基于動量源法模擬人走動對潔凈室污染物擴(kuò)散的影響

岑冬冬, 曹世杰,2

(1.蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院，江蘇 蘇州 215131)(2.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

潔凈室是指空氣潔凈度達(dá)到規(guī)定級別標(biāo)準(zhǔn)的密閉房間，潔凈室不僅要能控制室內(nèi)溫度、相對濕度，而且還要控制顆粒物、細(xì)菌、壓力、有關(guān)氣體濃度以及氣流分布。當(dāng)前已經(jīng)有關(guān)于潔凈度要求較高的區(qū)域比如手術(shù)室操作臺等亟需加強(qiáng)無菌化操作管理，例如手術(shù)中盡量減少人員流動等規(guī)定[1]，盡量做到隔離、潔污分流，避免交叉感染[2]，并且限制在手術(shù)臺上翻動病人[3]。目前有關(guān)醫(yī)院空氣環(huán)境的研究大部分以微生物濃度、潔凈度、溫濕度、壓差控制等為研究要素，較少以人為要素的研究，然而人、物移動產(chǎn)生的尾流對室內(nèi)污染物擴(kuò)散的影響很大[4]，特別是手術(shù)室中由于護(hù)士的活動，提高了手術(shù)病人的細(xì)菌暴露度[5]。在2003年，一架從香港飛往北京的客機(jī)出現(xiàn)了SARS病毒感染案例，而且感染者與病毒攜帶者最遠(yuǎn)相距7排座位，正常情況下，病毒傳染應(yīng)在座位前后兩排[6]，飛行乘務(wù)人員的來回走動加大了SARS病毒的擴(kuò)散范圍[7]。目前研究人的行為對室內(nèi)氣流組織影響的數(shù)值仿真方法是動網(wǎng)格法[8]，然而動網(wǎng)格法有計(jì)算時(shí)間長、幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜、網(wǎng)格生成時(shí)間長等缺點(diǎn)[5]，因而Meyers等[9]提出將動量源法應(yīng)用于大范圍風(fēng)場中物體運(yùn)動對流體影響的數(shù)值仿真，以節(jié)約計(jì)算時(shí)間，Gao等[10]在潛水艇螺旋槳的模擬中將螺旋槳考慮成靜止的，并在螺旋槳表面添加動量源，從而將非穩(wěn)態(tài)模擬簡化為穩(wěn)態(tài)模擬，節(jié)約了計(jì)算時(shí)間。

本文應(yīng)用動量源方法模擬人體在室內(nèi)的走動，研究人的走動對室內(nèi)氣流組織和污染物擴(kuò)散的影響。

1 實(shí)驗(yàn)和模擬

本文應(yīng)用小型環(huán)境艙來進(jìn)行人的走動對氣流組織影響的實(shí)驗(yàn)，該環(huán)境艙內(nèi)部凈空間尺寸為1 m×1 m×1 m，合計(jì)凈空間體積為 1 m3，整個艙體采用8 mm厚的亞克力板粘結(jié)而成，如圖1所示。環(huán)境艙包括兩部分，即穩(wěn)流艙和測試艙；污染源為點(diǎn)燃的蚊香；送風(fēng)方式為上送下回；采用電機(jī)驅(qū)動齒條來控制人體模型的運(yùn)動，通過控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速來調(diào)整模型移動方向和速度。本文中測試儀器主要包括：數(shù)字式風(fēng)速儀2臺，型號為TSI-9515，這是一款專門針對室內(nèi)空氣品質(zhì)的風(fēng)速測量裝置；超細(xì)粒子計(jì)數(shù)器2臺，型號為TSI8525 P-TRAKTM，可檢測直徑小于0.1 μm的粒子，并對其進(jìn)行計(jì)數(shù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)艙示意圖

本文數(shù)值仿真中采用(RNG)k-ε模型模擬流體湍流[11]，采用拉格朗日追蹤法模擬顆粒物的運(yùn)輸過程[12]。

1.1 實(shí)驗(yàn)艙實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)艙中，送風(fēng)參數(shù)和流場的送風(fēng)速度可控，在測試艙側(cè)面開有小孔，用來布置相應(yīng)的風(fēng)速和污染物濃度測點(diǎn)，即可記錄不同位置上氣流速度和污染物濃度的變化。室內(nèi)流場實(shí)驗(yàn)和污染物濃度測試實(shí)驗(yàn)詳細(xì)步驟如下：

2)通風(fēng)一段時(shí)間，待環(huán)境艙內(nèi)流場穩(wěn)定后(監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)速保持不變)，開始測試兩條監(jiān)測線(與入口的距離分別為x=0.3 m和x=0.7 m)的速度分布。該組數(shù)據(jù)用來驗(yàn)證數(shù)值仿真氣流組織模型的可靠性。

3)用超細(xì)粒子計(jì)數(shù)器(P-TRAK 8525)監(jiān)測背景粒子數(shù)濃度(約11 000個/cm3)。

4)運(yùn)行變頻風(fēng)機(jī)清理環(huán)境艙內(nèi)的污染物，同時(shí)用超細(xì)粒子計(jì)數(shù)器監(jiān)測艙內(nèi)顆粒物數(shù)量濃度，直到艙內(nèi)顆粒物濃度達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，即艙內(nèi)顆粒物濃度保持恒定(粒子數(shù)約為1 200個/cm3)。

5)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)，分別選擇3種不同的送風(fēng)速度(即0.3，0.4，0.5 m/s)，在入口處釋放粒子源(燃燒蚊香)，同時(shí)用超細(xì)粒子計(jì)數(shù)器監(jiān)測艙內(nèi)顆粒物濃度，持續(xù)通風(fēng)直到艙內(nèi)濃度保持不變。

6)監(jiān)測環(huán)境艙中兩條監(jiān)測線的各4個不同位置上的顆粒濃度值，在測量過程中氣流組織和顆粒物分布保持穩(wěn)定，該組數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證數(shù)值仿真的污染物擴(kuò)散模型的可靠性。

1.2 數(shù)值模擬

1.2.1控制方程

對環(huán)境艙中氣流的三維非定常湍流流動進(jìn)行模擬，該流體的流動滿足如下控制方程。

當(dāng)黑社會性質(zhì)組織發(fā)展到一定階段時(shí)，基于經(jīng)濟(jì)利益的追求和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的支撐等本質(zhì)特征，多數(shù)開始以公司、企業(yè)的形式出現(xiàn)在市場經(jīng)濟(jì)的平臺。更為有害的是，世界范圍內(nèi)惡名昭彰的黑社會犯罪組織多半也是富甲一方的企業(yè)財(cái)團(tuán)，2014年《財(cái)富》雜志曾經(jīng)報(bào)導(dǎo)“日本國最大的暴力團(tuán)山口組，依仗著毒品、賭博及恐嚇取財(cái)?shù)确缸镄袨椋晔杖敫哌_(dá)66億美元”。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動量方程：

(2)

人在走動時(shí)，人體表面會對接觸的空氣產(chǎn)生作用力，而這個力和接觸面積、速度成正比，所以本文在數(shù)值仿真的動量方程中添加一個動量源Fi，動量源(其方向與物體運(yùn)動方向相同)的大小F可以用人體前部區(qū)域的動態(tài)壓力的乘積來計(jì)算：

(3)

式中：v為人體移動的平均速度；A為產(chǎn)生運(yùn)動的人體的截面積。

1.2.2邊界條件設(shè)置

為了驗(yàn)證動量源方法的可靠性，本文應(yīng)用動網(wǎng)格法進(jìn)行對比驗(yàn)證。分別運(yùn)用動網(wǎng)格方法和動量源法對數(shù)值仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量分別為1 370 522和1 535 450。送風(fēng)速度分別是0.3,0.4和0.5 m/s，對應(yīng)換氣次數(shù)為7，9.3和13.7。湍流的入口邊界條件湍流強(qiáng)度和水力直徑分別設(shè)定為10%和0.32 m。對于沒有明顯溫差的情況，熱羽流對氣流組織的影響可以忽略。數(shù)值模擬中的邊界條件為：進(jìn)風(fēng)口為速度入口，壁面為無滑移邊界[13]。在應(yīng)用動網(wǎng)格模擬人的走動時(shí)，整個計(jì)算域由兩部分組成：靜態(tài)區(qū)域和動態(tài)區(qū)域，如圖2(a)、(c)所示。應(yīng)用自定義函數(shù)(UDF)控制人體模型所對應(yīng)網(wǎng)格的移動，如圖2(c)所示。在動量源法中，在人體模型與空氣接觸位置添加了動量源，用來模擬移動物體與空氣之間的相互作用，如圖2(b)、(d)所示。本文數(shù)值仿真顆粒物設(shè)置為：顆粒物源釋放速度為100個/s，顆粒物直徑為1 μm，顆粒物釋放速率為1E-11 kg/s。

圖2 計(jì)算模型的幾何形狀和網(wǎng)格

2 結(jié)果

圖3為送風(fēng)速度分別為0.3，0.4和0.5 m/s下實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)x方向速度的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真結(jié)果對比。由圖中可以看出，數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，偏差保持在10%以內(nèi)；上部區(qū)域的氣流速度大于下部，這是因?yàn)樵搮^(qū)域接近送風(fēng)入口，受入口射流影響較大；在下部區(qū)域，空氣流速比較小，說明上送下回的送風(fēng)方式對下部區(qū)域影響較小，在實(shí)際情況中要改善人體活動區(qū)域的空氣品質(zhì)，則需要考慮多種送風(fēng)方式。

圖3 數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)氣流組織x方向歸一化氣流速度對比

應(yīng)用數(shù)值仿真的方法模擬人的走動對氣流組織的影響，圖4為使用動量源法和動網(wǎng)格法環(huán)境艙中氣流組織x方向歸一化氣流速度的對比。在靠近送風(fēng)口區(qū)域，由于入口射流的強(qiáng)烈影響，氣體流動速度較大。由圖4中可以看出，應(yīng)用動量源法得到的氣流速度略大于采用動網(wǎng)格法得到的速度值，但是偏差保持在20%以內(nèi)(14.5%)。

圖4 動網(wǎng)格法和動量源法氣流組織x方向歸一化氣流速度的對比(t=2 s)

2.1 人的走動對氣流組織的影響

應(yīng)用動量源法研究人體模型移動對室內(nèi)氣流組織的影響，圖 5顯示了氣流組織受人體模型移動時(shí)的動態(tài)變化，其中矩形虛線框代表人體模型，送風(fēng)速度為0.5 m/s(對應(yīng)的換氣次數(shù)為13.7)，模型移動速度為0.1 m/s。由圖5可知，和人體模型移動區(qū)域相比，氣流速度在遠(yuǎn)離移動區(qū)域位置處較低(低于0.01 m/s)；人體模型的移動對氣流分布有較大影響，一旦模型開始移動，模型周邊的氣流速度顯著增加，甚至在模型尾流區(qū)速度高達(dá)0.16 m/s，大于人體的移動速度(0.1 m/s)；環(huán)境艙中，氣體擾動區(qū)域隨著人的移動而不斷擴(kuò)大，其中尾流區(qū)域的最大長度約為0.15 m；當(dāng)人體模型停止移動，整個運(yùn)動區(qū)域的氣流速度在14 s時(shí)就急劇下降到低于0.01 m/s。人的走動對室內(nèi)氣流的影響雖然沒有持續(xù)很長時(shí)間，但對氣流組織和污染物擴(kuò)散有很大的影響。

圖5 應(yīng)用動量源法模擬人的走動對氣流組織的影響

2.2 人的走動對室內(nèi)顆粒物擴(kuò)散的影響

圖6比較了在3種人體模型移動速度影響下，實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)4個區(qū)域中顆粒物濃度的衰減，其中人體模型移動速度分別為0，0.1，0.2 m/s。由圖可知，模型移動速度對區(qū)域A和C顆粒物的擴(kuò)散影響較為明顯，因?yàn)樵搮^(qū)域靠近人體模型移動區(qū)域；顆粒物濃度在不同區(qū)域的衰減情況表現(xiàn)出明顯的差異；人的走動影響了氣流組織的分布，進(jìn)而影響了顆粒物的擴(kuò)散(對流擴(kuò)散)，在區(qū)域C中隨著模型移動速度增加顆粒物衰減反而降低了，而在區(qū)域A顆粒物的衰減速度隨著模型移動速度增加而增加。從顆粒物衰減結(jié)果可以看出人的走動加快了顆粒物的擴(kuò)散，卻并不一定會提高顆粒物的去除效率。在區(qū)域C，模型移動速度為0.1 m/s和0.2 m/s時(shí)顆粒物衰減至原來濃度10%所需要的時(shí)間分別比模型移動速度為0 m/s快了21.2%和19.6%。

圖6 不同人體模型移動速度下的顆粒物數(shù)目衰減速率對比

2.3 討論與應(yīng)用

本文應(yīng)用動量源法研究人的走動對室內(nèi)氣流組織的影響，該方法和動網(wǎng)格法相比具有計(jì)算時(shí)間短、模型簡單的優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)幾何相似原理，動量源法可以應(yīng)用于較大物體運(yùn)動對氣流組織影響的研究，例如風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)或者列車運(yùn)行等運(yùn)動的模擬。

人的走動對室內(nèi)氣流組織特別是對活動區(qū)域的影響很大，從圖5中可以看到，雖然影響時(shí)間不長，但對氣流組織的破壞是極劇烈的。人的走動加快了顆粒物的擴(kuò)散效應(yīng)，在不同區(qū)域，顆粒物的衰減具有不同規(guī)律，故需要根據(jù)人的走動規(guī)律及室內(nèi)污染物的分布規(guī)律確定合適的污染物去除方式。

3 結(jié)束語

本文應(yīng)用動網(wǎng)格法和動量源法分別模擬了人的走動對室內(nèi)環(huán)境氣流組織的影響，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，動量源法可以很好地完成人的走動對室內(nèi)氣流組織動態(tài)影響的模擬。本文運(yùn)用動量源法研究人體運(yùn)動影響下的室內(nèi)顆粒物衰減過程，得出以下結(jié)論：

1)通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，表明動網(wǎng)格法與動量源法在模擬人體運(yùn)動時(shí)的氣流組織變化趨勢是一致的。由此可知，動量源方法在模擬物體移動對氣流組織的影響研究中是可行的。

2)人的走動對周邊氣流組織有很強(qiáng)烈的影響，從而進(jìn)一步影響了顆粒物濃度的分布。

3)在潔凈度要求較高的區(qū)域，例如潔凈室、手術(shù)室等，為降低污染物傳播應(yīng)盡量減少人或物不必要的移動或者設(shè)置遮擋物等，來保持室內(nèi)較好的空氣品質(zhì)。

本文忽略了人體熱羽流效應(yīng)，在接下來的研究中會考慮溫度對室內(nèi)污染物擴(kuò)散的影響。