屈志敏，呂蒙

（中城院（北京）環(huán)境科技有限公司，北京 100120)

1 引言

近年來，在國家碳中和及碳達峰的“雙碳”目標(biāo)背景下，環(huán)保要求同步提高。有機垃圾處理廠作為重要的大氣污染物排放源，其除臭系統(tǒng)近年來規(guī)模大幅提高。除臭規(guī)模的增加一定程度上能夠提高除臭效果，但也帶來了高能耗，這與節(jié)能減碳的目標(biāo)背道而馳。在保證除臭效果的基本前提下，降低除臭系統(tǒng)規(guī)模，減小除臭系統(tǒng)能耗是有機垃圾處理廠除臭系統(tǒng)面臨的一個重要現(xiàn)實問題。

計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics,CFD）已經(jīng)被普遍作為科學(xué)研究和工程設(shè)計中有力的預(yù)測仿真工具，可以用來研究通風(fēng)房間的氣流組織和負壓度等。

本文通過對通風(fēng)房間進行CFD仿真模擬，在排風(fēng)口風(fēng)量及風(fēng)速一定的條件下，用3種不同大小的自然補風(fēng)口模擬維護結(jié)構(gòu)縫隙不同的漏風(fēng)面積，通過這3種典型模擬，探討不同的漏風(fēng)面積對室內(nèi)負壓度的影響。同時利用理想流體伯努利方程來計算理論負壓，另外參考GB 50073—2013《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》中給出的工程經(jīng)驗算法，來確定相同條件下的經(jīng)驗負壓，對比上述3種方式得出的負壓結(jié)果，確定能夠應(yīng)用于實際工程設(shè)計中比較有效簡便的負壓計算的工程應(yīng)用方法，從而對有機垃圾處理廠除臭系統(tǒng)規(guī)模的確定提供技術(shù)支撐。

2 通風(fēng)房間模型描述

2.1 物理模型及初始條件

本文主要研究的是除臭通風(fēng)車間內(nèi)，在一定除臭排風(fēng)量的條件下，補風(fēng)口或者維護結(jié)構(gòu)漏風(fēng)面積大小對車間內(nèi)負壓度的影響。為節(jié)省算力資源，提高計算精度，通風(fēng)車間選用一個小型通風(fēng)房間進行研究，該通風(fēng)房間基本尺寸為7 m（長）×5 m（寬）×3 m（高）。通風(fēng)形式為機械排風(fēng)，自然補風(fēng)。排風(fēng)口設(shè)置在屋頂，維護結(jié)構(gòu)漏風(fēng)設(shè)置為補風(fēng)口設(shè)置在兩側(cè)墻體下沿距地0.2 m。其中，排風(fēng)口尺寸為0.18 m×0.2 m，排風(fēng)口面積0.036 m2。自然補風(fēng)口設(shè)置3種工況，分別為補風(fēng)口總面積0.2 m2、0.1 m2、0.05 m2，如圖1所示對應(yīng)3種模型。

圖1 3種通風(fēng)模型三維結(jié)構(gòu)示意圖

房間機械排風(fēng)量為5次換氣/h，計算排風(fēng)量為525 m3/h，3種模型對應(yīng)排風(fēng)口及補風(fēng)口面積與風(fēng)速如表1所列。

表1 物理模型初始條件表

2.2 假設(shè)條件及理論基礎(chǔ)

2.2.1 假設(shè)條件

為簡化數(shù)值模擬計算，需要進行如下合理假設(shè)條件：

1）溫度對負壓研究無影響，故假設(shè)進排風(fēng)均為等溫射流。

2）輻射換熱對負壓研究無影響，不考慮輻射換熱。

3）流體按流動參數(shù)是否隨時間變化分為定常流動和非定常流動，模擬室內(nèi)空氣穩(wěn)態(tài)流動，為減少計算因子，將室內(nèi)空氣假定為定常流動。

4）流體分為可壓縮流體及不可壓縮流體兩種，空氣作為一種可壓縮流體，由于壓強研究范圍僅在0～50 Pa，空氣分子的可壓縮性對負壓度的研究影響可忽略，為簡化連續(xù)性方程，不考慮空氣密度的影響，假定室內(nèi)空氣為不可壓縮流體。

2.2.2 理論計算方程

1）連續(xù)性方程

流體為定常流動，不考慮時間因子的影響：

式中，u、v、w分別為流體微元在3個方向x、y、z的速度；ρ為流體密度。

不考慮流體密度的變化，流體假定為不可壓縮流體，則連續(xù)性方程可得到進一步簡化：

2）動量方程

根據(jù)動量定理，流體系統(tǒng)流動的時間變化率等于作用在系統(tǒng)上的外力矢量和，即：

式中，m為流體質(zhì)量；V1、V2分別為t1、t2時刻的流體速度；Δt=t2-t1。

根據(jù)不可壓縮流體一維流動連續(xù)性方程，流體在總流進出口的流量相等，可得出不可壓縮流體定常流動的一維流動動量方程：

式中，qv為流體體積。

三維定常流體的動量方程即：

3 模擬條件及結(jié)果

3.1 模擬條件

3.1.1 計算模型

機械通風(fēng)空氣為高雷諾數(shù)湍流流動，適用k-epsilon標(biāo)準(zhǔn)模型，壁面選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。重點研究通風(fēng)量對負壓度的影響，不考慮輻射換熱與溫度對空氣流場的影響。

3.1.2 邊界條件

壁面選擇氣流無滑移靜止壁面，不考慮壁面粗糙度影響。機械排風(fēng)口設(shè)置為速度入口，速度為-4.05 m/s，自然補風(fēng)口設(shè)置為壓力出口。 趙福云[1]、趙斌[2]、凌繼紅[3]等通過理論計算、相關(guān)實驗與驗證均認為湍流強度對室內(nèi)空氣流動的影響可忽略，故不考慮湍流強度對氣流出入口的影響。模型中速度入口與壓力出口湍流強度均設(shè)置為4%，回流水力直徑0.5 m。

3.1.3 求解方法

氣流組織分析一般采用SIMPLE方法，采用壓力與速度相互校正強制質(zhì)量守恒并獲取壓力場。PISO方法適用于過渡計算和高度傾斜網(wǎng)格計算，不適用于本次數(shù)值模擬。SIMPLEC方法雖然能夠更快得到收斂結(jié)果，但容易產(chǎn)生不穩(wěn)定。另外一種算法為耦合求解，更合適用于高速可壓縮流動，不適用于本次數(shù)值模擬。

3.1.4 初始化

本次數(shù)值模擬的對象為通風(fēng)房間空氣流動，為單相流體，采用混合初始化求解。

3.2 模擬結(jié)果分析

對上述模型進行迭代求解，可以直觀得到室內(nèi)氣流組織速度流場，具體速度場模擬結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，最大風(fēng)速在排風(fēng)口中心處約5 m/s作用，排風(fēng)口初始條件4.05 m/s為風(fēng)口平均速度。自然補風(fēng)口模型1到模型3的補風(fēng)口面積逐步減小，在此基礎(chǔ)上，模擬計算空間負壓，計算結(jié)果如圖3所示。

圖2 3種模型速度場示意圖

圖3 3種模型壓力場示意圖

如壓力場模擬計算結(jié)果所示，模型1模擬負壓結(jié)果為-0.27 Pa，模型2模擬負壓結(jié)果為-1.07 Pa，模型2模擬負壓結(jié)果為-5.12 Pa。

綜合模擬初始條件排風(fēng)口面積一致條件下的數(shù)據(jù)結(jié)果對比，如表2所示。

表2 數(shù)值模擬結(jié)果分析表

從表2結(jié)果分析可知，隨著進風(fēng)口面積的減小，進風(fēng)口風(fēng)速逐漸增加，負壓度也相應(yīng)增加。且增加幅度遠大于進風(fēng)口風(fēng)速增幅。故而可以認為維護結(jié)構(gòu)的密閉性對通風(fēng)房間負壓度起到?jīng)Q定性影響。

4 其他方法負壓計算分析

4.1 理論負壓計算分析

在計算流體動力學(xué)中，理想流體的運動微分方程在假定流體為不可壓縮理想流體的定常流動，質(zhì)量力只有重力作用，且沿同一微元流束積分的假定簡化條件下，得到理想流體微元流束的伯努利方程[4]：

式中，z0、z1為單位重力流體的位勢能；p0/ρg、p1/ρg為單位重力流體的壓強勢能；V02/2g、V12/2g為單位重力流體的動能。

將入口通風(fēng)氣流段看作微元流束，室外大氣看作流束入口，房間內(nèi)氣流入口看作流束出口，室內(nèi)空間負壓度為相對壓力，故室外壓力即流束入口壓力取值為0 Pa，室外空氣作為流束入口風(fēng)速為0 m/s，流束出口壓力即室內(nèi)負壓，流束出口流速即房間氣流入口風(fēng)速。忽略位勢能的影響，可以簡化計算室內(nèi)負壓與氣流出口風(fēng)速之間的數(shù)值關(guān)系，伯努利方程可以改進得出：

式中，p0為大氣壓力，取值0 Pa；V0為室外空氣風(fēng)速，取值0 m/s；V1為氣流出口風(fēng)速，m/s；p1為房間負壓值，Pa；ρ為常壓下空氣密度，取值1.2 kg/m3；g為重力加速度，取9.81 m2/s。

可以得流束出口風(fēng)速與房間負壓值的關(guān)系式如式（10）：

代入3種模型的初始條件，對比模擬計算結(jié)果分析見表3。

表3 數(shù)值模擬與理論計算對比分析表

上述結(jié)果表明，運用簡化的理想流體伯努利方程來計算負壓值，與數(shù)值模擬結(jié)果的偏差率在15%左右，且理論計算結(jié)果小于數(shù)值模擬負壓值結(jié)果。

4.2 經(jīng)驗負壓計算分析

在GB 50037—2013《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》[5]中，有關(guān)潔凈區(qū)與周圍空間需要維持一定壓差的規(guī)定，給出了縫隙法計算維持潔凈室壓差值所需的壓差風(fēng)量。對非密閉門試驗數(shù)據(jù)進行分析，如表4所示。

表4 非密閉門漏風(fēng)量試驗數(shù)據(jù)

潔凈室非密閉門縫隙按1.6 mm驗算壓差與漏風(fēng)量之間的關(guān)系，可以驗算得出壓差與漏風(fēng)量滿足上述理論計算式。

5 數(shù)值模擬與其他計算方法結(jié)果對比分析

5.1 室內(nèi)負壓度的影響因素

經(jīng)前述數(shù)值模擬可以看出，設(shè)有機械排風(fēng)的除臭通風(fēng)房間，負壓度主要與維護結(jié)構(gòu)的開口面積大小有關(guān)，且開口面積的大小對負壓度的影響相當(dāng)明顯。模型1～模型3的3種模型壓力場顯示，室內(nèi)負壓度均勻，室內(nèi)負壓度與縫隙所在位置無關(guān)，即氣流組織不影響室內(nèi)負壓度。

5.2 室內(nèi)負壓值的確定

通過數(shù)值模擬得出的進風(fēng)口風(fēng)速與負壓值的關(guān)系，結(jié)合簡化的理想流體微元流束的伯努利方程，在理論計算的基礎(chǔ)上附加一定的系數(shù)來契合模擬結(jié)果，能夠作為一種更簡單的工程實際應(yīng)用的計算方法。

實際工程中需要用負壓值來控制通風(fēng)量，為保證負壓效果，采用理論計算值直接作為估算除臭通風(fēng)風(fēng)量是可行的。通過模擬數(shù)值來看，其結(jié)果相當(dāng)于在維持一定負壓的條件下所需的實際除臭風(fēng)量的基礎(chǔ)上附加了15%，這在實際工程中作為常用的保證系數(shù)具有可靠性。

6 結(jié)論

1）除臭通風(fēng)車間負壓值在除臭風(fēng)量一定的條件下，僅與維護結(jié)構(gòu)漏風(fēng)面積相關(guān)。漏風(fēng)面積越大，室內(nèi)負壓程度越小，越不利于室內(nèi)污染物的外溢控制。室內(nèi)負壓度與滲漏風(fēng)口的風(fēng)速直接相關(guān)，數(shù)值關(guān)系對應(yīng)簡化的微元流體伯努利方程。

2）工程設(shè)計應(yīng)用中，可以采用兩種方法來確定室內(nèi)除臭風(fēng)量。其一，確定常用不同類型的門窗及維護結(jié)構(gòu)縫隙寬度值，通過縫隙長度估算維護結(jié)構(gòu)漏風(fēng)面積，進而通過所需控制的室內(nèi)負壓值計算進風(fēng)風(fēng)速，從而確定除臭通風(fēng)風(fēng)量。其二，確定不同類型的門窗及維護結(jié)構(gòu)單位長度縫隙在維持一定壓差條件下所需的壓差風(fēng)量，從而估算除臭通風(fēng)風(fēng)量。這兩種方法均有前置條件，也是在今后的工作中需要進一步調(diào)研與研究的重要內(nèi)容。

3）有機垃圾處理廠作為重要的污染排放源，如何有效控制污染物的擴散外溢以及降低控制成本，是一個具有相當(dāng)現(xiàn)實意義的問題。強化圍護結(jié)構(gòu)的密閉性，能夠有效降低除臭系統(tǒng)初投資成本及運營成本。投資成本與節(jié)能減碳的經(jīng)濟效益的平衡，也是今后工作中需要進一步研究分析的問題，這對于指導(dǎo)工程建設(shè)實施，充分響應(yīng)國家“雙碳”目標(biāo)具有重要的現(xiàn)實意義。