通風管道內溫濕度對顆粒沉積的影響

韓云龍,胡永梅,錢付平

(安徽工業大學建筑工程學院,安徽馬鞍山243002)

室內空氣品質問題,如CO2濃度高或新風不足、揮發性有機氣體的排放、細(病)菌等更易獲得大家的關注,尤其對于那些大部分時間在封閉的室內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。對于中央空調系統而言,如果通風系統只是裝備了低效或中效過濾器,那么室內可吸入顆粒物濃度將會受到影響。室外空氣中的灰塵會通過過濾器進入送風系統,其中一部分會沉積在管道內,而送風管道內的溫濕度非常適合病菌、微生物的生存繁殖,在空調系統啟動過程中或管道振動則可能會促使氣流將這些附有病菌的積塵重新揚起并送至室內。若人們長期暴露于此環境下,呼吸道疾病或病態建筑綜合癥將不可避免。因此,諸多研究者[1-5]對管道內顆粒沉積進行了相關的研究工作,他們的研究結果表明風速、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,隨風速、粒徑的增加,顆粒沉積速率提高。對于水平的通風管道,氣流中的顆粒物在重力沉積作用下部分沉積于管道底部,同時慣性和湍流擴散也會加速顆粒向管道周壁的沉積。

對于空調房間,為了維持室內一定的溫、濕度環境,要進行一個熱濕交換過程,經過熱濕處理后的空氣經由通風管道送往空調房間。因此,若管道保溫措施不當,則氣流與管壁間的溫差產生的熱泳力會加速顆粒的沉積,一些研究者[6-8]認為即使氣流與管壁之間存在一個小的溫差也會加速顆粒沉積速率。然而,前人[9-12]的研究多基于小斷面通風管道內的顆粒物沉積,同時空氣濕度變化對通風管道內顆粒物沉積的影響還未有報道。該文采用雷諾應力模型(RSM)模擬管道內湍流,在接近實際空調通風管道尺寸斷面的管道內應用拉格朗日隨機軌道模型對完全發展湍流中顆粒物沉積進行模擬研究,對于管道內氣流與管壁溫差所產生的熱泳力對顆粒物沉積的影響進行探討,同時研究空氣相對濕度對顆粒物沉積的影響。

1 模型

1.1 流體與顆粒運動方程

通風管道內空氣與顆粒之間的運動屬于典型的氣固兩相流動問題,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顆粒的運動軌跡,但是需要花費較多的計算時間。一般而言,空調通風管道內的灰塵濃度較低,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相與分散相。通常來說,由于灰塵粒徑較小及濃度較低,連續相對分散相有重要的影響,而灰塵顆粒對連續相的影響可以被忽略,所以采用拉格朗日法的單相耦合計算方法。

空調通風管道內湍流流動的模擬計算應用商業軟件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。Tian和Ahmadi[16]于湍流管道內納米和微米級的顆粒物沉積進行了模擬研究,認為RSM湍流模型及“two-layer”邊界條件的使用,能合理的預測顆粒物的沉積。模擬結果表明0.01～50μm范圍的無因次顆粒沉積速率呈現“V”形分布,因此,采用 RSM 模型和“two-layer”模型的邊界處理條件。

1.2 沉積速率及熱泳力

為了與前人的研究結果進行比較,采用了無因次顆粒沉積速率,通常表示為：

其中Cm為時均顆粒濃度;u*為磨擦速度,可寫為下式：

其中U m為平均風速;f為范寧系數,采用W hite[17]得出的關聯式計算 f。

其中k為壁面粗糙度,光滑壁面為0;Re為雷諾數;D為水力直徑。

無因次松弛時間τ+,如下示：

其中μ和ν分別為流體的動力粘度與運動粘度;ρp和dp分別為顆粒密度和直徑;Cc為坎寧漢系數,如下示：

其中λ為氣體分子自由程,在1大氣壓,25℃時為0.065μm。

如果氣流與管壁之間存在溫差,顆粒物會沿著溫度降低的方向運動,即為熱泳現象。顆粒所受熱泳力可表示為如下：

2 計算域

于矩形斷面0.3 m×0.2 m,長度為3m接近實際空調通風管道尺寸的管道內模擬完全發展湍流顆粒沉積。采用網格生成工具Gambit生成六面體結構網格;對于管道內顆粒沉積而言,邊壁處高精度網格的生成十分重要,因此采用Tian和Ahmadi[16]的邊界層劃分方法,即第一個網格距離邊壁處0.05 mm,其后以1.2的倍率增加直至1～1.2個單位長度為止,近壁處網格較為密集,見圖1,整個計算域共劃分150 000個網格單元。

圖1 矩形斷面網格劃分

應用拉格朗日隨機軌道模型追蹤離散相顆粒的運動軌跡,顆粒密度為900 kg/m3,個數為3 000個。為了和以前研究者的實驗或計算結果進行比較,對于粒徑范圍0.01～50μm的球形顆粒沉積進行了模擬計算,入口風速為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 結果與討論

3.1 流場分析

為了和前人的研究結果進行比較,對小斷面尺寸(0.075m×0.05m)的通風管道內低雷諾數流動及顆粒沉積也進行了模擬計算,流場見圖2。2種斷面尺寸的管道進口風速均為5 m/s,由于斷面尺寸的減小,相應的雷諾數也減小,分別為 82 135、5 136。由圖2可以看出,雖然進風風速相同,但斷面尺寸的減小導致雷諾數大幅降低。可以看出大斷面管道內流速梯度較小,斷面流速較為均勻;而小斷面管道流速梯度較大,斷面越小,管道流動核心區流速越大,而近壁區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顆粒沉積的研究,由此可知這和實際通風管道內流體流動情況稍有差距。

3.2 模型驗證

圖3為無因次沉積速率隨無因次松弛時間的變化曲線,塵粒粒徑范圍為0.01～50μm,并將模擬結果與前人數據進行了比較。由于粒徑不同,所受擴散力、慣性力大小也不同,致使顆粒沉積運動呈現3個區：即擴散區、過渡區和慣性區。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,而擴散力則是顆粒沉積的主要機理。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,模擬結果基本符合前人的實驗數據及計算結果,無因次沉積速率隨無因次松弛時間呈現“V”形變化,滿足顆粒沉積的擴散區、過渡區及慣性區分布規律。但是計算域為矩形斷面(0.3 m×0.2m)的三維計算,更接近于實際空調管道的斷面尺寸,雷諾數(82 135)也要遠高于前人的實驗或計算中采用的雷諾數[16,19](Tian等[16]采用的雷諾數為6 667)。但雷諾數的提高不是由風速的提高而引起,而僅由斷面尺寸的增加導致的。一般而言,隨風速的提高,顆粒的沉積速率會相應提高,但由斷面尺寸增加而導致雷諾數提高對顆粒沉積的影響并不顯著。

圖2 不同通風管道斷面流速場

圖3 模型計算結果的比較驗證

3.3 溫度對顆粒沉積的影響

對于實際空調系統通風管道而言,送風溫度、濕度因季節的變化而不同,因主氣流溫度與管壁的溫差而導致的熱泳力將會促進次微米級小微粒的沉積。有關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,熱泳力是導致PM 2.5沉積的關鍵因素。He和Ahmadi[20]認為只有顆粒進入邊界層的粘性底層時,布朗擴散才是顆粒沉積的控制機理,熱泳力對小顆粒(如幾個微米級或以下)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]也都認為溫差導致的熱泳力能促進顆粒的沉積。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,當固定入口溫度時,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生的熱泳力促進了顆粒的沉積。同時可以看出,側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。然而對于實際空調系統通風管道而言,都會有保溫措施,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

然而當入口空氣溫度提高,而管壁保持絕緣時,發現不同之現象,如圖5示。可以發現隨著入口溫度的提高,底面、側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升高趨勢。雖然設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,會產生一個升力。因此,溫差產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致管道內氣體流動的雷諾數有所減小,湍動能有所降低致使顆粒的湍流擴散作用減弱也有關。

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

空調系統為了滿足室內一定的濕度要求,在新風處理單元一般需要加濕過程,經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,對通風管道內空氣相對濕度40%～80%的環境條件顆粒沉積進行了模擬研究,見圖6。空氣相對濕度的提高會改變空氣的粘度、密度、熱導率等物性,將空氣相對濕度改變所引起的物性變化計算出來,在模擬計算過程中,認為每個物性都對應著一個相對濕度。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增加。這是由于空氣相對濕度的提高,濕空氣的粘度也會相應提高,增加了湍流邊界層的厚度,使得更多的顆粒進入這個低速的粘性邊界層,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行的計算,在實際運行中,倘若管壁保溫措施不當,則較高濕度空氣中的水會凝結于管壁,這就會相應提高管壁的粗糙度,按照Lai等[3]的研究結果可知,粗糙度的提高會促進顆粒的沉積,所以沉積速率會有相應的提高,而潮濕的管道內環境,適宜的溫度則為真菌、細菌等提供了繁殖的溫床,對室內空氣品質會有嚴重的影響。

圖6 管道內氣流濕度對顆粒沉積的影響

4 結論

應用拉格朗日隨機軌道模型模擬分析了通風管道內溫濕度變化對顆粒物沉積的影響,得出了如下主要結論：

1)集中式空調系統通風管道內高溫送、回風氣流與低溫管壁形成較大溫差時,熱泳力會加速小顆粒(亞微米、納米級顆粒)的沉積速率,對于實際工程應用,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)通風管道內送、回風濕度的提高會加速顆粒的沉積速率,對于缺乏良好保溫措施的通風管道,若濕度較大,管壁上凝結水的出現會增加粗糙度,更會加速顆粒物的沉積。

3)集中式空調系統通風管道內顆粒物的沉積及其衛生狀況對室內空氣品質的影響已逐漸引起重視,若通風管道維護不當,送回風溫濕度的變化會影響顆粒物的沉積,并惡化室內空氣品質。通過文章的分析研究,有助于空調運行管理人員提高通風管道內顆粒物沉積的認識,促進其對空調系統通風管道的維護、清潔工作,同時可為評價室內人員對顆粒物的接觸、暴露情況提供參考。

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