單開口有限空間自然通風特性及其影響因素研究

楊春麗，劉 艷，秦 妍

(北京市勞動保護科學研究所職業危害控制技術中心,北京 100054)

由于有限空間長期處于封閉或半封閉狀態，且其出入口有限、自然通風不良，極易造成有限空間內有毒有害氣體的積聚以及氧氣濃度偏低，工人在其內部作業存在一定的安全隱患[1-2]。為了保證有限空間內作業人員的安全，國內外相關標準[3-6]中均明確規定，作業人員在進入有限空間作業前必須先對其進行通風，待有限空間內氧氣、有毒有害氣體、易燃易爆氣體濃度的檢測值均合格后作業人員方可進入其內部作業。通風包括自然通風和機械通風兩種方式，其中自然通風是利用風壓或(和)室內外溫差引起空氣密度差的熱壓作用，使得內外空氣流通循環，達到通風換氣的目的，是一種經濟實用的通風方式。北京市地方標準——《地下有限空間作業安全技術規范》中規定，在進入有限空間作業前應打開有限空間進(出)口進行自然通風，然后進行有毒有害氣體、易燃易爆氣體濃度的檢測，在其檢測值均合格后作業人員方可進入其內部作業。

單開口有限空間(如腌制池窖、廢井、冷庫、鍋爐、地坑、沼氣池等)由于只有一個進出口，在自然通風時，風流的進出口都在該截面，相對于具有多個進出口的有限空間，其自然通風情況更為復雜，影響因素更多，其自然通風效果、新風有效進深等與外界氣象條件、通風口結構參數、有限空間內氣體組分和濃度有很大的關系[7]。

目前，在有限空間通風方面，研究者主要采用數值模擬的方法研究了機械通風對有限空間內氣體組分的影響，如Zhao等[8]采用數值模擬的方法研究了機械通風過程中化糞池內硫化氫(H2S)、二氧化碳(CO2)、氧氣(O2)等氣體濃度的變化規律，認為化糞池內充滿任何一種有毒有害氣體(H2S、CO2等)時，O2的恢復時間差別很小；譚聰等[9]采用CFD技術對供熱管線有限空間機械通風過程進行了模擬仿真，研究了機械通風過程中O2濃度、CO2濃度、溫度等的動態變化規律。但是，目前，針對有限空間自然通風方面的相關研究較少，由于缺乏有效的技術支撐，實際現場自然通風具有一定的盲目性，這不僅極大地影響了工作效率，也給作業安全帶來了一定的隱患。因此,本文以單開口有限空間為研究對象，采用CFD數值模擬的方法研究了單開口有限空間自然通風的流場特性，并對比分析了外界風速、外界風向、空間內有毒有害氣體組分、有限空間類型4種因素對單開口有限空間自然通風效果的影響，以期為有限空間自然通風的時間設置、測點布置等提供參考。

1 數值模擬的控制方程

本次數值模擬以腌制池窖、沼氣池等類型的單開口有限空間為研究對象，采用Fluent軟件作為求解和后處理軟件，模擬計算過程主要包括三個階段：前處理、求解器和后處理[10]。在自然通風條件下，腌制窖池窖、沼氣池等類型的單開口有限空間內部風流較小，遠小于340 m/s，因此其內部氣流可看作不可壓縮流體，流場空間內的氣體流動可看作是無化學反應的非穩態單相多組分的擴散問題，可根據質量守恒、動量守恒、能量守恒和組分傳輸守恒定律，建立用于描述多組分三維非定常湍流流動的控制方程組[11-12]，具體方程如下：

(1) 質量守恒方程：

(1)

(2) 動量守恒方程：

(2)

(3) 能量守恒方程：

(3)

(4)

(4) 組分傳輸守恒方程：

(5)

(5)k-ε湍流方程：

k方程：

(6)

ε方程：

(7)

上式中:ρ為氣體密度(kg/m3)；v為流體速度(m/s)；ui為流體在x、y、z方向上的速度(m/s)；xi為x、y、z方向上的坐標(m)；p為流體壓力(Pa)；τij為應力張量(N/m2)；gi為i方向上的重力體積力(N/kg)；Fi為i方向上的外部體積力(N)；E為流體能量(J)；keff為有效導熱率；Jc為組分c的擴散通量；Sh為體積熱源；ωc為組分c的質量分數；Dc為組分c的擴散系數；cpc為組分c的比熱容[J/(kg·K)]；k為湍動能(m2/s)；ε為湍動能耗散率(m2/s)；Gk為湍動能變化率；μ為層流黏性系數；μt為湍流黏性系數(Pa·s)；Cε1、Cε2、Cμ、σε、σk、Tref為常數，分別取1.44 K、1.92 K、0.09 K、1.3 K、1.0 K、298.15 K。

2 計算模型和計算方案

2. 1 幾何模型和邊界條件

本次模擬以單開口有限空間為研究對象，共模擬地下單開口有限空間和地上單開口有限空間兩種類型的有限空間，兩類有限空間的結構尺寸相同：均為矩形，長、寬均為10 m，高為8 m，整個有限空間頂部為進出口,其外部計算范圍均為3倍有限空間尺寸。兩類單開口有限空間的幾何模型詳見圖1和圖2。

圖1 地下單開口有限空間幾何模型示意圖Fig.1 Geometry diagram of the underground confined space

圖2 地上單開口有限空間幾何模型示意圖Fig.2 Geometry diagram of the confined space on the ground

對于外部計算范圍，來風方向一側的外部邊界條件為速度入口，另一側為自由出流，其他均為壁面邊界條件；對于有限空間，進出口為內部邊界條件，其他均為壁面邊界條件。另外，為了研究通風過程中不同位置氣體的恢復情況，在單開口有限空間的中心位置，距離有限空間進出口分別為2 m、4 m、6 m和7.5 m處設置了4個監測點(見圖1和圖2)。

2. 2 計算方案

為了模擬計算外界風速、外界風向、有限空間內有毒有害氣體氣體組分、有限空間類型4種因素對單開口有限空間內自然通風效果的影響，本文設計了如下計算方案：①外界風速對自然通風效果的影響，即設計風向角為0°(即水平來風)，外界風速分別為1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s 5種方案；②外界來風方向即外界風向對自然通風效果的影響，即設計風向角為0°和45°兩種方案，外界風速均為3 m/s；③有限空間內有毒有害氣體組分對自然通風效果的影響，即以CO2為重質氣體的典型代表，以甲烷(CH4)為輕質氣體的典型代表，設計初始氣體組分分別為21%的CH4、79%的氮氣(N2)和21%的CO2、79%的N2兩種方案；④有限空間類型對自然通風效果的影響，本文中模擬研究的腌制池窖、沼氣池等包含地上和地下兩種結構類型，因此共設計地上有限空間和地下有限空間2種方案。

本文模擬時，除特殊說明的除外，各計算方案的有限空間均為地下有限空間，進出口位于地面，內部初始氣體組分為21%的CO2、79%的N2，外界大氣的風速為3 m/s、風向角為0°。

2. 3 網格尺寸的選擇

數值模擬中的網格尺寸對模擬精度和計算效率有較大的影響[13]，一般情況下網格間距越密，計算結果越精確，但是較密的網格計算量較大，耗時較長。因此模擬計算時需針對具體問題確定合適的網格尺寸，在確保數值模擬精度的同時盡可能地減少網格數量,從而提高計算效率。

為了分析網格間距對計算結果的影響，本文共設計0.6 m、0.8 m、1.2 m三種Tgird網格間距開展了數值模擬計算。不同網格間距下各監測點CO2濃度(體積分數，下同)隨自然通風時間的變化曲線見圖3和圖4。由于距離單開口有限空間進出口2 m和7.5 m處的模擬結果與圖3和圖4較為相似，故本文未一一展示。

圖3 距離單開口有限空間進出口4 m處CO2濃度的 變化曲線Fig.3 Variation curve of CO2 concentration at the monitoring point 4 m away from the vent

圖4 距離單開口有限空間進出口6 m處CO2濃度的 變化曲線Fig.4 Variation curve of CO2 concentration at the monitoring point 6 m away from the vent

由圖3和圖4可見，由不同網格間距的模型計算得到的CO2濃度(體積分數)隨自然通風時間的變化趨勢基本一致，當網格間距為1.2 m時，CO2濃度降低的速度最快，而當網格間距為0.6 m和0.8 m時，CO2濃度降低的速度基本一致。因此，考慮計算量，在后面的模擬計算中均采用網格間距為0.8 m的網格尺寸。

3 模擬結果與分析

3. 1 自然通風的流場特性分析

本次模擬以水平來風、風速為3 m/s為例，研究自然通風下單開口有限空間內部氣流的循環情況，得到自然通風不同時刻(1 min、10 min和30 min時)單開口有限空間內氣體流動速度(v)矢量圖和CO2濃度分布云圖，見圖5和圖6。其中，研究所截的剖面均是單開口有限空間沿風流方向的中心縱剖面。

由圖5和圖6可見：

(1) 自然通風初期，在外界風壓的作用下，靠近有限空間的右側壁有外界新鮮風進入，形成一個小的氣流循環，該處的風流速度較大，CO2濃度相對較低。

(2) 隨著自然通風時間的增加，氣流循環范圍越來越大，直到在整個有限空間內部形成一個大的環狀氣流循環，這時靠近壁面的氣流速度較大，中部的氣流速度較小。

圖5 自然通風下不同時刻單開口有限空間內氣體流動速度矢量圖Fig.5 Gas flow velocity vector in the confined space with single opening at different times of natural ventilation

圖6 自然通風下不同時刻單開口有限空間內CO2濃度分布云圖Fig.6 Distribution of CO2 concentration in the confined space with single opening at different times of natural ventilation

(3) 自然通風過程中，新鮮風量持續不斷地進入，稀釋有限空間內CO2的濃度，且沿著有限空間中軸線，越靠近進出口處CO2濃度降低的速度越快，但各監測點CO2濃度降低為0時的時間相差不大，但由于最后中部風速相對較小，有限空間中部CO2濃度降低為0時的時間相對較長。

(4) 根據有限空間不同位置CO2濃度的變化規律，若作業前僅采用自然通風的方式，在進行作業人員準入有毒有害氣體濃度檢測時，有毒有害氣體濃度應以靠近迎風側上、中、下不同位置測點以及有限空間中部測點的檢測結果作為作業人員準入的主要參考數值。

3. 2 外界風速對自然通風效果的影響

3.2.1 外界風速對自然通風的通風風量的影響

在單開口條件下，有限空間進出口處的氣流為有進有出的雙向流，開口凈流量為零，無法以此得到單開口有限空間自然通風的通風換氣量。為了分析各種不同因素影響情況下單開口有限空間自然通風的效果，根據本次模擬的幾何模型，將通過進出口進入有限空間內部的風流方向作為Z軸的負方向，因此可以分析有限空間進出口平面上Z軸方向的速度分量小于零的部分，對這部分的風速和面積進行積分，即可求得單開口有限空間自然通風的通風換氣量，具體計算公式如下：

式中：Q為單開口有限空間進出口自然通風的通風換氣量(m3/s)；un為微元面dA+上風速的分量(m/s)；A+為有限空間進出口平面上風速的分量un小于0部分的斷面面積(m2)。

采用穩態求解方法進行計算，結果顯示：外界風速分別為1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s時，單開口有限空間進出口自然通風的通風換氣量分別為0.91 m3/s、3.11 m3/s、4.39 m3/s、6.25 m3/s和7.32 m3/s，隨著外界風速的增大，進出口自然通風的風量逐漸增大，但兩者并非呈線性關系。

3.2.2 外界風速對CO2濃度的影響

以外界風速為1 m/s、3 m/s和5 m/s為例，代表外界1級、2級和3級風的情形，不同外界風速條件下各監測點CO2濃度隨自然通風時間的變化曲線，見圖7。

由圖7可見：不同外界風速條件下，均是距有限空間進出口近的監測點CO2濃度降低的速度更快，且最終有限空間中部CO2濃度降低為0時所需的時間最長；3種風速條件下CO2濃度降低至0時所需的時間分別為109 min、30 min、18 min，且外界風速越大，CO2濃度降低的速度越快。

本文采用擬合方法分析自然通風條件下單開口有限空間內各監測點CO2濃度降低為0時所需的時間與外界風速的關系，其似合曲線見圖8。

由圖8可見：自然通風條件下單開口有限空間內各監測點CO2濃度降低為0時所需時間與外界風速兩者之間的擬合曲線與冪函數y=108.93x-1.1513的擬合程度最高，相關系數達0.999 42。

3. 3 外界風向對自然通風效果的影響

通過采用穩態求解方法進行計算，結果顯示：當風向角為45°、自然通風的通風風量為5.20 m3/s時，與相同風速條件下的水平來風相比，自然通風的通風風量增大了18.4%。當風向角為45°時，在自然通風過程中各監測點CO2濃度隨自然通風時間的變化曲線見圖9。

圖7 不同外界風速條件下單開口有限空間內各監測點 CO2濃度隨自然時間的變化曲線Fig.7 Variation curves of CO2 concentration at the moni- toring points in the confined space with single opening under conditions of different wind speed

圖8 自然通風下單開口有限空間內各監測點CO2濃度 降低為0時所需的時間與外界風速的關系曲線Fig.8 Time required for reduction of CO2 concentration to 0 in the confined space with single opening with different wind speeds

圖9 自然通風下當風向角為45°時單開口有限空間內各 監測點CO2濃度隨自然通風時間的變化曲線Fig.9 Variation curves of CO2 concentration at the monitoring points in the confined space with single opening when the wind angle is 45°

由圖9可見，距離有限空間進出口越近，CO2濃度降低的速度越快，CO2濃度降低至0時所需的時間為14.5 min，相對于水平來風，自然通風所需的時間短、通風效率高，這主要是由于有限空間出口上方形成的風壓較大， 導致進入有限空間內氣體的流速和通風風量相對較大，氣流循環速度較快。

3.4 有限空間內有毒有害氣體組分對自然通風效果的影響

當有限空間內充滿濃度為21%的CH4時，自然通風過程中各監測點CH4濃度隨自然通風時間的變化曲線見圖10。

由圖10可見，在自然通風過程中，各監測點CH4濃度相差不大，在通風剛開始時，距離有限空間進出口越近，CH4濃度的降低量越大，但是隨著自然通風的進行，底部的CH4在風壓和自身浮力的作用下，開始向上運移，距離有限空間進出口2 m和4 m處監測點的CH4濃度有所升高，但在自然通風30 s后各監測點的CH4濃度均開始降低，靠近下部監測點的CH4濃度降低的速度略高于上部，當CH4濃度降低至0時，自然通風所需時間為18.4 min。

圖10 自然通風下單開口有限空間內各監測點CH4濃度隨自然通風時間的變化曲線Fig.10 Variation curves of CH4 concentration at the monitoring points in the confined space with single opening

對比圖7(b)和圖10發現，相對于CO2，有限空間內有害氣體為CH4時，其濃度降低的速度快，自然通風下CH4濃度降低為0時所需的時間短，這主要是因為CH4比空氣輕，具有自然上浮的作用，加上自然風壓的作用，使得內外空氣流通加快。可見，對于進出口位于頂部的單開口有限空間，自然通風過程中，當有限空間內有害氣體為重質氣體時，其自然通風所需的時間應適當延長。

3. 5 有限空間類型對自然通風效果的影響

通過采用穩態求解方法進行計算，結果顯示：自然通風過程中，對于地上有限空間，其通風風量為53.54 m3/s，通風風量是相同條件的地下有限空間自然通風的通風風量的12倍，增加幅度較大。自然通風下地上有限空間內各監測點CO2濃度隨自然通風時間的變化曲線見圖11。

圖11 自然通風下地上有限空間內各監測點CO2濃度隨自然通風時間的變化曲線Fig.11 Variation curves of CO2 concentration at the monitoring points in the confined space on the ground

由圖11可見，地上有限空間內各監測點CO2濃度降低至0時所需的時間為6 min，相對于進出口位于地面的地下有限空間，自然通風所需的時間大幅降低。分析原因，認為對于地上有限空間，自然風流到達有限空間迎風側壁面時發生了繞流，氣流在迎風側壁面最上方的尖邊產生分離[14-15]，氣流速度和方向發生了較大的變化，導致有限空間進出口附近氣流流場產生較大的變化，在有限空間迎風側壁頂部氣流流速增大，形成局部的“大風”[16]，湍流強度增加，使得有限空間內氣流循環速度加快。

因此，為了確保檢測人員和作業人員的安全，在現場進行實際自然通風過程中，相較于地上有限空間，可適當延長相同條件下地下有限空間自然通風的時間。

4 結 論

本文通過對單開口有限空間自然通風特性及其影響因素的研究，主要得到以下結論：

(1) 外界風速越大，單位時間進入單開口有限空間內的新鮮風量越大，有限空間內有毒有害氣體濃度降低的速度越快。相對于水平來風，當風向角為45°時，自然通風的通風風量大，有限空間內有毒有害氣體濃度降低的速度快。

(2) 對于進出口位于上部的單開口有限空間，在自然通風過程中，相對于重質氣體，輕質氣體濃度降低的速度較快，為確保檢測人員和作業人員的安全，在現場進行實際自然自然通風過程中，有限空間內充滿重質氣體的通風時間應比充滿輕質氣體適當延長。

(3) 對于進出口位于上部的單開口有限空間，在自然通風過程中，相對于地上有限空間，地下有限空間的自然通風的通風風量小，有限空間內有毒有害氣體濃度降低的速度慢，現場實際通風時間需適當地延長。