碰撞射流通風房間懸浮顆粒質量濃度分布特性的數值研究

左　濱， 鐘　珂， 朱　輝， 亢燕銘

(1. 東華大學 環境科學與工程學院，上海 201620；2.揚州大學 水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127 )

碰撞射流通風房間懸浮顆粒質量濃度分布特性的數值研究

左濱1,2， 鐘珂1， 朱輝1， 亢燕銘1

(1. 東華大學 環境科學與工程學院，上海 201620；2.揚州大學 水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127 )

采用數值方法研究了碰撞射流通風房間夏季供冷工況下人員行走行為導致的懸浮顆粒物的空間分布，分析了碰撞射流通風房間內的顆粒物質量濃度分布特點，并與其他送風方式下的室內顆粒物質量濃度分布進行了比較. 給出了不同粒徑懸浮顆粒對室內呼吸高度平面以及其他重要位置處顆粒物質量濃度的影響.

碰撞射流通風；懸浮粒子；排污效率；呼吸平面；顆粒物質量濃度

碰撞射流通風是一種較新的空調送風方式，自20世紀90年代起逐漸被應用于辦公室、博物館和展覽廳等公共建筑空間. 碰撞射流通風系統中，送風氣流以較高動量從垂直送風口流向地面，沿地面擴散開的同時其速度逐漸衰減. 夏季供冷工況時，碰撞射流通風與置換通風類似，沿地面擴散開的冷空氣在地面形成“空氣湖”，并在熱浮力的作用下沿房間高度方向形成熱力分層，因而具有空氣品質好和節能的優點；冬季供熱工況時，由于碰撞射流通風的送風動量較高，熱風與室內空氣自房間下部區域開始充分混合，從而克服了置換通風用于供熱工況時的缺陷. 因此，碰撞射流通風被認為是同時具有置換通風和混合通風優點的通風方式[1-2]. 但由于碰撞射流通風的送風氣流以較高動量直接撞擊地面，故送風氣流引起已沉積顆粒物再懸浮的風險顯然將大于其他通風方式.

人員在室內的行走和其他行為都會引起顆粒物的再懸浮[3-5]. 文獻[6]通過對辦公室內人員各類行為引起顆粒物再懸浮的情況進行了實測，結果表明，人員行走造成地面顆粒物的再懸浮對室內空氣質量的影響很大. 文獻[7]對混合通風不同氣流組織下室內顆粒物濃度的分布進行數值模擬，結果也表明氣流方式是引起室內粒子濃度分布變化的重要因素. 本文針對夏季供冷工況時的碰撞射流通風方式，對人員行走行為導致的懸浮顆粒物的空間分布進行了數值模擬計算，以分析碰撞射流通風房間的顆粒物質量濃度分布特征，并同時對其他送風方式的顆粒物質量濃度空間分布進行了模擬和比較. 給出典型使用功能空間中不同粒徑再懸浮顆粒對室內呼吸平面以及其他關鍵位置顆粒物質量濃度的影響程度，為降低碰撞射流通風房間顆粒物污染提供理論依據.

1　物理與數學模型

1.1物理模型

以一間尺寸為5.4m×3.6 m× 2.7 m的典型辦公室作為研究背景，為比較碰撞射流通風房間的顆粒物質量濃度分布特征與其他送風方式的不同，同時對置換通風、混合通風以及地板送風3種通風房間的流速場、溫度場和顆粒物質量濃度場進行數值模擬. 房間內設有4個坐姿的人(0.35 m×0.35 m×1.20 m)和4臺電腦(0.25 m×0.50 m×0.50 m). 室內的熱源包括：4個人(表面溫度29 ℃)、4臺電腦(表面溫度45 ℃)和一面外墻(x=0平面，表面溫度30 ℃)，房間布置和各送風方式的風口布置形式如圖1所示.

a—碰撞射流送風口；b—置換通風送風口；c—地板送風送風口；d—碰撞射流、置換通風、地板送風回風口；e—混合通風送風口；f—混合通風回風口；g—室內污染源；灰色柱體—模擬人體；黑色柱體—模擬電腦圖1　4種送風方式的風口和房間布置Fig.1　Arrangement of the air inlet for the four supply modes

在實際工程中，為了達到人員活動區基本相同的熱舒適性要求，不同送風方式的送風溫差不同，所以系統負荷相同時，不同送風方式的送風量不同. 表1列舉了本文所用的計算工況的基本參數和各工況人員活動區(距地面2 m以下空間)的平均溫度.

表1　計算工況所用的基本參數Table 1　Set values of the main parameters for calculating conditions

1.2氣流模型

本文采用Reynolds時均N-S方程(即RANS)和標準κ-ε湍流模型來模擬和預測室內氣流的不可壓縮湍流流動，原因是這一方案對問題的求解簡單、省時且實用，模擬結果與測量數據對比具有較好的一致性[8-9].

采用有限容積法離散RANS方程，壓力項離散采用標準格式(FLUENT,2005)，其余變量的離散均采用二階迎風格式. 對壓力項與速度項的耦合則采用SIMPLE算法，并采用Boussinesq近似估計由溫差引起的熱浮力效應. 為獲得準確的數值結果，計算空間采用非結構網格，并在近壁面區域加密網格，從而保證邊界層內的結果合理可靠.

定義送風口為速度邊界，并假定流速均勻，回風口為流動出口邊界，即滿足流出與流入區域的質量流量相等. 用壁面函數來描述近壁面處的湍流特性.

1.3顆粒物輸運模型

通常有兩種方法用于處理多相流運動：拉格朗日方法和歐拉方法. 歐拉方法廣泛應用于預測室內顆粒物濃度分布[10-12]. 拉格朗日方法可以跟蹤和分析大量粒子運動軌跡線，研究顆粒物的動態特性[8,13]. 本文更加關注懸浮顆粒的濃度分布，因此采用歐拉方法中的混合模型. 將顆粒相濃度作為被動運輸標量，并考慮顆粒相和流體相之間的相對速度來描述顆粒相. 通過求解流場的守恒方程和標量輸運方程，從而得到顆粒的濃度場.

1.4網格獨立性

為了保證數值模型的可靠性和結果的準確性，數值計算中網格的獨立性是很重要的. 對于所有的計算流體動力學模擬情況，本文均采用非結構的四面體網格，對室內熱源表面、送風口、回風口和污染源區域進行局部加密，并以1.05～1.20的增長率從局部加密區域向室內空間逐漸擴展.

1.5數值計算方法的合理性驗證

為驗證數值計算方法的合理性，本文在一個全尺度房間內對室內流速場和溫度場進行模擬，并將數值模擬結果與文獻[14]中的結果進行對比. 實驗所用的房間尺寸為長×寬×高=5.16 m×3.65 m×2.43 m，為對比數值計算結果與文獻的實驗結果的吻合程度，本文采用與文獻[14]相同的邊界條件和室內熱源條件. 房間通風換氣次數為4次/h，送風溫度為17 ℃，室內的熱源包括：2個人(表面溫度為28～30 ℃)、2臺電腦(散熱量分別為173和108 W)、6盞燈(散熱量為34 W)、墻壁表面溫度為23.3～26.0 ℃. 選取房間中心位置處沿高度方向各測點的速度和溫度分布曲線，對比數值模擬結果和文獻結果如圖2所示.由圖2可以看出，本文所得模擬結果與文獻[14]中的結果具有較好的一致性，這表明本文所采用的數值計算方法是可行的.

(a) 速度場對比

(b) 溫度場對比圖2　數值模擬結果與實驗結果對比Fig.2　Comparisons of the simulated results with measured data

2　結果與討論

本文模擬了夏季工況下碰撞射流通風方式，人員行走行為造成的顆粒物再懸浮對室內空間顆粒物質量濃度分布的影響，同時與置換通風、混合通風以及地板送風進行對比計算.

2.1室內流速場和溫度場結果

在表1給出的條件下，對所設定的房間在4種不同送風方式下的流速場和溫度場進行了數值模擬，圖3給出了4種送風方式下沿開間方向房間中心處豎直平面(即y=1.8 m平面)的溫度和氣流速度分布.

(a) 碰撞射流通風

(b) 置換通風

(c) 地板送風

(d) 混合通風圖3　4種送風方式在y=1.8 m平面的溫度和氣流速度分布Fig.3　Indoor temperature and air velocity profiles ofy=1.8m plane for the four air supply modes

由圖3可以看出，碰撞射流通風、地板送風和置換通風沿垂直方向均產生溫度分層(圖3(a)～3(c))，房間上部空間溫度較高，下部空間溫度較低，人體頭足部溫差約3 ℃；而混合通風由于氣流比較均勻，室內溫度分布均勻(圖3(d))，人體頭足部溫差約1℃. 這是因為不同送風方式產生不同的室內氣流形態，前3種送風方式在室內形成熱羽流，主要驅動力是熱浮力，在垂直方向產生溫度分層；混合通風情況下，由于送風氣流與室內空氣溫度相差較大(8 ℃)，且人員活動區處在氣流的回流區，室內溫度均勻性更好. 但在4種送風方式下，人員活動區(2 m以下空間)溫度均在24～26 ℃內，滿足相關標準[15]對室內溫度的要求.

由圖3還可以看出，混合通風污染源附近的地面區域氣流傾斜向上，室內氣流運動主要受到慣性力的控制，可能更有利于顆粒物的輸運；地板送風近地面污染源附近氣流有明顯的鉛直流動；碰撞射流通風和置換通風在近地面處氣流完全呈水平流動.

2.2懸浮顆粒物質量濃度空間分布規律

(a) 碰撞射流通風

(b) 置換通風

(c) 地板送風

(d) 混合通風圖4　4種送風方式在y=1.8m平面的顆粒物質量濃度分布Fig.4　Distributions of particle mass concentration ofy=1.8m plane for the four air supply modes

(a) 碰撞射流通風

(b) 置換通風

(c) 地板送風

(d) 混合通風圖5　4種送風方式在z=1.1 m平面的顆粒物質量濃度分布Fig.5　Distributions of particle mass concentration atz= 1.1 m plane for the four air supply modes

由圖4和5可以看出，在碰撞射流通風和置換通風工況下，室內大部分人員活動區的顆粒物質量濃度均低于地板送風和混合通風方式，這是由于前兩者的通風量明顯高于后兩者. 然而，在碰撞射流通風和置換通風工況下的室內顆粒物質量濃度分布非常不均勻，在遠離送風口的近地面處存在高濃度區.這是由于這2種送風方式在近地面處氣流呈水平流動(圖3(a)和3(b))，缺乏向上的氣流將顆粒物攜帶到房間上部，懸浮顆粒隨送風的水平氣流流向送風口對面的墻體，最終在送風口對面墻體附近聚集. 與置換通風相比，碰撞射流通風近地面處氣流水平運動慣性更大，因此，顆粒物高濃度區分布范圍更寬. 而地板送風和混合通風房間，由于污染源附近存在鉛直方向的氣流運動，便于將人員行走懸浮起來的顆粒物攜帶到房間上部空間，因此室內的顆粒物質量濃度分布比較均勻，僅在地面附近渦流區內出現極小范圍的高濃度區.

2.3不同送風方式排污效率對比

排污效率是衡量通風性能的重要指標，它用來評價空調送風排除污染物的能力. 經濟有效的空調送風方式，在滿足室內人員活動區熱舒適性的基礎上，更有效地排除室內污染物，從而達到提高室內空氣品質的目的. 排污效率εp的計算式[16]為

(1)

(a)dp= 2.5m

(b)dp= 7.0m圖6　4種送風方式排污效率沿高度的變化Fig.6　Vertical variations of the contaminant removing efficiency of the four air supply modes

由圖6可以看出，4種送風方式的排污效率均隨房間高度的增大而增大，并且地板送風和混合通風的排污效率高于置換通風和碰撞射流通風，特別是在房間下部區域. 這是因為后兩者僅依靠熱羽流難以將顆粒物完全輸送到上部回風口排出，而前兩者送風氣流在室內混合流動，氣流以慣性驅動為主，慣性力比熱浮力具有更強的固態污染物輸運能力，底部污染源顆粒更容易被攜帶至房間上部排出. 此外，對比圖6(a)和6(b)可以看到，地板送風和混合通風房間的排污效率幾乎與顆粒物粒徑無關，而置換通風和碰撞射流通風房間排污效率受粒徑影響很大，小顆粒的排污效率明顯高于大顆粒.

2.4人員呼吸區的顆粒物質量濃度對比

為了進一步分析碰撞射流通風方式對室內空氣品質的影響，比較了不同粒徑顆粒在人體站立時呼吸區(距地面1.6～1.8 m區域空間)的質量濃度(如圖7所示)，以及工作人員坐姿時距人體周圍0.03 m和距地面0～1.2 m范圍內的質量濃度(如圖8所示).

(a) 濃度分布

(b) 平均濃度箱形邊界線表示25%分位線、中位線和75%分位線；箱形兩端須線表示5%分位線和95%分位線；箱內點表示平均值；箱外點表示最大值和最小值圖7　4種送風方式人體站立時呼吸區的顆粒物質量濃度Fig.7　Particle mass concentration in the breathing plane while the occupant standing for the four air supply modes

(a) 碰撞射流通風

(b) 置換通風

(c) 地板送風

(d) 混合通風箱形邊界線表示25%分位線、中位線和75%分位線；箱形兩端須線表示5%分位線和95%分位線；箱內點表示平均值；箱外點表示最小值圖8　4種送風方式工作人員坐姿時人體周圍的顆粒物質量濃度Fig.8　Particle mass concentration around the occupant while sitting for the four air supply modes

由圖7可以看出，4種送風方式下人體站立時呼吸區的顆粒物質量濃度由高到低的順序是：混合通風、地板送風、碰撞射流通風和置換通風，其中碰撞射流通風工況與置換通風工況在所有粒徑下的顆粒物質量濃度數值均很接近，約為混合通風時的0.5倍. 這是由于為了滿足空調熱舒適性的需求，混合通風、地板送風系統所需要的風量明顯低于碰撞射流通風和置換通風工況，前兩者約為后兩者的一半.

3　結　語

本文對碰撞射流通風在夏季工況時人員行走行為導致的再懸浮顆粒物在室內空間分布進行了數值模擬計算，分析了碰撞射流通風房間的顆粒物質量濃度分布特征，并與其他通風方式進行了比較，主要結論如下：

(1) 碰撞射流通風的室內顆粒物排污效率隨房間高度的增大而增大，與置換通風相似. 兩者排污效率均低于地板送風和混合通風方式，且濃度分布不均勻，容易使懸浮粒子聚集在送風口對面的墻體附近；

(2) 在碰撞射流通風工況下，人體呼吸區顆粒物質量濃度隨著粒徑的增大而增大，由于熱舒適需求使其送風量大于混合通風，因此盡管排污效率較低，但人體站姿和坐姿時呼吸區顆粒物平均質量濃度均遠低于混合通風；

(3) 由于送風口布置在房間的一側壁面，碰撞射流通風與置換通風房間中坐姿人員周圍的顆粒物質量濃度明顯受到人員空間位置影響，離送風口越遠，濃度越大.

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Numerical Investigation of Indoor Suspended Particle Concentration in Impinging Jet Ventilated Room

ZUOBin1,2,ZHONGKe1,ZHUHui1,KANGYan-ming1

(1. School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China;2. School of Hydraulic, Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)

Indoor particle distributions in impinging jet ventilated (IJV) rooms in summer with people walking were studied by employing numerical simulations. The particle mass concentration field in the IJV room was analyzed and compared with the cases of the other existing supply modes. The influences of particle size on the mass concentration distributions in the breathing plane and other regions of the IJV room were also discussed and analyzed.

impinging jet ventilation；suspended particle；contaminant removing efficiency；breathing plane；particle mass concentration

1671-0444(2015)03-0369-07

2014-04-04

國家自然科學基金資助項目(51278094)；上海市教委科技創新重點資助項目(13ZZ054)

左濱 (1980—)，女，江蘇揚州人，講師，博士研究生，研究方向為室內空氣品質. E-mail: zuobin@yzu.edu.cn

TU 831.3

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