陳朝　黃艷秋　王怡　閆翻遼　第五徐濤

(西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院　西安 710055)

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浮射流特性對工業(yè)建筑室內(nèi)污染物分布影響研究*

陳朝黃艷秋王怡閆翻遼第五徐濤

(西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院西安 710055)

摘要在前人實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析的基礎(chǔ)上，基于空間熱及污染物分布相關(guān)理論，采用數(shù)值模擬方法，對不同浮射流強(qiáng)度下熱及污染物分布過渡區(qū)進(jìn)行研究。研究表明，浮射流強(qiáng)度較低(如373 K)時(shí)，污染物分布過渡區(qū)將增厚，部分污染物由于擴(kuò)散作用將與熱出現(xiàn)明顯分離現(xiàn)象，擴(kuò)散至建筑下部空間，影響工藝及人員健康。

關(guān)鍵詞浮射流溫度分布污染物分布過渡區(qū)

0引言

在焦化、鋼鐵冶金、汽車制造及科學(xué)實(shí)驗(yàn)室等工業(yè)建筑中，常常有各種形式的熱源及有毒有害污染物存在，對生產(chǎn)工藝造成破壞的同時(shí)，還將對作業(yè)人員的身心健康形成巨大威脅。目前對建筑內(nèi)部熱及污染物分布規(guī)律的研究，主要集中在對自然通風(fēng)房間內(nèi)部熱源伴生熱羽流引起的建筑內(nèi)部熱分布特性方面，還有許多學(xué)者[1-3]對熱壓通風(fēng)和地板送風(fēng)等通風(fēng)系統(tǒng)展開了研究，給出了一般空間的下熱壓通風(fēng)原理及利用熱分層進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)的許多方法。而當(dāng)工業(yè)建筑內(nèi)有浮射流出現(xiàn)時(shí)，這些浮射流產(chǎn)生的擾動(dòng)(如浮射流初始溫度、初始速度等)會對廢熱及污染物的空間分布造成很大影響，但鮮有對此類問題進(jìn)行研究。

一般認(rèn)為，污染物的質(zhì)量擴(kuò)散主要由濃度梯度引起，這種情況稱為普通擴(kuò)散[4]。通常認(rèn)為在廠房內(nèi)處于上部熱污染區(qū)以下是安全潔凈的，而在上部熱污染區(qū)與下部冷潔凈區(qū)之間存在一個(gè)過渡區(qū)(如圖1)。過渡區(qū)越薄，三區(qū)域分布越清晰，越有利于對熱污染及污染物污染的控制。本文通過過渡區(qū)最大梯度值對其特性進(jìn)行詳細(xì)分析，這將對界定分層高度等問題具有重要意義。

圖1　熱及污染物空間分布示意圖

本文在前人對房間內(nèi)具有浮射流的溫度及污染物分布研究的基礎(chǔ)上利用浮射流的溫度與污染物擴(kuò)散相關(guān)理論，通過數(shù)值模擬方法，對建筑空間內(nèi)溫度與污染物濃度分布的異同進(jìn)行了討論，且通過過渡區(qū)最大梯度值對污染物及熱分布過渡區(qū)特性進(jìn)行詳細(xì)論述。這將對具有不同浮射流特性的工業(yè)建筑內(nèi)環(huán)境的余熱及污染物的捕集具有一定的指導(dǎo)意義。

1研究方法

1.1數(shù)值模擬控制方程

對于三維空間穩(wěn)態(tài)下，根據(jù)質(zhì)量守恒所建立的空間污染物運(yùn)輸方程，可用通用方程形式(1)[5]

?(ρφ)/?t+div(ρφu)=div(Γgradφ)+S

(1)

式中，φ為通用變量，可以代表u，v，w，T等求解變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源相。

本文運(yùn)用的數(shù)值模擬計(jì)算，默認(rèn)建筑物內(nèi)部空氣為連續(xù)不可壓氣體。為了充分體現(xiàn)室內(nèi)浮射流對建筑內(nèi)部空氣流動(dòng)的影響，故把進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口分別設(shè)為壓力入口和壓力出口；浮射流入口設(shè)為速度入口(若為純羽流，則速度值設(shè)為0)；湍流模型設(shè)置為Realizablek-ε模型；采用SIMPLE算法[6]，模擬工況會出現(xiàn)空氣溫度、密度及熱物性的變化，故采用線性差分方法對這些物理量進(jìn)行設(shè)置。繪制網(wǎng)格時(shí)對浮射流源處進(jìn)行局部加密處理以獲得更準(zhǔn)確的流場特性，最小最大網(wǎng)格分別為0.04，0.4，加密倍數(shù)1.1。并對生成的網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性檢驗(yàn)。針對污染物計(jì)算部分啟用組分傳輸模型。

1.2數(shù)值模擬的有效性驗(yàn)證

將本文的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與前人的實(shí)驗(yàn)測量值[7]進(jìn)行對比以驗(yàn)證數(shù)值模擬的有效性。實(shí)驗(yàn)建筑搭建在一個(gè)高大寬敞的實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)，長、寬、高分別為2.7 ，2.4，2.7m，南北兩側(cè)分別設(shè)進(jìn)、排風(fēng)口，大小均為0.40m×0.25m。室內(nèi)平板熱源(尺寸0.20m×0.20m，離地面高0.42m)的表面均覆蓋導(dǎo)熱性能很好、表面發(fā)射率很低的鋁板，熱源功率為300W。

污染物設(shè)置為氨氣，溫度和濃度值進(jìn)行了無量綱化處理，T，Tm，Tc，ωm分別代表某一高度溫度(K)、垂直最大溫度(K)、周圍環(huán)境溫度(K)及污染物最大濃度(kmol/m3)。無量綱高度z/H為某位置距離與地面垂直距離之比，無量綱溫度(T-Tc)/(Tm-Tc)表示局部某位置溫度與環(huán)境溫度差值和最大溫度與環(huán)境溫度差值之間的比值，見圖2。從圖2中可以看出，在距離地面無量綱高度0.2以上出現(xiàn)明顯的溫度階躍現(xiàn)象,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最小誤差3.01%，最大誤差20.71%，二者基本吻合。

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬所使用的組分傳輸模型，圖3給出了數(shù)值模擬計(jì)算值與前人[8]實(shí)驗(yàn)值的對比。由圖可見，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最小誤差0.65%，最大誤差9.25%，二者具有良好的一致性，故本文所用組分傳輸對室內(nèi)污染物分布的計(jì)算方法是可行的。

圖2　實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬垂直溫度分布對比圖

圖3　實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬污染物濃度垂直分布對比圖

2溫度及污染物分布比較分析

影響余熱及污染物分布的因素有很多，下文將通過數(shù)值模擬的方法，就兩種主要因素浮射流初始溫度、浮射流初始速度對熱分布及污染物分布所產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究。

2.1物理模型及邊界條件

本文為研究建筑內(nèi)部熱及污染物分布規(guī)律，建立如圖4物理模型。計(jì)算域長、寬、高為3，3，4m，圓形浮射流源半徑為0.25m，下部有一個(gè)壓力入口尺寸為2m×0.5m,上部排風(fēng)罩尺寸為0.5m×0.5m×0.2m，其余邊界均設(shè)為壁面。環(huán)境溫度為293K。

圖4　數(shù)值模擬物理模型示意圖

2.2浮射流初始溫度對室內(nèi)溫度及污染物濃度分布的影響

實(shí)際中人體、燈具、生產(chǎn)設(shè)備等均會誘導(dǎo)出各類浮射流，這些浮射流的初始溫度可由幾十?dāng)z氏度變化到幾百攝氏度。此外，鋼鐵冶金行業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量煙氣，其中低溫?zé)煔獾臏囟纫话阍?30 ℃[9]左右，而有些煙氣的溫度則會更高。綜合考慮以上不同應(yīng)用背景，本文數(shù)值模擬不同工況條件下浮射流初始溫度范圍選取為373～673K。

圖5和圖6分別表示溫度垂直分布和污染物濃度垂直分布隨浮射流初始溫度變化的規(guī)律。由圖5可以看出，在建筑底部溫度基本保持環(huán)境溫度，然后隨著高度增高經(jīng)歷過渡階段，最后在一定高度達(dá)到較高的溫度；而圖6可以看出在建筑底部會出現(xiàn)一定的污染物濃度，這是因?yàn)榇蟛糠治廴疚锛性诮ㄖ喜?，由于上部與下部存在濃度差，故污染物分子由于無規(guī)則的自由擴(kuò)散會向下部空間運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)熱分布與污染物分布存在差異的現(xiàn)象，當(dāng)浮射流初始溫度越高，由于污染物溫度隨之升高，從而使更多污染物集中在建筑上部，673K時(shí)最接近熱分布，當(dāng)浮射流初始溫度為373K時(shí)，底部污染物濃度大約為浮射流初始溫度673K時(shí)底部濃度的1.8倍。

圖5　不同浮射流初始溫度下溫度垂直分布圖

圖6　不同浮射流初始溫度下污染物濃度垂直分布圖

圖7給出了不同浮射流初始溫度下垂直溫度與污染物濃度的最大梯度的比較數(shù)據(jù)。可以看出，浮射流初始溫度為673K時(shí)其梯度最大值約為浮射流初始溫度373K時(shí)的66%，說明溫度分布過渡區(qū)隨著浮射流溫度升高有所增厚；濃度垂直分布最大值隨溫度升高有所增大，373K時(shí)濃度梯度最大值約為673K的35%，說明濃度分布過渡區(qū)隨浮射流溫度升高有所減薄。這是由于當(dāng)溫度升高時(shí)，在熱擴(kuò)散和物質(zhì)擴(kuò)散共存的情況下，擴(kuò)散物質(zhì)密度小于環(huán)境密度時(shí)，產(chǎn)生向上浮力，與熱浮力方向相同[10]。故浮射流溫度的升高，使建筑內(nèi)總體溫度升高，從而導(dǎo)致溫度分布過渡區(qū)溫度梯度的減小；而浮射流溫度越高時(shí)，將有更多的污染物擴(kuò)散至房間頂部，從而導(dǎo)致污染物分布過渡區(qū)濃度梯度的增大。因此當(dāng)溫度較低時(shí)，建筑下部空間出現(xiàn)的污染物，將對工人健康及生產(chǎn)工藝造成危害，應(yīng)引起足夠重視。

圖7　不同浮射流初始溫度下垂直溫度與濃度梯度對比圖

2.3浮射流初始速度對室內(nèi)溫度及污染物濃度分布的影響

目前對建筑內(nèi)部污染源產(chǎn)生的浮射流所形成的建筑熱分布的特性研究甚少，而這些浮射流會對熱及污染物過渡區(qū)的分布特性造成很大影響。因此，本文針對浮射流5種不同的初始速度0，0.3，0.5，1，2m/s，分析浮射流初始速度對熱及污染物分布的影響。

圖8與圖9分別給出了浮射流初始速度變化時(shí)建筑內(nèi)部溫度與污染物濃度垂直分布規(guī)律。由圖8可以看出建筑底部溫度接近環(huán)境溫度，這與增大浮射流初始溫度時(shí)的變化規(guī)律是一致的；圖9顯示出在建筑底部也會由于污染物分子的自由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而使下部空間出現(xiàn)一定濃度的污染物，且當(dāng)浮射流初始速度越小，此時(shí)由于受擾動(dòng)更小從而使擴(kuò)散現(xiàn)象更為明顯。無初始速度時(shí)，污染物下部濃度最大，相當(dāng)于浮射流初始速度2m/s時(shí)底部空間濃度的1.8倍。

圖8　不同浮射流初始速度下溫度垂直分布對比圖

圖9　不同浮射流初始速度下污染物濃度垂直分布對比圖

圖10給出了不同浮射流初始速度下溫度和濃度梯度最大值的比較數(shù)據(jù)。利用前文的分析方法可知：隨著浮射流初速度增大，與浮射流初始溫度增大的變化趨勢相似，溫度梯度最大值呈現(xiàn)減小的趨勢，當(dāng)浮射流初始速度達(dá)到2m/s時(shí)，溫度梯度最大值減小至無初始速度工況下的48%，說明溫度分布過渡區(qū)隨浮射流初始速度增大而增厚；而濃度梯度最大值將隨著浮射流初始速度的增加而緩慢增大，浮射流無初始速度濃度梯度最大值大約為浮射流初始速度2m/s時(shí)梯度最大值的58%，說明污染物濃度分布過渡區(qū)隨浮射流初始速度增大而略微減薄。這是由于浮射流初始速度增大將加速室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)，從而使熱量在建筑內(nèi)更加均勻地分布；而浮射流初始速度增大類似于前節(jié)浮射流浮升力的增大對污染物的影響，使得污染物集中于建筑上部，從而過渡區(qū)污染物濃度最大梯度將會有所增大，但影響程度較浮射流初始溫度升高有所減小。故當(dāng)建筑內(nèi)存在初始速度較低的含污浮射流時(shí)，作業(yè)人員應(yīng)針對擴(kuò)散至下部空間的污染物采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

圖10　不同浮射流初始速度下垂直溫度與濃度梯度對比圖

3結(jié)語

本文利用浮射流的溫度與污染物濃度分布相關(guān)理論，通過數(shù)值模擬方法，對空間內(nèi)溫度與污染物濃

度分布異同，過渡區(qū)梯度變化規(guī)律等問題進(jìn)行了討論，具體結(jié)論如下。

(1)浮射流初始溫度較低時(shí)，房間內(nèi)污染物分布由于擴(kuò)散作用會出現(xiàn)與熱分布分離而存在差異的現(xiàn)象，浮射流初始溫度為373K時(shí)底部0.5m內(nèi)污染物濃度大約為浮射流初始溫度673K時(shí)底部濃度的1.8倍。

(2)浮射流初始速度較低時(shí)，房間下部也會由于擴(kuò)散作用出現(xiàn)一定濃度的污染物，無初始速度時(shí)，下部0.5m內(nèi)污染物濃度最大，相當(dāng)于浮射流初始速度2m/s時(shí)濃度的1.8倍。

(3)利用過渡區(qū)最大梯度反映過渡區(qū)分布特性：浮射流初始溫度或初始速度增加時(shí)，溫度分布最大梯度減小，溫度過渡區(qū)增厚，濃度分布最大梯度增加，濃度過渡區(qū)減薄。

總之，不同浮射流特性下溫度分布與污染物濃度分布存在一定差異。污染物將擴(kuò)散至下部操作區(qū)，對工人及生產(chǎn)工藝造成威脅，應(yīng)引起足夠重視。

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Study on the Effects of Characteristics of Buoyant Jet on Indoor Pollutants Distribution

CHEN ZhaoHUANG YanqiuWANG YiYAN FanliaoDIWU Xutao

(SchoolofEnvironmentandMunicipalEngineering,Xi'anUniversityofArchitecture&TechnologyXi'an710055)

AbstractBased on the analysis of the previous experimental data error and the theory of spatial heat and pollutant distribution, the paper mainly conducts researches on the thermal and pollutant distribution in transition zone in different buoyant jet intensity by using numerical simulation method. The result shows that under the condition of low buoyant jet intensity (e.g. 373 K) flow, transition zone will be thickened, and part of pollutants appear obvious separation with the thermal and spread to the lower space of the building due to diffusion, which has a bad effect on the process and workers’ health.

Key Wordsbuoyant jettemperature distributionpollutant distributiontransition area

(收稿日期：2015-03-20)

作者簡介陳朝，男，1989年生，碩士，從事工業(yè)建筑環(huán)境通風(fēng)研究。

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51238010)，國家杰出青年基金項(xiàng)目(51425803)。