高超 吳偉亮

上海交通大學機械與動力工程學院

地下停車場污染物擴散數值模擬

高超 吳偉亮

上海交通大學機械與動力工程學院

傳統(tǒng)的觀念認為只要保證車庫內部的污染物濃度控制在合理范圍內，就其通風系統(tǒng)滿足要求，而不關心排出的污染物對外部環(huán)境的影響。對于人口密集區(qū)的地下車庫，由于周邊人口密度很大，污染物直接排出將會危害周邊人群的健康，還會造成二次污染，應考慮添加空氣凈化裝置，對污染物排放進行總量控制。本文根據某大型地下車庫建立模型，通過數值模擬考察污染物的分布情況，從而為選擇空氣凈化裝置的最佳安裝位置提供指導意見。

空氣污染 空氣凈化 CO濃度場 CFD模擬

0 引言

本文針對人口密集地區(qū)的地下大型車庫，利用數值模擬的方法對空閑時段與高峰時段地下車庫的通風流場進行研究，對車庫內污染物的分布進行了計算，考察了污染物分布規(guī)律，從而為空氣凈化裝置的安裝提供指導意見。

1 通風系統(tǒng)建模

車庫內流場復雜多變，本文主要研究空閑時段與高峰時段兩種有代表性的情況下污染物分布規(guī)律?？臻e時段對應車庫內進出車輛稀少的情況，高峰時段對應車庫內進出車輛較多的情況。

1.1 尾氣釋放量和組分的確定

不同品牌及類型的汽車，不同運行狀態(tài)，尾氣排量均不同。選取不同類型及品牌汽車在低速運行時尾氣排量的平均值，比較接近車庫內的實際情況。根據文獻計算得到平均每輛車尾氣釋放量為473.8ml/min[1]。

地下車庫內汽車排放的污染物中主要含有一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物等有害物質[2]。據研究表明：在低速狀態(tài)下，以上三種污染物CO、HC及NOX散發(fā)量的比例分別為7、1.5和0.2[3]。所以在地下停車庫的通風量計算與控制中，通常以CO濃度為依據，如果CO濃度指標達到要求，那么其他污染物濃度也一定會滿足要求[4～5]，因此本文將主要考察尾氣中的CO。

根據文獻，尾氣組分質量分數設定CO為0.08，CO2為0.11，H2O為0.11，O2為0.02，H2為0.01，CO允許濃度取200mg/m3[6～8]。本文假設氣體物性為常數，CO濃度與尾氣占混合氣體的質量分數是一一對應的，可以將CO的允許濃度轉換為尾氣質量分數，取0.002，本文將以此做為判別車庫內空氣質量的標準。

1.2 幾何模型的建立

某地下車庫建筑面積為8650m2，層高3.6m，采用機械通風系統(tǒng)組織車庫通風。車庫的幾何模型如圖1所示。一個新風管道位于遠離進出口的底部，四個排風管道位于圖1中部和下部，大致呈左右對稱布置。車庫中間位置長方形箭頭所示區(qū)域為車輛進出車庫的主要通道，為車庫內部CO主要發(fā)生區(qū)域，其余結構主要為水泥支撐結構以及車輛幾何模型。

圖1 車庫平面圖

新風管道與排風管道安裝風機型號相同，風量為45679m3/h。送風口有8個，尺寸為0.8m×0.32m。排風口有44個，尺寸為0.63m×0.25m。車庫內最多可停放汽車188輛。

1.3 物理模型簡化假設

地下車庫流場實際上屬于粘性、三維、非穩(wěn)態(tài)流動。為了能夠在現(xiàn)有的計算條件下反映實際情況，抓住問題的主要矛盾，對用于計算的物理模型作以下假設：

1）車庫氣流流動是三維穩(wěn)態(tài)流動，各變量不隨時間變化；

2）室內氣流作不可壓縮氣體處理，空氣和污染物的特性參數為常數；

3）考慮尾氣排放及車體散熱對流場的影響；

4）不考慮車庫墻壁與空氣的換熱，認為車庫壁面絕熱；

5）尾氣發(fā)生區(qū)如圖1所示黑色區(qū)域，認為污染源的尾氣發(fā)生率恒定。

車庫中間位置長方形區(qū)域為車輛進出車庫的主要通道，為CO主要發(fā)生區(qū)域，作為尾氣發(fā)生區(qū)進行研究。為簡化問題，進行濃度場模擬計算時，忽略車輛怠速運行釋放CO的動態(tài)過程和汽車停放的隨機性，將CO視為體積污染源釋放，認為CO釋放區(qū)污染物發(fā)生率恒定。按照每分鐘車庫平均進出一輛汽車，考慮汽車在車道上停留時間，相當于車道上有兩個汽車在同時排放尾氣，將尾氣釋放量平均到尾氣發(fā)生區(qū)的表面上，得到污染物平均釋放速率。

1.4 流體動力學控制方程

在計算中，車庫內氣體流動假設為定常、粘性、不可壓縮流動。需要研究空氣流動的速度場、溫度場、污染物濃度場情況，其流動過程要受物理守恒定律的支配，即：質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律、組分質量守恒定律。為了便于對各控制方程進行分析，建立各基本控制方程的通用形式[9]:

式中：Φ為通用變量，可以代表u、v和w、T等求解變量；Γ為廣義擴散系數；S為廣義源項。式中各項依次為瞬態(tài)項、對流項、擴散項和源項。對于特定的方程，Φ、T和S具有特定的形式，表1中給出了三個符號與各特定方程的對應的關系。

表1 通用控制方程中各符號的具體形式

1.5 通風模型的邊界條件

根據送、排風機的工作風量與送、排風口的尺寸，得到送、排風口的速度邊界條件。車庫8個送風口風速為6.2m/s，中部的20個排風口風速為8.1m/s，車庫進出口附近的24個排風口風速為6.7m/s。車庫進出口定義為開口邊界條件，相對壓力定義為0Pa，參考壓力為1atm。

CO污染源邊界條件設為速度入口，為16.3mm/s，尾氣溫度定義為798K。停在車庫內部分汽車模型考慮其散熱，壁面溫度定義為323K。

固體壁面采用無滑移壁面，壁面粗糙度定義為光滑壁面，傳熱類型為絕熱。因為考慮車庫中氣流速度較低，熱量傳輸模型選擇熱焓模型；湍流模型選擇k-ε模型，使用Scalable壁面函數。求解格式定義為高階求解格式[10]。

2 模擬結果與分析

2.1 空閑時段

車庫在空閑時段沒有車輛進出，送、排風機持續(xù)開啟，并沒有尾氣排放，下面將針對這種情況進行研究。假設尾氣初始濃度場恰好滿足衛(wèi)生標準，即其質量分數為0.002，模擬得到尾氣質量分數云圖（圖2），速度云圖（圖3）與流線圖（圖4～圖5）。CFD模擬結果選取成年人呼吸的高度范圍，距離地面高度為1.70m的平面進行顯示。

圖2 尾氣質量分數云圖

圖3 速度云圖

圖4 二維平面流線圖

圖5 三維流線俯視圖

按人們的日常經驗，在無新污染物加入且通風系統(tǒng)運行的情況下，污染物濃度應降低。而計算結果顯示，污染物濃度在車庫左下角與右下角排風管道區(qū)域出現(xiàn)升高現(xiàn)象，發(fā)生污染物聚集現(xiàn)象，最高質量分數達到0.0022，超過了計算設定的初始濃度，由此可見該車庫內部流場通風不夠合理。

速度云圖顯示以上區(qū)域氣流速度較低，觀察二維流線圖，發(fā)現(xiàn)在這些區(qū)域均出現(xiàn)較明顯的局部漩渦。但存在局部漩渦并不一定引起污染物聚集，仍需要進一步考察。選取車庫平面圖左下角的污染物聚集區(qū)進行研究，觀察其三維流線圖，可以看到在該位置形成貫穿上下空間的三維立體渦，使進入該漩渦的污染物難以擴散，這就是該區(qū)域出現(xiàn)污染物聚集的原因。對于其他在二維平面流線圖中存在局部漩渦但并沒有形成污染物聚集的區(qū)域，可認為這些區(qū)域只在局部空間形成漩渦，并沒有形成貫穿上下空間的三維立體渦，污染物從局部漩渦中逃逸。

2.2 高峰時段

在高峰時段，單位時間進入車庫的汽車數量顯著增加，車庫內部空氣質量惡化。高峰時段進入車庫的車輛每時每刻都在變化，選取每分鐘進出一輛車的情況作為研究對象。在考慮平均一分鐘進出車輛為一輛時，送風機、排風機持續(xù)開啟且污染物持續(xù)排放情況下，流場達到穩(wěn)定時，尾氣質量分數云圖（圖6），氣流速度云圖（圖7）和二維流線圖（圖8）如下所示。

圖6 尾氣質量分數云圖

圖7 速度云圖

圖8 二維平面流線圖

從尾氣質量分數云圖來看，在遠離汽車運行通道即尾氣發(fā)生區(qū)的位置，在車庫左下角與右下角排風管道區(qū)域以及送風口未覆蓋區(qū)域的污染物較為集中。速度云圖顯示以上區(qū)域氣流速度較低，二維流線圖顯示在這些區(qū)域存在明顯的局部漩渦。根據上面空閑時段的分析可推斷是因為在這些區(qū)域出現(xiàn)貫穿上下空間的立體漩渦，造成污染物聚集。對于其他低速、存在局部漩渦但污染物濃度并不高的區(qū)域，可以認為雖然該區(qū)域氣流速度較低，但沒有形成貫穿上下空間的立體渦，仍然起到了一定的通風效果。

3 結論

根據計算分析，可以得出車庫中污染物分布具有如下特點：

1）在空閑時段，污染物濃度在車庫左下角與右下角排風管道區(qū)域出現(xiàn)升高現(xiàn)象，發(fā)生污染物聚集現(xiàn)象，超過了計算設定的初始濃度；

2）在高峰時段，污染物主要聚集在新風管道未覆蓋區(qū)域及車庫左下角與右下角排風管道區(qū)域；

3）空閑時段與高峰時段的污染物聚集在臨近的區(qū)域，兩種情況下的污染物聚集區(qū)主要集中在新風管道未覆蓋區(qū)域及車庫左下角與右下角排風管道區(qū)域，為空氣凈化裝置的安裝提供了可行性。污染物聚集的主要原因是出現(xiàn)貫通上下空間的三維立體渦，改善流場應從破壞這些立體渦入手。

[1]H K Versteeg,W Malalasekera.An Introduction to Computationa -l Fluid Dynamics:The Finite Volume Method[M].New York: Wiley,1995

[2]Krarti M,Ayari A M.Overview of existing regulations for ventila -tion requirements of enclosed vehicular parking facilities[J].ASHRAE Transactions,1999,105(2):18-26

[3]蔡浩,朱培根.地下車庫誘導通風系統(tǒng)的數值模擬[J].流體機械, 2004,32(12):27-30

[4]Ho J C,Xue H,Tay K L.A field study on detemination of carbon monoxide level and thermal environment in an undergound car park[J].Building and Environment,2004,39(1):67-75

[5]ASHRAE.ASHRAE Handbook-HVAC application[M].Atlanta: ASHRAE,1999

[6]中華人民共和國衛(wèi)生部.工作場所有害因素職業(yè)接觸限值(GBZ2-2002)[S].2002

[7]汽油車雙怠速污染物排放標準(DB11/044-1999)[S].1994

[8]中華人民共和國衛(wèi)生部.室內空氣質量衛(wèi)生規(guī)范[S].2001

[9]黃雪,張慎言.地下汽車庫的通風系統(tǒng)和防排煙的設計問題[A].見:全國暖通空調制冷2002年學術年會資料集[C].2002:130-133

[10]謝龍漢.ANSYS CFX流體分析及仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012

Num e ric a l Sim ula tion of Polluta nt Dis pe rs ion in the Unde rgroud Ga ra ge

GAO Chao,WU Wei-liang
School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University

Only pollutant concentration inside underground garage is cared about in traditional standard,regardless of the influence of discharged pollution on the external environment.However,the discharged pollutant of the underground garage in densely populated areas will cause serious damage to the health of people in the surrounding,and air purification device should be added.According to the underground garage of a hospital,a few suggestions about the best installation location is proposed by numerical simulation.

air pollution,air purification,CO concentration field,CFD simulation

1003-0344（2015）03-013-4

2014-2-22

高超（1989～），男，碩士研究生；上海交通大學機械與動力工程學院（200240）；E-mail:gaochaoverycool@163.com