王佳齊 楊 鋒 趙青霞 黃遠(yuǎn)東 崔鵬義

(上海理工大學(xué),上海)

0 引言

在人口密集的高層居住建筑中,氣溶膠污染物在不同樓層間的擴(kuò)散傳播不能被完全抑制。例如,2013年“非典”時(shí)期,香港某高層居民樓出現(xiàn)了疫情的跨樓層傳播,研究發(fā)現(xiàn),氣溶膠污染物是通過洗手間與下水道相連的地漏進(jìn)行跨樓層傳播的[1]。因此,充分了解室內(nèi)空氣污染物,尤其是氣溶膠污染物跨樓層擴(kuò)散特性,可以為改善建筑自然通風(fēng)、防止氣溶膠污染物跨樓層擴(kuò)散傳播提供科學(xué)指導(dǎo)。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬是研究污染物擴(kuò)散傳播的有效工具。Liu等人對高層居住建筑模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,風(fēng)主導(dǎo)的平面間擴(kuò)散可以沿水平和豎直方向發(fā)生[2]。Ai等人模擬得到的典型多層建筑中氣體污染物的單元間擴(kuò)散機(jī)制[3]與文獻(xiàn)[4]中室內(nèi)外氣流耦合條件下建筑環(huán)境周圍污染物擴(kuò)散機(jī)制基本一致。因此,可以推導(dǎo)出污染物在不同立面和風(fēng)向下可能的擴(kuò)散路徑。對比由Liu等人[5]和Niu等人[1]獲得的室內(nèi)外溫差較大的板狀建筑中下部和相鄰上部房間示蹤氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù),發(fā)現(xiàn)上層房間的質(zhì)量分?jǐn)?shù)水平一般比下層房間約低2個(gè)數(shù)量級。根據(jù)Wang等人的研究,隨著溫差的增大,相應(yīng)的污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)也會(huì)增大,但是上層的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并沒有隨著溫差的增大呈線性變化,當(dāng)溫差超過某一閾值時(shí),上層的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)停止增大[6]。因此,自然通風(fēng)同時(shí)具有積極的稀釋作用和消極的傳播作用[7-8]。

在實(shí)際情況下,水平風(fēng)和豎向建筑熱羽流同時(shí)作用,對自然通風(fēng)過程的影響是非常復(fù)雜的。由Niu等人[1]和Gao等人[9]的實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：無論何種物理效應(yīng)驅(qū)動(dòng)通風(fēng),同一棟建筑內(nèi)的樓層間交叉污染確實(shí)存在;其次,當(dāng)風(fēng)速極低或極高時(shí),2種結(jié)果中的再入比(從房間排出的空氣重新進(jìn)入相鄰/上層房間的比例)數(shù)量級相同,表明實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究都能定量描述浮力主導(dǎo)或風(fēng)主導(dǎo)情況下擴(kuò)散的趨勢。Caciolo等人發(fā)現(xiàn),風(fēng)速增大會(huì)導(dǎo)致氣流沿建筑立面向上流動(dòng),當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度后這種向上流動(dòng)受到抑制[10]。而Zhang等人的現(xiàn)場測量[11]并沒有發(fā)現(xiàn)這種增強(qiáng)現(xiàn)象。產(chǎn)生這種差異的原因可能是真實(shí)條件的建模簡化,如在模擬中只考慮了垂直于窗戶的風(fēng),而實(shí)際沿立面的氣流是混亂的,流動(dòng)方向變化很大。

以往研究在熱羽流主導(dǎo)的平面間傳輸方面取得了一些積極的成果,但大部分研究結(jié)果都局限于2個(gè)豎直相鄰平面之間的向上傳輸,而來自較低樓層的污染物可能會(huì)重新進(jìn)入較高樓層的其他房間[12]。此外,現(xiàn)有的CFD模擬中,流場一般是由恒溫的穩(wěn)態(tài)模型得到的,而氣溫實(shí)際上是不穩(wěn)定的[13-14]。因此,需要更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)條件來模擬自然條件,比如改變熱源的強(qiáng)度,以提供更準(zhǔn)確的預(yù)測依據(jù)。鑒于此,本文結(jié)合風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬,對不同強(qiáng)度建筑熱羽流與水平來風(fēng)耦合作用下污染物跨樓層擴(kuò)散傳播特性展開研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 物理模型及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)在上海理工大學(xué)環(huán)境風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室開展,如圖1a所示,該風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段尺寸為35.0 m×3.5 m×1.8 m(長×寬×高),具有90 kW可控硅供電且無級調(diào)速的風(fēng)機(jī),可控風(fēng)速范圍為0.5～20.0 m/s。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1b所示,模型縮尺比為1∶30,建筑模型為16.7 cm×13.3 cm×60.0 cm(長×寬×高)的6層建筑,本研究只考慮單側(cè)自然通風(fēng)。聚酰亞胺加熱膜(最高可達(dá)300 ℃)安置于建筑迎風(fēng)側(cè)外墻,可模擬太陽輻射引起的壁面升溫作用。污染源設(shè)置如圖1b所示,利用SF6定量釋放系統(tǒng)以恒定速率(10-5kg/(m3·s))釋放SF6示蹤氣體。實(shí)驗(yàn)中,先采集監(jiān)測點(diǎn)處氣體樣本,再用DB-600T SF6定量檢測儀(精度±1×10-6)測量濃度。

圖1 風(fēng)洞外部結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中采用縮尺模型,需滿足以下相似準(zhǔn)則[15]：1) 幾何相似;2) 建筑高度雷諾數(shù)ReH>11 000;3) 來流邊界條件相似;4) 熱力條件相似。前3個(gè)條件容易滿足,為了滿足第4個(gè)條件,需要模型與原型的理查德森數(shù)(Ri)相等,Ri的表達(dá)式如下：

(1)

式中Gr為格拉曉夫數(shù);g為自由落體加速度,m/s2;av為體積膨脹系數(shù),K-1;Tw為壁面溫度,K;Tr為實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度,K,Tr=283 K;H為建筑高度,m,H=0.6 m;UH為H處參考速度,m/s。

本研究考慮6種Ri的工況,參數(shù)見表1。

表1 原型尺度和模型尺度下6種工況及參數(shù)

1.2 數(shù)值方法

1.2.1控制方程

考慮輻射墻體的熱效應(yīng),描述室內(nèi)氣流、傳熱和污染物擴(kuò)散的控制方程如下。

1) 不可壓縮連續(xù)性方程：

(2)

式中uj為xj方向的速度,m/s;xj為笛卡兒坐標(biāo)軸方向。

2) 動(dòng)量方程：

(3)

式中ρ為密度,kg/m3;ui為xi方向的速度,m/s;p為壓力,Pa;μ和μt分別為黏度和湍流黏度,Pa·s;gi為自由落體加速度在xi方向上的分量,m/s2。

3) 能量方程：

(4)

式中T為溫度,K;Pr為普朗特?cái)?shù);Prt為湍流普朗特?cái)?shù),Prt=0.85;ST為熱源項(xiàng),W/(m3·s)。

4) 組分輸運(yùn)方程：

(5)

式中ci為示蹤污染物SF6的質(zhì)量濃度,kg/m3;Di,m為SF6的分子擴(kuò)散系數(shù),m2/s;Sct為湍流施密特?cái)?shù),Sct=0.7[16];Sc為污染源項(xiàng),kg/(m3·s)。

采用Yakhot等人提出的RNGK-ε湍流模型來封閉控制方程[17]。

1.2.2計(jì)算設(shè)置

Franke等人認(rèn)為建筑模型的阻塞率應(yīng)在3%以下[18],本研究的計(jì)算區(qū)域模型阻塞率約為1.8%。根據(jù)文獻(xiàn)[19],數(shù)值模型的計(jì)算區(qū)域與邊界條件如圖2所示。

圖2 計(jì)算區(qū)域與邊界條件

數(shù)值風(fēng)洞模型的網(wǎng)格劃分采用GAMBIT 2.4.6軟件,由于計(jì)算區(qū)域比較規(guī)則,故采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格;同時(shí)采用非均分網(wǎng)格類型,即越靠近建筑壁面,網(wǎng)格越密,以減小計(jì)算量。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

注：O為建筑室內(nèi)中心點(diǎn),A距離O 16.7 cm,A處豎直方向上7個(gè)測點(diǎn)c1～c7的高度分別為2、6、10、14、18、22、26 cm。圖3 網(wǎng)格劃分及監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)文獻(xiàn)[20-21],基于圖3b位置O處的速度分布,比較3種不同網(wǎng)格密度(網(wǎng)格數(shù)6.8×105、1.4×107、5.9×107)模型,網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。可以看出,網(wǎng)格數(shù)1.4×107與6.8×105的偏差較大,與5.9×107的偏差較小,并且隨著網(wǎng)格數(shù)的增加,計(jì)算結(jié)果變化不明顯,故選擇網(wǎng)格數(shù)為1.4×107。

圖4 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

如圖2所示,計(jì)算區(qū)域入口采用速度邊界,頂面及兩側(cè)面采用對稱邊界條件,出口采用充分發(fā)展的自由出口邊界條件,地面及建筑表面采用壁面邊界條件,計(jì)算中采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù);污染源以恒定速率從1層室內(nèi)釋放,建筑迎風(fēng)壁面采用恒定壁面溫度。

1.3 模型驗(yàn)證

圖5顯示了3類K-ε湍流模型數(shù)值計(jì)算得到的污染物量綱一濃度與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較。量綱一濃度C的計(jì)算式為

(6)

式中cr為實(shí)驗(yàn)測得的污染物體積分?jǐn)?shù);ce為污染物的排放濃度(體積分?jǐn)?shù)),為0.35;Q為污染物排放速率,為5.8×10-5m3/s。

圖5 數(shù)值計(jì)算與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)所得的污染物量綱一濃度的比較(Ri=0,A處)

對比可知,RNGK-ε模型的模擬結(jié)果更為接近風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果,擬合程度優(yōu)于其他2種模型。因此,可以使用RNGK-ε模型來模擬風(fēng)洞內(nèi)建筑周圍空氣流動(dòng)與污染物擴(kuò)散。

2 結(jié)果及討論

2.1 不同Ri下流速分布

圖6為不同Ri下豎直中心面量綱一速度W(風(fēng)速與參考高度H處風(fēng)速的比值)云圖及流線圖。由圖6可知,隨著Ri增大,即來流慣性力相對減小,迎風(fēng)面建筑壁面豎直向上熱浮升力作用增大,對建筑室內(nèi)外流場的影響可分為2個(gè)階段：

圖6 不同Ri下豎直中心面量綱一速度W云圖及流線圖

1) 當(dāng)Ri≤5.64時(shí),熱浮升力可以忽略。當(dāng)Ri=0時(shí),在建筑物的上部出現(xiàn)W最大值(>0.8),室內(nèi)流速較小;在迎風(fēng)側(cè)約2/3高度處形成一個(gè)滯流區(qū),其上方氣流流向建筑物頂部,其下方氣流向下流動(dòng)且此區(qū)域W<0;根據(jù)流線圖,建筑2/3高度以下的房間產(chǎn)生逆時(shí)針渦流結(jié)構(gòu),以上的房間產(chǎn)生順時(shí)針渦流結(jié)構(gòu),W在-0.1～0.1之間。迎風(fēng)建筑背風(fēng)面上部形成順時(shí)針旋渦,且此時(shí)在建筑背風(fēng)側(cè)大部分區(qū)域W<0。隨著Ri增大,建筑2/3高度以下房間內(nèi)逆時(shí)針渦流結(jié)構(gòu)逐漸減弱,W=0.1 的區(qū)域逐漸減小,W<0的區(qū)域逐漸擴(kuò)大;建筑背風(fēng)側(cè)的浮升力逐漸增強(qiáng),下方旋渦逐漸減小,W<0的區(qū)域逐漸減小直到消失,表明從建筑兩側(cè)面進(jìn)來的氣流增多,熱浮升力使得整個(gè)建筑尾流向上抬升。

2) 當(dāng)Ri>5.64時(shí),隨著Ri繼續(xù)增大,熱浮升力作用逐漸占優(yōu)勢,流場發(fā)生顯著變化。根據(jù)流線圖,建筑迎風(fēng)面熱流有沿壁面向上運(yùn)動(dòng)的趨勢并逐漸增強(qiáng),且房間均產(chǎn)生順時(shí)針渦流結(jié)構(gòu)。建筑背風(fēng)側(cè)為向上氣流,其主要來自流經(jīng)建筑兩側(cè)面的上風(fēng)向來流,W逐漸增大,建筑背風(fēng)側(cè)上方出現(xiàn)W最大值(>0.8)。因此,Ri=5.64可作為一個(gè)臨界值,小于該值,流經(jīng)建筑屋頂?shù)臍饬骺梢赃M(jìn)入到建筑的背風(fēng)區(qū);而大于該值時(shí),流經(jīng)建筑屋頂?shù)臍饬鲗⒑苌龠M(jìn)入建筑的背風(fēng)區(qū)。

2.2 不同Ri下溫度分布

量綱一溫度θ定義為

(7)

圖7為不同Ri下豎直中心面量綱一溫度云圖。

圖7 不同Ri下豎直中心面量綱一溫度云圖(Tr=283 K)

由圖7可知：當(dāng)Ri≤5.64時(shí),水平來流慣性力占主導(dǎo),建筑2/3高度處向下流動(dòng)的氣流將壁面產(chǎn)生的熱量帶入到底部樓層,因此隨著高度增加,室內(nèi)平均溫度逐漸降低,且此時(shí)近地面匯集的大部分熱量被兩側(cè)面流動(dòng)帶入到建筑背風(fēng)面底部渦流區(qū),故近地面室內(nèi)及背風(fēng)面渦流區(qū)溫度相對較高;當(dāng)Ri>5.64時(shí),此時(shí)建筑迎風(fēng)面臨近風(fēng)速為0.4～0.8 m/s,流場和溫度的分布發(fā)生顯著變化,可以明顯看到迎風(fēng)面向上的熱羽流,當(dāng)Ri=28.13時(shí),尤其明顯。由于建筑外墻附近向上的熱羽流作用相對較強(qiáng),氣流沿迎風(fēng)面整體向上傳遞,經(jīng)窗口進(jìn)入上層建筑室內(nèi);且隨著高度的增加,熱羽流攜帶熱量不斷累積,導(dǎo)致高層建筑室內(nèi)的平均溫度明顯更高。

2.3 不同Ri下污染物濃度分布

圖8為不同Ri下豎直中心面及迎風(fēng)壁面污染物量綱一濃度分布云圖。從圖8可以看出：當(dāng)Ri≤5.64時(shí),污染源從建筑底層室內(nèi)釋放污染物,首先占據(jù)底層室內(nèi),隨后經(jīng)通風(fēng)從窗口流出的污染物主要在迎風(fēng)面近地面聚集,并不會(huì)影響到2層及以上樓層;在建筑兩側(cè)繞流的作用下,污染物由建筑兩側(cè)匯集到建筑背風(fēng)側(cè)尾流區(qū);并且建筑室內(nèi)外污染物濃度分布基本不隨Ri的增大而變化,但背風(fēng)面污染物濃度隨Ri的增大而增大;當(dāng)Ri>5.64時(shí),隨著Ri的增大,底層和近地面污染物逐漸沿迎風(fēng)面向高樓層及室內(nèi)擴(kuò)散傳遞,但建筑背風(fēng)面污染物濃度減小。

結(jié)合圖6中流線及圖8中污染物濃度分布的特點(diǎn),可將污染物在室內(nèi)外的分布特點(diǎn)分為2個(gè)階段：1) 當(dāng)Ri≤5.64時(shí),水平來流慣性力占絕對優(yōu)勢,建筑迎風(fēng)面下部樓層明顯的下行氣流致使污染物在近地面聚集,不會(huì)對1層以上建筑室內(nèi)產(chǎn)生影響;隨著Ri的增大,水平方向來流慣性力相對減弱,建筑背風(fēng)面尾流結(jié)構(gòu)雖然不受迎風(fēng)面熱浮升力的影響,但強(qiáng)度及通風(fēng)能力減弱,因而建筑背風(fēng)區(qū)的污染物平均濃度逐漸增大。2) 當(dāng)Ri>5.64時(shí),建筑迎風(fēng)面熱浮升力作用不能忽略,并且隨著Ri的增大逐漸占據(jù)優(yōu)勢,表現(xiàn)在建筑迎風(fēng)面熱浮升力抬升作用致使底部下行氣流逐漸減弱,當(dāng)Ri=28.13 時(shí),迎風(fēng)面底部下行氣流消失,沿壁面向上的抬升氣流作用明顯。因而,當(dāng)Ri>5.64時(shí),隨著Ri的增大,底部樓層污染物從室內(nèi)擴(kuò)散出后,在迎風(fēng)面增強(qiáng)的抬升氣流作用下向上擴(kuò)散傳遞,進(jìn)入到上部樓層室內(nèi);并且隨著Ri的繼續(xù)增大,污染物在迎風(fēng)面豎直方向的影響范圍逐漸擴(kuò)大,說明污染物豎直向上擴(kuò)散的能力逐漸增強(qiáng)。而建筑背風(fēng)面的污染物濃度減小,建筑背風(fēng)區(qū)污染物分布呈現(xiàn)由下向上的均勻分層,但平均濃度逐漸減小。

2.4 凈逃逸速度

吹掃流量(purging flow rate, PFR)主要用于評估局部通風(fēng)效率[22],描述整個(gè)空間內(nèi)的有效氣流速率。在污染源相同的條件下,吹掃流量定義為[23]

(8)

式中P為吹掃流量,m3/s;V為房間體積,m3;c為房間內(nèi)平均污染物質(zhì)量濃度,kg/m3。

Lim等人定義了凈逃逸速度(net escape velocity,NEV)[23],以評價(jià)封閉空間某一點(diǎn)的污染物去除情況。Hang等人采用歸一化NEV(NEV*)來評估城市地區(qū)的通風(fēng)量[24]。在本研究中,NEV*描述了通過平均流量和湍流擴(kuò)散稀釋整個(gè)房間空氣污染物的凈容量,定義為

圖8 不同Ri下豎直中心面及迎風(fēng)壁面污染物量綱一濃度分布云圖

(9)

式中N*為NEV*;S為房間底面積,m2。

圖9顯示了不同Ri下1層室內(nèi)歸一化凈逃逸速度。從圖9可以看出：當(dāng)Ri≤5.64時(shí),NEV*變化不大,甚至在Ri=5.64時(shí)有所下降,說明在此情形下Ri的變化對NEV*的影響比較小;當(dāng)Ri>5.64時(shí),隨著Ri的增大,NEV*逐漸增大,反映壁面加熱達(dá)到一定程度會(huì)促進(jìn)1層室內(nèi)污染物向室外擴(kuò)散。NEV*的變化趨勢與量綱一速度變化趨勢基本一致,這是因?yàn)镹EV*依賴于流場,污染物輸送的主要驅(qū)動(dòng)力為對流擴(kuò)散,湍流擴(kuò)散的作用相對于對流擴(kuò)散較小。

圖9 不同Ri下1層室內(nèi)歸一化凈逃逸速度NEV*

3 結(jié)論

本文考慮水平來流和太陽輻射引起的近壁面熱羽流的耦合作用,研究了不同Ri下迎風(fēng)面的空氣流動(dòng)、溫度分布及污染物跨樓層的擴(kuò)散特性。得到以下結(jié)論：

1) 對于熱流結(jié)構(gòu)：當(dāng)Ri≤5.64時(shí),水平來流慣性力占主導(dǎo),來流在建筑迎風(fēng)面2/3高度處分離,沿迎風(fēng)面向下的流動(dòng)抑制熱流向上擴(kuò)散;建筑背風(fēng)區(qū)形成渦旋,側(cè)向羽流向建筑上部靠近,流動(dòng)結(jié)構(gòu)隨Ri增大基本不變。當(dāng)Ri>5.64時(shí),隨著Ri的增大,熱浮力作用逐漸占優(yōu)勢,熱氣流沿建筑迎風(fēng)面向上流動(dòng)趨勢逐漸明顯,建筑背風(fēng)區(qū)向上抬升的氣流破壞了渦旋結(jié)構(gòu)。

2) 對于污染物擴(kuò)散：當(dāng)Ri≤5.64時(shí),單側(cè)通風(fēng)能力較弱,絕大多數(shù)污染物被限制在1層室內(nèi);流出的少量污染物在兩側(cè)氣流的作用下進(jìn)入建筑背風(fēng)區(qū),因而迎風(fēng)面近地面污染物濃度較低;此時(shí)沿壁面豎直向上擴(kuò)散動(dòng)能可以忽略,不會(huì)對高樓層室內(nèi)產(chǎn)生影響。當(dāng)Ri>5.64時(shí),沿迎風(fēng)面豎直向上的熱流運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng),導(dǎo)致污染物向高處樓層擴(kuò)散,將引起嚴(yán)重的污染物跨樓層傳播風(fēng)險(xiǎn)。