by the motion of wind.The motion track of 100μm particles is affected greatly by the gravity of them and the diffusion of them depends on the balance of the gravity and the energy of vortex.

wall-mounted gas boiler,particles,DPM,k-ε model

1003-0344（2014）06-055-4

2013-8-16

喬文佳（1988～），男，碩士研究生；西安市咸寧西路28號西安交通大學興慶校區(qū)人居學院（710049）；E-mail:798656402@qq.com

“十二五”國家科技支撐計劃（2012BAJ09B01）；“十二五”國家科技支撐計劃（2012BAJ06B03）。