基于Fluent軟件的室內顆粒物濃度分布影響研究

吳志猛，董敏

（1.山東約蘭機電工程有限公司，山東 德州 253000；2.山東華宇工學院 能源與建筑工程學院，山東 德州 253034）

0 引 言

研究不同風速下室內顆粒物濃度、顆粒密度和顆粒的分布情況，對數值模擬結果進行分析，闡明了空氣流速對不同顆粒粒徑分布的影響。調整送風速度，合理控制室內顆粒物的數量分布，改善室內空氣質量，降低顆粒物對人體健康的影響。

調查結果顯示，國內對室內環境中顆粒物的調查研究仍非常有限。研究不同送風速度對室內顆粒物濃度分布的影響，對于改善室內空氣質量，促進室內環境的健康可持續發展有著十分重要的意義。在理想數值模擬中考慮送風速度的影響，建立室內顆粒流動分布模型，也可為室內空氣污染的治理及相關標準參數的設定提供科學的理論依據。

1 物理模型

室內空氣流動遵守的原理有連續性方程、質量守恒定律和動量守恒定律。

連續性方程：

質量守恒方程：

動量守恒方程：

本文以某小型辦公室內顆粒物濃度分布為研究對象，由于受硬件條件和計算時間的影響，模擬計算時只考慮將電腦和人作為計算的熱源，創建的辦公室模型尺寸為5 m×4 m×3.5 m，如圖1所示。

圖1 幾何模型

建立的幾何模型基本參數如表1所示。

表1 模型基本參數

對辦公室布局進行簡化，確保模擬結果接近真實值，同時節省計算機的運算時間，只考慮將人員和電腦作為熱源，所以在模型中將桌椅去除掉，人員的簡化模型高度是設定坐姿接近真實值的1.3 m。人員的熱通量和電腦的熱通量保持默認設置，不考慮空氣的可壓縮性，室內空氣密度為1.225 kg/m，空氣黏性系數為1.7894e-05 kg/m.s。送風口的邊界條件設置為速度入口，回風口的邊界條件設定為outflow，墻壁不考慮熱量粗糙度0.37，開啟能量方程，湍流模型為k-e 模型。

2 流場模擬

在查閱了空調的送風速度規格后，了解到當送風口風速在2.5 ～4 m/s 之間、送風溫度在18 ～25 ℃之間時，工作人員的工作區域可獲得良好的舒適感，因此以標準工況為基礎，選取幾個不同的工作條件進行模擬計算，如表2所示。

表2 模擬工況參數

本次溫度場和流場模擬工況的輸出結果考慮到人員在靜坐和站立時的兩個高度，截取房間內豎直高度方向上的水平截面=1 m 和=1.5 m。

由工況云圖可知：=1 m 時，如圖2所示房間內溫度區間在296 K 到307 K 之間，本次模擬考慮熱源問題，人體和計算機設備散發熱量區域為最大值區域，人體區域散發的熱量比計算機設備區域低一些，為299 K，計算機區域散發的熱量為最高值307 K。=1.5 m 時，如圖3所示房間內溫度區間在295 K 到299 K 之間，同樣，人體和計算機設備區域溫度最高，人體區域為298 K，計算機區域為最高值299 K。

圖2 y=1 m 高度處溫度場

圖3 y=1.5 m 高度處溫度場

=1 m 時，如圖4所示房間內壓力區間在2.93 Pa 到3.12 Pa之間，送風口處為2.98 Pa，人體周圍為2.97 Pa。=1.5 m 時，如圖5所示房間內壓力區間在2.93 Pa 到3.26 Pa 之間，送風口處為3.01 Pa，人體周圍為2.98 Pa。

圖4 y=1 m 高度處壓力場

圖5 y=1.5 m 高度處壓力場

=1 m 時，如圖6所示房間內流速區間在0.04 m/s 到0.49 m/s 之間，人體區域的流速區間在0.11 m/s 到0.35 m/s 之間。=1.5 m 時，如圖7所示房間內流速區間在0.05 m/s 到0.69 m/s 之間。

圖6 房間y=1 m 高度處流速分布

圖7 房間y=1.5 m 高度處流速場

工況：當送風溫度為298 K、送風速度為2.8 m/s 時，所得溫度場分別如圖8、圖9所示，所得壓力場如圖10（=1.5 m 高度處壓力場分布）、圖11（=1 m 高度處壓力場分布）所示，所得流速分布如圖12（=1.5 m 高度處流速分布）、圖13（=1 m 高度處流速分布）所示。

圖8 y=1 m 高度處溫度場

圖9 y=1.5 m 高度處溫度場

圖10 y=1.5 m 高度處壓力場

圖11 y=1 m 高度處壓力場

圖12 y=1.5 m 高度處流速

圖13 y=1 m 高度處流速

由以上1 m 和1.5 m處壓力云圖和速度云圖可知：

=1 m 時，房間內溫度區間在299 K 到310 K 之間，本次模擬考慮熱源的問題，人體和計算機設備散發熱量區域為最大值區域：人體區域散發的熱量比計算機設備區域低一些，為301 K，計算機區域散發熱量為最高值310 K。=1.5 m 時，房間內溫度區間在298 K 到302 K 之間，同樣，人體和計算機設備區域溫度最高，人體區域為300 K，計算機區域為最高值302 K。

=1 m 時，房間內壓力區間在2.92 Pa 到2.98 Pa 之間，送風口處為2.96 Pa，人體周圍為2.94 Pa。=1.5 m 時，房間內壓力區間在2.93 Pa 到2.97 Pa 之間，送風口處為2.95 Pa，人體周圍為2.93 Pa。=1 m 時，房間內流速區間在0.01 m/s 到0.51 m/s 之間，人體區域的流速區間在0.11 m/s 到0.26 m/s 之間。=1.5 m 時，房間內流速區間在0.42 m/s 到0.76 m/s 之間。

工況：當送風溫度為295 K、送風速度為3.25 m/s 時，所得溫度場分別如圖14、圖15 所示，所得壓力場如圖16（=1.5 m 高度處壓力場分布）、圖17（=1 m 高度處壓力場分布），所得流速分布如圖18（=1.5 m 高度處流速分布）、圖19（=1 m 高度處流速分布）所示。

圖14 y=1.5 m 高度處溫度場

圖15 y=1.5 m 高度處溫度場

圖16 y=1.5 m 高度處壓力場

圖17 y=1 m 高度處壓力場

圖18 y=1.5 m 高度處流速

圖19 y=1 m 高度處流速

由以上1 m 和1.5 m 處壓力云圖和速度云圖可知：

=1 m 時，房間內溫度區間在295 K 到306 K 之間，本次模擬考慮熱源問題，人體和計算機設備散發熱量區域為最大值區域：人體區域散發的熱量比計算機設備區域低一些，為298 K；計算機區域散發的熱量為最高值306 K。=1.5 m時，房間內溫度區間在295 K 到298 K 之間，同樣，人體和設備區域溫度最高，人體區域為297 K，計算機區域為最高值298 K。=1 m時，房間內壓力區間在3.94 Pa到4.2 Pa 之間，送風口處為4.01 Pa，人體周圍為3.99 Pa。=1.5 m 時，房間內壓力區間在3.95 Pa 到4.39 Pa 之間，送風口處為4.06 Pa，人體周圍為4.02 Pa。=1 m 時，房間內流速區間在0.01 m/s到0.6 m/s 之間，人體區域的流速在0.13 m/s 到0.24 m/s 之間。=1.5 m 時，房間內流速區間在0.01 m/s 到0.89 m/s 之間。

由以上溫度云圖可知，三個工況的溫度分布都是以人員和設備為中心以不規則環形向四周分布，并且逐漸減小。=1 m 時，工況下人員周圍溫度值為299 K ，工況下人員周圍溫度值為301 K ，工況下人員周圍溫度值為298 K 。=1.5 m 時，工況下人員周圍溫度值為298 K，工況下人員周圍溫度值為300 K，工況下人員周圍溫度值為297 K 。對比=1 m 和=1.5 m 時3 個工況下的溫度值，得出工況下的溫度值最符合人體工作時的溫度。

因為壓力分布3 個工況的特點比較類似，最大壓力都出現在送風口對側 的墻角邊上，且壓力分布狀況對顆粒物濃度分布影響在本次課題中不做重點研究，所以流場重點考慮流速的分布影響。

由于本次模擬工況的現實環境為辦公室內，人員靜坐的時長遠大于人員站立的時長，所以取高度=1 m 時人員周圍的流速來分析工況 ，以更接近于真實值。

=1 m 時：工況下人員周圍的流速為0.105 8 m/s 到0.352 7 m/s 之間，工況下人員周圍的流速為0.108 m/s到0.260 m/s 之間，工況下人員周圍的流速為0.125 m/s到0.240 m/s 之間，3 個工況下流速云圖都呈湍流分布且最大流速都在送風口對側墻角邊上。

人長時間靜坐在辦公室內，最大允許流速為0.3 ～0.4 m/s之間，對于人體停留區 ，流速在0 ～0.08 m/s 之間時，人會有一種 空氣停滯的感覺，感覺不舒服。當辦公室側送風口最大允許流速為2.5 m/s ～3.8 m/s 之間、人體停留區流速 為0.127 m/s 時，人會感覺比較舒適；當人體周圍流速為0.127 m/s ～0.25 m/s 之間時，人會感到基 本舒適，這些 規范都是查閱空調送風規范所知，在此用來評價工況流速的優劣。

由以上送風規范可得：工況、工況、工況=1 m處人周圍 的流速都滿 足人對送風舒適度的要求，但是工況的流速范圍0.125 m/s ～0.240 m/s 剛好滿足人的基本舒適度要求。

結合溫度場和流場的綜合分析可知，工況（送風溫度22 ℃、送風速度 3.25 m/s）為最優工況。

3 顆粒物濃度模擬

本次模擬顆粒物在真實環境下由釋放源噴射60 s 所得的工況濃度分布云圖。在模擬計算完成后，同樣截取=1 m 高度處顆粒物濃度分布圖做工況分析，所得顆粒物濃度分布圖如圖20、圖21、圖22（=1 m高度處顆粒物濃度分布圖）所示。

圖20 A1 工況

圖21 A2 工況

圖22 A3 工況

工況分析：理想的模擬結果是讓顆粒 物流動到房間里的所有區域，受計算條件的影響，在模擬60 s 噴射顆粒物內房間里的顆粒物濃度分布很低，但也不會對本次課題的研究結果造成影響。從以上顆粒物濃度云圖可以大體分析出房間內的顆粒物濃度在墻壁周圍最高，有少數的顆粒物濃度極大值出現在人體周圍，這也符合真實的生活環境現象。從以上3個工況云圖中得到以下數據：

工況（=1 m 時）：送風溫度為295 K、送風速度為2.8 m/s 時，=1 m 截面上室內顆粒物濃度分布區間為1.29e-20 kg/m～4.93e-17 kg/m，人員周圍平均顆粒物濃度為1.73e-17 kg/m。工況（=1 m時）：送風溫度為298 K、送風速度為2.8 m/s 時，=1 m 截面上室內顆粒物濃度分布區間為8.08e-21 kg/m～4.66e-17 kg/m，人員周圍平 均顆粒物濃度為1.63e-17 kg/m。工況（=1 m 時）：送風溫度為295 K、送風速度為3.25 m/s 時，=1 m 截面上室內顆粒物濃度分布區間為7.13e-21 kg/m～4.04e-17 kg/m，人員周圍平均顆粒物濃度為1.41e-17 kg/m。

比較3 個工況下人員周圍平均顆粒物濃度可得：工況下人員周圍平均顆粒物濃度最低為1.41e-17 kg/m，工況下人員周圍平均顆粒物濃度最高為1.73e-17 kg/m。綜合流場模擬數據分析和顆粒物濃度模擬數據分析最終確定工況（送風速度3.25 m/s、送風溫度22 ℃）為最優工況。

4 結 論

本文3 個工況下人員周圍平均顆粒物濃度最低為 1.41e-17 kg/m，顆粒物濃度越低，越有益于人的身體健康。綜合流場模擬數據分析和顆粒物濃度模擬數據分析最終確定工況為最優工況。在相同送風溫度條件下，送風速度大的工況下顆粒物濃度分布稀疏，送風速度小的工況下顆粒物濃度分布稠密。