建筑群中涂料擴散的建模與仿真

倪冬香 李 超 范秦寅 金哲晃

(1.上海交通大學,國家工程數字研究中心,上海 200030;2.日本科瑞多軟件工程技術股份有限公司,日本)

1 引言

建筑物在進行內部或外部裝潢改造時,常常會將毒性很強的涂料直接噴到工件表面作最后處理。在此過程中,常有可能出現操作工人或者附近其他人員,吸進這種有毒空氣,造成喉痛、咳嗽等呼吸器官病變等事故。為了調查造成事故的原因,再現事故現場,需要對涂料擴散的過程進行分析。但是,由于建筑物內部結構通常比較復雜,容易誘發復雜的漩渦系統,進而使污染物在建筑內外部的擴散和運輸變得極為復雜。曾被廣泛運用于預測污染物濃度場的傳統實驗方法,因其自身的局限性(成本過高、預測精度不足)在實際應用中受到很大的限制[1]。

同時,近年來隨著計算流體力學(CFD)技術和商業 CFD軟件的不斷發展,CFD仿真應用的領域越來越廣泛,也已逐漸滲透到建筑內部及外部的污染物擴散計算中。CFD仿真技術本身所具有的特點:成本相對低廉,適用于處理各種復雜條件等,使其在與傳統實驗、傳統測試方法相比具有非常大的競爭優勢,是今后的發展方向和應用的重點[2]。

本文就是在這個大背景下,利用通用的商用CFD軟件 STREAM,對某建筑內外部涂料擴散的事故現場進行模擬再現。首先用標準的 k-ε湍流模型方程模擬噴涂開始前建筑物內的流場分布,然后利用粒子追蹤功能和擴散分析模擬涂料污染物顆粒在建筑物內部各位置的擴散軌跡和濃度分布,獲取發生事故位置的污染物濃度。

2 事故模型

建筑物處于斜坡上方如圖1所示,共有四層,分別為地下一層和地上三層。斜坡兩側的建筑物由地下走廊連通,如圖2,事故發生在地下一層。噴涂作業現場的工作人員因戴了口罩沒有受傷,在地下一層的所有人員用不同顏色表示其在涂料污染物擴散時的身體狀況。紅色表示重癥,綠色表示中度,藍綠色表示輕度,藍色表示沒有癥狀,如圖3所示。

3 計算模型

事發現場的詳細風速、風向及建筑物門窗關閉情況不明,在距離噴刷涂料現場較遠的位置也現了若干名病發人員。需要關心的是涂料污染物是否會到達病發人員所處的位置,到達該位置的污染物濃度在什么范圍等。

圖1 建筑物側視圖

圖2 建筑物俯視圖

圖3 建筑內人員中毒情況示意圖

圖4 計算步驟示意圖

首先,根據建筑圖紙和實際建筑模型,建立涂料擴散仿真的三維模型。在此過程中對不必要建筑結構進行一定程度的簡化,著重關注涂料污染物可能擴散的所有途徑,在三維模型中標識人員所在的具體位置。

其次,確定涂料污染物的物理屬性,建立涂料的控制方程。

此次事故中所使用的涂料是氟素系的特殊復合硅膠化合物,是有機溶劑的混合物。氟素系的特殊復合硅膠化合物具有比較高的急毒性,易引起呼吸困難、咳嗽等呼吸器官中毒癥狀。當微粒子的大小約為10μm時,會造成氣管障礙;大小為 2μm時,會造成肺障礙并發癥。此外,高濃度的有機溶劑也會造成輕微嘔吐、頭昏等神經系統中毒癥狀。

涂料的密度為 840kg/m3,有機溶劑的質量比為 55%。噴涂時,溶劑的一部分揮發(擴散現象),剩下的溶劑及硅膠化合物的霧狀物質長時間滯留不散,且霧狀顆粒(帶質量粒子)的直徑隨時間變小。

粒子直徑的變化:在不可壓縮計算中,顆粒的直徑和密度認為不變,使用用戶函數控制阻力系數,得到近似顆粒的直徑和體積:

r(t)=r0-α? t

穿過大門，就來到了王宮的內庭。整座王宮大致呈“回”字形，在中間圍成一個方正的庭院，庭院正中是一座燈塔，石頭做成的燈柱上有兩盞明燈，還有很多金色的裝飾。

V=4π(r0-α? t)3/3

r0為初期半徑[m],t為時間[s],α為揮發速度(單位時間,單位面積內的揮發體積)。

圖5 速度場比較位置示意圖

溶劑的揮發速度:rs=r0-α?ts

其中,rs為只剩下硅膠化合物時的離子半徑[m],ts為溶劑完全揮發時的時間[s]。

假設 30分鐘后溶劑全部揮發,噴霧時的直徑以20μm的噴狀物為基準,則:

α=2.0478603×10-9

其中,ρv為有機溶劑的密度[kg/m3],ρs為硅膠化合物的密度[kg/m3],只剩硅膠化合物時的體積[m3]。

最后,確定控制方程和計算方法。

流場計算采用標準 k-ε方程,溶劑揮發、顆粒擴散的控制方程為[4]:

計算分為三步(如圖4所示):

第一步:建筑物處于密閉狀態,利用穩態計算,求出噴涂開始前建筑物內部的流場分布。

第二步:噴涂開始后,作業現場三個通風口打開,風扇開始工作,考慮顆粒(霧狀物)、擴散物質(揮發的溶劑)運動的瞬時計算(實際時間 60分鐘)。經過實際時間 10分鐘后,每隔 10s計算一次流場。

第三步:噴涂作業一段時間后,打開建筑物的中間通風口,考慮顆粒(霧狀物)、擴散物質(揮發的溶劑)運動的瞬時計算(實際時間 10分鐘)。

4 計算結果及分析

本計算模型使用的 CFD軟件為日本Cradle公司的 Stream軟件。該軟件是一款使用控制體積法和結構化網格的熱流體分析軟件,在建筑行業有廣泛地應用。

在上述計算模型和控制方程條件下,主頻為3.6GHz,8CPU的硬件條件下,計算時間約為42個小時,共約 127,000個循環,得到一系列仿真結果,包括顆粒密度和直徑變化、建筑內速度場分布、有機溶劑濃度分布、硅膠顆粒分布情況等。

4.1 速度場分布

選擇了建筑物內五個測點(如圖5所示),在四種情況下進行比較:a.所有通風口關閉,噴涂開始前;b.三個通風口打開,噴涂 10鐘后;c.三個通風口打開,噴涂開始 60分鐘后;d.中間通風口打開,噴涂開始 70分鐘后。(三個通風口和中間通風口所在位置見圖4)

五個位置在不同情況下的平均速度如圖6所示。

圖6 各位置的平均速度

圖7 有機物濃度分布

由上表可知,噴涂開始 10分鐘后的流場與 60分鐘的流場差別微小,表示噴涂 10分鐘后流場已經基本穩定。此外,中間通風口開啟對流場的影響程度較大。

4.2 有機物濃度分布

由圖7 a-e可以清晰地看到,噴涂作業過程中有機物濃度隨時間的變化。噴涂剛開始時,噴涂室內有機物濃度最高,紅色最深的濃度為 1000mg/m3,藍色最深的濃度為 0 mg/m3。噴涂作業 70分鐘時,建筑內有機物濃度最高值為 400 mg/m3,位于連接走廊右側的房間內。

4.3 硅膠顆粒分布

硅膠顆粒按其直徑分為五種,分別為:粉紅色顆粒其直徑為 40μm;黃色顆粒直徑為 20μm;綠色顆粒直徑為 10μm;青藍色顆粒直徑為 6μm;深藍色顆粒直徑為 3μm,如圖8所示。

圖8 顆粒顏色與直徑示意圖

由圖9可知,硅膠顆粒在擴散過程中,密度隨發生了較大的變化。有噴涂作業開始時,主要為粉紅色和黃色的顆粒,轉變絕大部分的青藍色和藍色顆粒。根據硅膠顆粒的屬性知道,當微粒子的大小約為 10μm時,會造成氣管障礙;大小為 2μm時,會造成肺障礙并發癥。所以,噴涂作業進行一段時間,遠離作業現場的人員反而更加危險。如圖10、圖11所示,噴涂作業分別進行了 60分鐘、70分鐘后,建筑內不同直接硅膠顆粒的濃度分布和人員的中毒情況。

某室內有三個中毒患者,通過粒子濃度比較可發現,該室內直徑≦ 10μm的顆粒濃度最大,噴涂作業 70分鐘時,高達 7.65×107個 /m3,比 60分鐘時高出 3.38×107個/m3,幾乎是作業 60分鐘時濃度的兩倍。

圖10 噴涂作業 60分鐘,不同直徑粒子濃度

圖11 噴涂作業 70分鐘,不同直徑粒子濃度

5 結論

建筑內部本身結構非常復雜,涂料等污染物在其內部擴散時,對應內部流場亦非常復雜。故,在建立事故模型時,在保證模擬精度的前提下,進行一定程度的簡化。確定合適的求解控制方程和求解步驟,以真實再現故事現場。

本文使用 STREAM軟件進行模擬仿真,通過對不同時刻不同地點建筑物內污染物顆粒濃度的分析,合理解釋了離事故現場較遠處的人員出現中毒現象而較近處的人員卻沒有中毒的現象。

[1]汪新.計算模擬建筑物對近源大氣污染物擴散的影響[J].廣東工業大學學報.2007.2:24(2).

[2]遲妍妍,張惠遠.大氣污染物擴散模式的應用研究綜述.[J]環境污染與防治.2007.5:29(5)

[3]汪新,K.F.McNamara.大渦模擬建筑物對近源大氣污染物擴散的影響[J].應用力學學報.2007.3:24(1)[4]陶文銓.數值傳熱學[M].西安交通大學出版社.2001.