除臭通風(fēng)空間負(fù)壓分析模擬

屈志敏，呂蒙

（中城院（北京）環(huán)境科技有限公司，北京 100120)

1 引言

近年來(lái)，在國(guó)家碳中和及碳達(dá)峰的“雙碳”目標(biāo)背景下，環(huán)保要求同步提高。有機(jī)垃圾處理廠作為重要的大氣污染物排放源，其除臭系統(tǒng)近年來(lái)規(guī)模大幅提高。除臭規(guī)模的增加一定程度上能夠提高除臭效果，但也帶來(lái)了高能耗，這與節(jié)能減碳的目標(biāo)背道而馳。在保證除臭效果的基本前提下，降低除臭系統(tǒng)規(guī)模，減小除臭系統(tǒng)能耗是有機(jī)垃圾處理廠除臭系統(tǒng)面臨的一個(gè)重要現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics,CFD）已經(jīng)被普遍作為科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中有力的預(yù)測(cè)仿真工具，可以用來(lái)研究通風(fēng)房間的氣流組織和負(fù)壓度等。

本文通過(guò)對(duì)通風(fēng)房間進(jìn)行CFD仿真模擬，在排風(fēng)口風(fēng)量及風(fēng)速一定的條件下，用3種不同大小的自然補(bǔ)風(fēng)口模擬維護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙不同的漏風(fēng)面積，通過(guò)這3種典型模擬，探討不同的漏風(fēng)面積對(duì)室內(nèi)負(fù)壓度的影響。同時(shí)利用理想流體伯努利方程來(lái)計(jì)算理論負(fù)壓，另外參考GB 50073—2013《潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出的工程經(jīng)驗(yàn)算法，來(lái)確定相同條件下的經(jīng)驗(yàn)負(fù)壓，對(duì)比上述3種方式得出的負(fù)壓結(jié)果，確定能夠應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)中比較有效簡(jiǎn)便的負(fù)壓計(jì)算的工程應(yīng)用方法，從而對(duì)有機(jī)垃圾處理廠除臭系統(tǒng)規(guī)模的確定提供技術(shù)支撐。

2 通風(fēng)房間模型描述

2.1 物理模型及初始條件

本文主要研究的是除臭通風(fēng)車(chē)間內(nèi)，在一定除臭排風(fēng)量的條件下，補(bǔ)風(fēng)口或者維護(hù)結(jié)構(gòu)漏風(fēng)面積大小對(duì)車(chē)間內(nèi)負(fù)壓度的影響。為節(jié)省算力資源，提高計(jì)算精度，通風(fēng)車(chē)間選用一個(gè)小型通風(fēng)房間進(jìn)行研究，該通風(fēng)房間基本尺寸為7 m（長(zhǎng)）×5 m（寬）×3 m（高）。通風(fēng)形式為機(jī)械排風(fēng)，自然補(bǔ)風(fēng)。排風(fēng)口設(shè)置在屋頂，維護(hù)結(jié)構(gòu)漏風(fēng)設(shè)置為補(bǔ)風(fēng)口設(shè)置在兩側(cè)墻體下沿距地0.2 m。其中，排風(fēng)口尺寸為0.18 m×0.2 m，排風(fēng)口面積0.036 m2。自然補(bǔ)風(fēng)口設(shè)置3種工況，分別為補(bǔ)風(fēng)口總面積0.2 m2、0.1 m2、0.05 m2，如圖1所示對(duì)應(yīng)3種模型。

圖1 3種通風(fēng)模型三維結(jié)構(gòu)示意圖

房間機(jī)械排風(fēng)量為5次換氣/h，計(jì)算排風(fēng)量為525 m3/h，3種模型對(duì)應(yīng)排風(fēng)口及補(bǔ)風(fēng)口面積與風(fēng)速如表1所列。

表1 物理模型初始條件表

2.2 假設(shè)條件及理論基礎(chǔ)

2.2.1 假設(shè)條件

為簡(jiǎn)化數(shù)值模擬計(jì)算，需要進(jìn)行如下合理假設(shè)條件：

1）溫度對(duì)負(fù)壓研究無(wú)影響，故假設(shè)進(jìn)排風(fēng)均為等溫射流。

2）輻射換熱對(duì)負(fù)壓研究無(wú)影響，不考慮輻射換熱。

3）流體按流動(dòng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化分為定常流動(dòng)和非定常流動(dòng)，模擬室內(nèi)空氣穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，為減少計(jì)算因子，將室內(nèi)空氣假定為定常流動(dòng)。

4）流體分為可壓縮流體及不可壓縮流體兩種，空氣作為一種可壓縮流體，由于壓強(qiáng)研究范圍僅在0～50 Pa，空氣分子的可壓縮性對(duì)負(fù)壓度的研究影響可忽略，為簡(jiǎn)化連續(xù)性方程，不考慮空氣密度的影響，假定室內(nèi)空氣為不可壓縮流體。

2.2.2 理論計(jì)算方程

1）連續(xù)性方程

流體為定常流動(dòng)，不考慮時(shí)間因子的影響：

式中，u、v、w分別為流體微元在3個(gè)方向x、y、z的速度；ρ為流體密度。

不考慮流體密度的變化，流體假定為不可壓縮流體，則連續(xù)性方程可得到進(jìn)一步簡(jiǎn)化：

2）動(dòng)量方程

根據(jù)動(dòng)量定理，流體系統(tǒng)流動(dòng)的時(shí)間變化率等于作用在系統(tǒng)上的外力矢量和，即：

式中，m為流體質(zhì)量；V1、V2分別為t1、t2時(shí)刻的流體速度；Δt=t2-t1。

根據(jù)不可壓縮流體一維流動(dòng)連續(xù)性方程，流體在總流進(jìn)出口的流量相等，可得出不可壓縮流體定常流動(dòng)的一維流動(dòng)動(dòng)量方程：

式中，qv為流體體積。

三維定常流體的動(dòng)量方程即：

3 模擬條件及結(jié)果

3.1 模擬條件

3.1.1 計(jì)算模型

機(jī)械通風(fēng)空氣為高雷諾數(shù)湍流流動(dòng)，適用k-epsilon標(biāo)準(zhǔn)模型，壁面選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。重點(diǎn)研究通風(fēng)量對(duì)負(fù)壓度的影響，不考慮輻射換熱與溫度對(duì)空氣流場(chǎng)的影響。

3.1.2 邊界條件

壁面選擇氣流無(wú)滑移靜止壁面，不考慮壁面粗糙度影響。機(jī)械排風(fēng)口設(shè)置為速度入口，速度為-4.05 m/s，自然補(bǔ)風(fēng)口設(shè)置為壓力出口。 趙福云[1]、趙斌[2]、凌繼紅[3]等通過(guò)理論計(jì)算、相關(guān)實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證均認(rèn)為湍流強(qiáng)度對(duì)室內(nèi)空氣流動(dòng)的影響可忽略，故不考慮湍流強(qiáng)度對(duì)氣流出入口的影響。模型中速度入口與壓力出口湍流強(qiáng)度均設(shè)置為4%，回流水力直徑0.5 m。

3.1.3 求解方法

氣流組織分析一般采用SIMPLE方法，采用壓力與速度相互校正強(qiáng)制質(zhì)量守恒并獲取壓力場(chǎng)。PISO方法適用于過(guò)渡計(jì)算和高度傾斜網(wǎng)格計(jì)算，不適用于本次數(shù)值模擬。SIMPLEC方法雖然能夠更快得到收斂結(jié)果，但容易產(chǎn)生不穩(wěn)定。另外一種算法為耦合求解，更合適用于高速可壓縮流動(dòng)，不適用于本次數(shù)值模擬。

3.1.4 初始化

本次數(shù)值模擬的對(duì)象為通風(fēng)房間空氣流動(dòng)，為單相流體，采用混合初始化求解。

3.2 模擬結(jié)果分析

對(duì)上述模型進(jìn)行迭代求解，可以直觀得到室內(nèi)氣流組織速度流場(chǎng)，具體速度場(chǎng)模擬結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，最大風(fēng)速在排風(fēng)口中心處約5 m/s作用，排風(fēng)口初始條件4.05 m/s為風(fēng)口平均速度。自然補(bǔ)風(fēng)口模型1到模型3的補(bǔ)風(fēng)口面積逐步減小，在此基礎(chǔ)上，模擬計(jì)算空間負(fù)壓，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖2 3種模型速度場(chǎng)示意圖

圖3 3種模型壓力場(chǎng)示意圖

如壓力場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果所示，模型1模擬負(fù)壓結(jié)果為-0.27 Pa，模型2模擬負(fù)壓結(jié)果為-1.07 Pa，模型2模擬負(fù)壓結(jié)果為-5.12 Pa。

綜合模擬初始條件排風(fēng)口面積一致條件下的數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比，如表2所示。

表2 數(shù)值模擬結(jié)果分析表

從表2結(jié)果分析可知，隨著進(jìn)風(fēng)口面積的減小，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速逐漸增加，負(fù)壓度也相應(yīng)增加。且增加幅度遠(yuǎn)大于進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速增幅。故而可以認(rèn)為維護(hù)結(jié)構(gòu)的密閉性對(duì)通風(fēng)房間負(fù)壓度起到?jīng)Q定性影響。

4 其他方法負(fù)壓計(jì)算分析

4.1 理論負(fù)壓計(jì)算分析

在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)中，理想流體的運(yùn)動(dòng)微分方程在假定流體為不可壓縮理想流體的定常流動(dòng)，質(zhì)量力只有重力作用，且沿同一微元流束積分的假定簡(jiǎn)化條件下，得到理想流體微元流束的伯努利方程[4]：

式中，z0、z1為單位重力流體的位勢(shì)能；p0/ρg、p1/ρg為單位重力流體的壓強(qiáng)勢(shì)能；V02/2g、V12/2g為單位重力流體的動(dòng)能。

將入口通風(fēng)氣流段看作微元流束，室外大氣看作流束入口，房間內(nèi)氣流入口看作流束出口，室內(nèi)空間負(fù)壓度為相對(duì)壓力，故室外壓力即流束入口壓力取值為0 Pa，室外空氣作為流束入口風(fēng)速為0 m/s，流束出口壓力即室內(nèi)負(fù)壓，流束出口流速即房間氣流入口風(fēng)速。忽略位勢(shì)能的影響，可以簡(jiǎn)化計(jì)算室內(nèi)負(fù)壓與氣流出口風(fēng)速之間的數(shù)值關(guān)系，伯努利方程可以改進(jìn)得出：

式中，p0為大氣壓力，取值0 Pa；V0為室外空氣風(fēng)速，取值0 m/s；V1為氣流出口風(fēng)速，m/s；p1為房間負(fù)壓值，Pa；ρ為常壓下空氣密度，取值1.2 kg/m3；g為重力加速度，取9.81 m2/s。

可以得流束出口風(fēng)速與房間負(fù)壓值的關(guān)系式如式（10）：

代入3種模型的初始條件，對(duì)比模擬計(jì)算結(jié)果分析見(jiàn)表3。

表3 數(shù)值模擬與理論計(jì)算對(duì)比分析表

上述結(jié)果表明，運(yùn)用簡(jiǎn)化的理想流體伯努利方程來(lái)計(jì)算負(fù)壓值，與數(shù)值模擬結(jié)果的偏差率在15%左右，且理論計(jì)算結(jié)果小于數(shù)值模擬負(fù)壓值結(jié)果。

4.2 經(jīng)驗(yàn)負(fù)壓計(jì)算分析

在GB 50037—2013《潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]中，有關(guān)潔凈區(qū)與周?chē)臻g需要維持一定壓差的規(guī)定，給出了縫隙法計(jì)算維持潔凈室壓差值所需的壓差風(fēng)量。對(duì)非密閉門(mén)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表4所示。

表4 非密閉門(mén)漏風(fēng)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

潔凈室非密閉門(mén)縫隙按1.6 mm驗(yàn)算壓差與漏風(fēng)量之間的關(guān)系，可以驗(yàn)算得出壓差與漏風(fēng)量滿足上述理論計(jì)算式。

5 數(shù)值模擬與其他計(jì)算方法結(jié)果對(duì)比分析

5.1 室內(nèi)負(fù)壓度的影響因素

經(jīng)前述數(shù)值模擬可以看出，設(shè)有機(jī)械排風(fēng)的除臭通風(fēng)房間，負(fù)壓度主要與維護(hù)結(jié)構(gòu)的開(kāi)口面積大小有關(guān)，且開(kāi)口面積的大小對(duì)負(fù)壓度的影響相當(dāng)明顯。模型1～模型3的3種模型壓力場(chǎng)顯示，室內(nèi)負(fù)壓度均勻，室內(nèi)負(fù)壓度與縫隙所在位置無(wú)關(guān)，即氣流組織不影響室內(nèi)負(fù)壓度。

5.2 室內(nèi)負(fù)壓值的確定

通過(guò)數(shù)值模擬得出的進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速與負(fù)壓值的關(guān)系，結(jié)合簡(jiǎn)化的理想流體微元流束的伯努利方程，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上附加一定的系數(shù)來(lái)契合模擬結(jié)果，能夠作為一種更簡(jiǎn)單的工程實(shí)際應(yīng)用的計(jì)算方法。

實(shí)際工程中需要用負(fù)壓值來(lái)控制通風(fēng)量，為保證負(fù)壓效果，采用理論計(jì)算值直接作為估算除臭通風(fēng)風(fēng)量是可行的。通過(guò)模擬數(shù)值來(lái)看，其結(jié)果相當(dāng)于在維持一定負(fù)壓的條件下所需的實(shí)際除臭風(fēng)量的基礎(chǔ)上附加了15%，這在實(shí)際工程中作為常用的保證系數(shù)具有可靠性。

6 結(jié)論

1）除臭通風(fēng)車(chē)間負(fù)壓值在除臭風(fēng)量一定的條件下，僅與維護(hù)結(jié)構(gòu)漏風(fēng)面積相關(guān)。漏風(fēng)面積越大，室內(nèi)負(fù)壓程度越小，越不利于室內(nèi)污染物的外溢控制。室內(nèi)負(fù)壓度與滲漏風(fēng)口的風(fēng)速直接相關(guān)，數(shù)值關(guān)系對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)化的微元流體伯努利方程。

2）工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中，可以采用兩種方法來(lái)確定室內(nèi)除臭風(fēng)量。其一，確定常用不同類(lèi)型的門(mén)窗及維護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙寬度值，通過(guò)縫隙長(zhǎng)度估算維護(hù)結(jié)構(gòu)漏風(fēng)面積，進(jìn)而通過(guò)所需控制的室內(nèi)負(fù)壓值計(jì)算進(jìn)風(fēng)風(fēng)速，從而確定除臭通風(fēng)風(fēng)量。其二，確定不同類(lèi)型的門(mén)窗及維護(hù)結(jié)構(gòu)單位長(zhǎng)度縫隙在維持一定壓差條件下所需的壓差風(fēng)量，從而估算除臭通風(fēng)風(fēng)量。這兩種方法均有前置條件，也是在今后的工作中需要進(jìn)一步調(diào)研與研究的重要內(nèi)容。

3）有機(jī)垃圾處理廠作為重要的污染排放源，如何有效控制污染物的擴(kuò)散外溢以及降低控制成本，是一個(gè)具有相當(dāng)現(xiàn)實(shí)意義的問(wèn)題。強(qiáng)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)的密閉性，能夠有效降低除臭系統(tǒng)初投資成本及運(yùn)營(yíng)成本。投資成本與節(jié)能減碳的經(jīng)濟(jì)效益的平衡，也是今后工作中需要進(jìn)一步研究分析的問(wèn)題，這對(duì)于指導(dǎo)工程建設(shè)實(shí)施，充分響應(yīng)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。