低溫地板輻射采暖室內(nèi)顆粒物分布模擬研究

王胖胖 閆秋會(huì)

西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

0 引言

低溫地板輻射采暖系統(tǒng)作為一種新型的采暖方式已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)具有節(jié)約能源，能夠利用可再生能源和低品位熱能采暖等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外許多學(xué)者針對低溫地板輻射采暖系統(tǒng)，分別采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對室內(nèi)流場和熱舒適性等方面做了研究[1-4]。岳曉敏[5]等人對地板輻射采暖和散熱器采暖室內(nèi)的顆粒污染物分布的研究結(jié)果表明，相對于低溫地板輻射采暖室內(nèi)，散熱器采暖室內(nèi)的空氣質(zhì)量差些。而低溫地板輻射采暖室內(nèi)地面附近的顆粒污染物濃度偏高。V.Golkarfard[6]等人的研究結(jié)果表明，低溫地板輻射采暖室內(nèi)顆粒物的沉積率要大于傳統(tǒng)的散熱器采暖室內(nèi)。但是迄今為止，針對室內(nèi)源產(chǎn)生的顆粒物在低溫地板輻射采暖室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特征的研究還比較少。

因此，本文采用CFD對低溫地板輻射采暖房間存在室內(nèi)污染物時(shí)顆粒物的運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間和空間變化的特征進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 物理模型

選取實(shí)際的低溫地板輻射采暖房間的臥室作為研究模型。房間尺寸為長（X）×寬（Y）×高（Z）=5m×3.5m×3m。北墻為外墻，北墻的中線上設(shè)有玻璃窗，尺寸為0.8m×0.8m。南墻的中線上設(shè)有門，尺寸為2m×1m。假設(shè)房間地面全部敷設(shè)盤管。地面的中心處設(shè)有人體模型，簡化尺寸為5m×3.5m×3m。發(fā)煙器（顆粒物釋放源）中心位于點(diǎn)（2.5m，1.75m，1.5m）處，簡化尺寸為0.1m×0.1m×0.1m。

用Gambit軟件建立的低溫地板輻射采暖房間的物理模型如圖1所示。

圖1 低溫?zé)崴匕遢椛洳膳块g的物理模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 氣相模型

低溫地板輻射采暖室內(nèi)氣流的流動(dòng)屬于湍流流動(dòng)，本文選擇的是標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程湍流模型，并結(jié)合Boussinesq假設(shè)來計(jì)算熱浮升力對室內(nèi)流場的影響。控制方程的差分格式采用二階迎風(fēng)格式，采用SIMPLE算法處理壓力-速度的耦合作用。氣相控制方程表達(dá)式為：

式中：φ，Γφ，Sφ分別是通用變量、廣義擴(kuò)散系數(shù)和廣義源項(xiàng)。對應(yīng)于不同的通用變量，式中各項(xiàng)參數(shù)的具體表達(dá)式可參見文獻(xiàn)[7-9]。

1.2.2 顆粒相模型

針對本文研究的內(nèi)容，采用的顆粒相模型是基于拉格朗日方法建立的離散相模型（DPM）。為簡化模擬，采用以下假設(shè)：

1）忽略氣流與顆粒物的熱、質(zhì)傳輸。

2）顆粒間不發(fā)生凝并。

3）將顆粒物看作實(shí)心球體。

此時(shí)顆粒物的運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：u為流體相速度；up為顆粒速度；ρ為流體密度；Fx表示在X方向上附加的加速度項(xiàng)（單位顆粒污染物質(zhì)量的力）[7-9]。

1.3 邊界條件

結(jié)合所研究的對象，將該低溫地板輻射采暖室內(nèi)的四周圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地面按第一類邊界條件處理，即定壁溫邊界條件。天花板按絕熱邊界條件處理；窗戶為速度入口（velocity-inlet）邊界條件，外門定義為outflow邊界條件。顆粒物釋放強(qiáng)度均取為1×10-7kg/s，顆粒物密度為1400 kg/m3。

2 低溫地板輻射采暖室內(nèi)顆粒物分布特征

本文選取X=2.5m（X方向中截面）、Y=1.75m（Y方向中截面）兩個(gè)截面來分析低溫地板輻射采暖室內(nèi)顆粒物的分布特征。

2.1 典型粒徑（2.5μm）隨時(shí)間的變化特征

從圖2可以看出，在前10 s內(nèi)，2.5μm顆粒污染物隨氣流在室內(nèi)傳播，但傳播速度并不快。在60 s時(shí)，2.5μm顆粒污染物由于受到熱浮升力和熱泳力等力的作用已經(jīng)完全散布于室內(nèi)。

圖2 2.5μm顆粒污染物隨時(shí)間變化的分布圖

2.2 不同粒徑的顆粒污染物隨Z軸（房間高度）的變化

圖3 給出了顆粒污染物由設(shè)置在Z=1.5m處的發(fā)煙器釋放時(shí)，B點(diǎn)顆粒污染物濃度隨房間高度變化的特點(diǎn)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，粒徑為1μm和5μm的顆粒污染物濃度的峰值發(fā)生在Z=1.2m高度左右，而粒徑為10μm和20μm的顆粒污染物濃度峰值大致出現(xiàn)在Z=0.75m高度處。粒徑dp<10μm的顆粒污染物由于受到上升熱流和重力的共同作用而懸浮。而對于20μm的大粒子，明顯受重力的影響較大。

圖3 不同粒徑顆粒物隨房間高度的變化特點(diǎn)

2.3 不同粒徑的顆粒污染物隨X軸（房間進(jìn)深）變化

從圖4中可以看出，各粒徑的顆粒污染物濃度峰值基本上都出現(xiàn)在粒子釋放處，即X=2.4m處，與此處相比，其他區(qū)域的濃度都較低。圖4（a）和（b）顯示，小粒徑（dp<5μm）的顆粒污染物沿房間進(jìn)深方向的擴(kuò)散很明顯，而大粒徑（dp>10μm）的顆粒污染物的擴(kuò)散并不明顯。這主要是因?yàn)樵谶@個(gè)高度Z=1.5m處，上升氣流的影響并不顯著，大粒徑的顆粒污染物主要受到重力作用的影響而向下沉降。

圖4 不同粒徑顆粒物隨房間進(jìn)深的變化特點(diǎn)

3 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬對低溫地板輻射采暖室內(nèi)顆粒物運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散特性進(jìn)行了研究，可得到如下結(jié)論：

1）不同粒徑的顆粒污染物隨空間變化會(huì)出現(xiàn)明顯的差異。1μm和5μm的顆粒污染物具有很強(qiáng)的氣流跟隨性，其主要受熱浮升力和布朗擴(kuò)散的影響。而10μm和20μm的顆粒污染物主要受重力作用的影響，大部分分布于房間下部或沉積到地板表面。

2）顆粒物釋放源位于發(fā)煙器（Z=1.5m）處時(shí)，在房間高度上小粒徑的顆粒污染物濃度的峰值發(fā)生在Z=1.2m高度左右，而大粒徑的顆粒物濃度峰值大致出現(xiàn)在Z=0.75m高度處，而在房間進(jìn)深方向上，大粒徑的顆粒污染物沿房間進(jìn)深方向的擴(kuò)散并不明顯。

本文研究結(jié)論對于研究低溫地板輻射采暖室內(nèi)顆粒污染物具有重要的參考價(jià)值。

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