自然通風下室內細顆粒物運動模擬分析

何偉軒+關穎+孫昊+許昂

摘 要：PM2.5是指空氣動力學直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱為細顆粒物或可入肺顆粒物，易沉積于人體內部不易排出，造成人體的免疫功能衰退，產生一系列有關呼吸系統疾病。高校作為典型的人員密集場所，有著嚴格的室內空氣品質要求。本文以沈陽市某高校多媒體教室為研究對象，通過Gambit建立物理模型進行網格劃分，并運用fluent模擬軟件，研究分析了風速0.5 m/s、1 m/s、2 m/s工況下，室內PM2.5速度場與濃度場的分布。研究發現，細顆粒物氣流跟隨性強，在入冬時期室外細顆粒物濃度高、風速大，不易開窗換氣。

關鍵詞：PM2.5；室內細顆粒物；運動模擬分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.171

0 引言

大氣顆粒物是影響大氣環境的一個重要因素，霧霾天氣的持續且越加劇烈的出現，吸引了人們越來越多的視野。室外顆粒物濃度的高低直接的決定了室內空氣品質的優劣。而人們生活和工作的80%時間都是在室內活動，對于某些弱勢群體則需要更多的時間。室外風速變化頻率高，不易控制。通過數值模擬能夠有效的分析顆粒物隨風速的改變從室外到室內傳輸軌跡的影響。

1 數值模擬分析

1.1 物理模型建立

以沈陽市內某高校多媒體教室作為本次模擬分析的研究對象。所選教室位于沈陽市東南部，全年夏季以東南風為主導風向，冬季則為西北風，全年平均風速達到4.4m/s，7月-9月份平均風速為2.8m/s。高校教室位于建筑物二層，室內房間尺寸為：7.5×5.84×3.6（m），房間內布兩人課桌15張，多媒體講臺1個，講桌1張，黑板等一些相關配套設施。由于本文研究室外細顆粒物隨不同風速傳入室內軌跡，為研究更具有針對性，在模擬時簡化室內物體均為長方形。其大小分別為：1.2×0.4×0.8（m）、0.89×0.5×1.15（m）、1.3×0.7×0.42（m）。房間視圖見圖1。

本文研究自然通風形式下的室內PM2.5的運動規律，在簡化室內裝置布局的基礎上，進一步簡化沒有室內PM2.5發散源。模型的簡化有助于模擬的研究，并提高了模擬效率，使模擬更具有針對性。實際生活中，風速和風向是隨時變化的，模擬中假設室外風垂直于外窗吹響室內，并假設風速穩定不變，對比風速大小對其顆粒物軌跡的影響。室外空氣從南側的窗戶進入室內，從北側的門洞流出，模擬與實測條件一致。采用自然通風，送風速度分別為0.5 m/s、1 m/s、2 m/s。

1.2 顆粒物受力分析

對PM2.5在室內運動時所受質量力和表面力加以考慮，并綜合了細顆粒物所受Brownain力、熱泳力、Saffman升力、Basset力、虛假質量力及Magnus力的影響。模型采用標準k – ε兩方程模型，用離散相模型來模擬室內細顆粒物的運動軌跡。并采用氣固兩相流混合物模型分析出細顆粒物在室內的濃度分布。模擬設立三種不同的進風速度0.5 m/s、1 m/s、2 m/s，室外進入室內顆粒物質量流量分別為0.00075kg/s、0.0015 kg/s、0.003 kg/s。

1.3 邊界條件分析

空氣和細顆粒物在室內的流動屬于典型的室內氣固兩項流模型，解決該問題的方法有多相流模型及離散相模型。多相流模型含有VOF模型、混合物模型和歐拉模型，這三種模型都屬于用歐拉法的觀點處理多相流，而離散相模型是將求解連續相的輸運方程的同時，在拉格朗日坐標下模擬流場中離散相的第二相。離散相模型適用第二相體積分數一般說來要小于10-12%，離散相模型還可追蹤單個顆粒的運行軌道。通風下的室內pm2.5體積分數較低，所以采用離散相模型來模擬細顆粒在不同通風下的室內pm2.5的運動分布和沉積規律。室內細顆粒含量低，對連續相影響甚微，故只考慮連續相對離散相的影響，采用拉格朗日單相耦合計算方法。

模擬中著重了解室內顆粒的流速場，忽略了空氣與墻壁之間的傳熱，速度入口邊界與出口邊界均設置為escape類型；壁面粗糙度H=5um，壁面邊界條件采用最常見的無滑移條件，粒子和壁面之間的碰撞均為trap類型。顆粒進入室內的速度和進入室內的風速相等。

2 室內細顆粒物的分布特性

模擬自然通風風速分別0.5 m/s、1 m/s、2 m/s工況下，室外進入室內顆粒物質量流量分別為0.00075kg/s、0.0015 kg/s、0.003 kg/s，對其室內細顆粒物的分布進行討論。

模擬結果表明圖2，細顆粒物PM2.5具有較強的氣流跟隨性， 細顆粒物隨室內風速的增加擴散軌跡增長，而且其質量濃度分布也比較均勻，受重力沉積機制作用不明顯。

3 結論

通過數值模擬研究，室內細顆粒物具有較強的氣流跟隨性，細顆粒物運行軌跡隨風速的增大而增長。因此，在室外空氣質量允許的情況下盡量保持通風，同時盡量減少室內污染源的散發，為高校師生學習提供一個優良的室內環境。

作者簡介：何偉軒（1993-），男，甘肅天水人，碩士，在讀研究生，研究方向：高校浴池余熱回收系統改造。