氣溶膠污染物跨樓層傳播特性數(shù)值研究

摘 要：太陽輻射力和水平來流慣性力引起的壁面熱羽流會對建筑表面的污染物跨樓層擴(kuò)散傳播產(chǎn)生明顯影響。采用風(fēng)洞實驗和數(shù)值模擬，研究6層居民建筑在不同強度熱羽流影響下，氣溶膠污染物沿建筑立面不同樓層擴(kuò)散分布特性。采用理查德森數(shù) Ri表示建筑立面熱羽流的強弱。研究表明，建筑立面的熱羽流對氣溶膠污染物的擴(kuò)散分布有明顯影響。當(dāng) Ri lt;2.28時，污染物主要向迎風(fēng)面近地面聚集，導(dǎo)致近地面污染物濃度較高；當(dāng) Ri ≥2.28時，污染物向高處擴(kuò)散，將引起嚴(yán)重的污染物跨樓層擴(kuò)散傳播風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：建筑熱羽流；污染物擴(kuò)散；跨樓層傳播；風(fēng)洞實驗；數(shù)值模擬

中圖分類號： X51" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Numerical study on the cross-floor transmission characteristics of aerosol pollutants： effect of building thermal plume

ZHAO Qingxia ，YIN Xuejian ，CHEN Yi，LIU Chang ，CUI Pengyi

（School of Environment and Architecture， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：The building wall thermal plume causing by solar irradiation and horizontal inertial force can significantly affect the diffusion and cross-floor transmission of pollutants along the building vertical surface. In this study， the wind-tunnel experiments and numerical simulation were used to investigate the effect of thermal plume intensity on cross-floor transmission characteristics of aerosol pollutants along the building facades in a 6-story residential building. Richardson number （Ri） is used to assess the thermal plume intensity along the building facades. The study shows that the thermal plume on the building facades has a great influence on the diffusion of aerosol pollutants. When Ri lt;2.28， pollutants mainly accumulate near the ground on the windward surface， leading to higher pollutants concentration near the ground. When Ri ≥2.28， pollutants diffuse to higher levels， causing serious risks of cross-floor pollutants dispersion.

Keywords：building thermal plume; pollutants dispersion; cross-floor transmission; wind tunnel experiment; numerical simulation

根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）的數(shù)據(jù)，截至2022年9月，新型冠狀肺炎疫情已累計確診6.1億例，死亡652萬例，病死率約1.1%［1］。已有研究表明，除了飛沫和接觸傳播，呼吸系統(tǒng)病毒還可通過氣溶膠進(jìn)行長距離傳播，這給呼吸系統(tǒng)疾病的預(yù)防和控制帶來了新的挑戰(zhàn)［2］。在城市地區(qū)，尤其是人口密集的高層住宅建筑中，攜帶病毒的氣溶膠污染物在不同樓層間的擴(kuò)散、傳播很難被完全抑制。例如，2013年“非典”時期，香港某高層居民樓爆發(fā)了疫情的跨樓層傳播，之后調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，病毒氣溶膠是通過洗手間與下水道相連的地漏進(jìn)行跨樓層傳播的［3］。

氣溶膠污染物肉眼不可見，如何精準(zhǔn)掌握及判斷其傳播路徑，對于呼吸系統(tǒng)疾病的預(yù)防具有重要意義。現(xiàn)場模擬實驗、風(fēng)洞縮尺實驗及計算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬是研究預(yù)測污染物傳播及擴(kuò)散分布特性的主要手段［4-6］。例如，Cui 等［7］建立多尺度擴(kuò)散的數(shù)值模型，研究在水平來流與熱浮升力共同作用下（理查德森數(shù) Ri 從0到 4.77），污染物經(jīng)由社區(qū)、街道尺度進(jìn)入室內(nèi)，對室內(nèi)空氣質(zhì)量產(chǎn)生的不利影響；利用風(fēng)洞實測結(jié)果對所建立的多尺度擴(kuò)散模型進(jìn)行充分驗證，以獲得不同 Ri 下的模型參數(shù)。Shi 等［8］采用風(fēng)洞實驗和 CFD 數(shù)值模擬方法研究單輛機動車在不同風(fēng)速下產(chǎn)生的交通污染物的擴(kuò)散，得到車輛周圍污染物濃度的時空分布。 Yang 等［9］利用 RANS 和 LES 兩種模型對相同工況下自然通風(fēng)干式冷卻塔帶煙氣噴射中污染物擴(kuò)散進(jìn)行了模擬，并比較兩種方法涉及的方程和流場特性，分析了污染擴(kuò)散特性的差異。黃遠(yuǎn)東等［10］通過數(shù)值模擬探究不同湍流模型（standard k?ε模型和 Realizable k?ε模型）及不同湍流施密特數(shù) Sct 對街道峽谷內(nèi)污染物擴(kuò)散的影響。黃遠(yuǎn)東等［11］還研究了在壁面綠化影響下，不同壁面受熱模式和葉面積密度對淺型街道峽谷內(nèi)污染物擴(kuò)散的影響，結(jié)果表明：壁面受熱會影響街道峽谷內(nèi)的氣流流動結(jié)構(gòu)，從而影響污染物擴(kuò)散路徑，且不同程度的壁面綠化會降低街道峽谷內(nèi)的平均溫度和臭氧消耗率。

上述研究表明，數(shù)值模擬方法在研究不同尺度流動、傳熱與傳質(zhì)特性方面發(fā)揮著越來越大的作用，特別是在不同情境下研究大氣污染物擴(kuò)散方面的應(yīng)用方面。相比于傳統(tǒng)的場地實測和風(fēng)洞實驗，數(shù)值模擬方法具有低成本，快速獲得數(shù)據(jù)，可設(shè)置復(fù)雜邊界條件的優(yōu)勢。本文借助經(jīng)風(fēng)洞實驗驗證的數(shù)值模型，研究在不同強度建筑熱羽流影響下，氣溶膠污染物在6層居民建筑立面不同樓層的擴(kuò)散分布特性。

1 實驗方法

1.1 物理模型及風(fēng)洞實驗

建筑模型平面和立面圖如圖1所示，圖中：W1為建筑模型中單個房間寬度；H 為建筑模型高度；L 、W 分別為建筑模型總長度和總寬度。太陽輻射力和水平來流慣性力的共同作用，會對建筑立面流場、氣溶膠污染物擴(kuò)散分布及跨樓層傳播產(chǎn)生重要影響。本文以呼吸過程排放的CO2作為污染源，研究在不同強度建筑熱羽流影響下，污染物分別從低層（1樓）和中層（3樓）的敞開式陽臺釋放后，在建筑立面擴(kuò)散分布及跨樓層傳遞特性。

風(fēng)洞實驗在上海理工大學(xué)環(huán)境風(fēng)洞實驗室進(jìn)行，風(fēng)洞實驗段尺寸（高、寬、長）為1.8 m×3.5m ×35 m。風(fēng)洞實驗?zāi)Ｐ腿鐖D2所示，模型縮尺比為1：30，迎風(fēng)建筑模型為高度 h、寬度 w、長度 l 依次為60、13.3、16.7 cm 的6層居民建筑。本研究中只考慮單側(cè)自然通風(fēng)。根據(jù)人體呼吸區(qū)位置確定氣溶膠污染源位置，采用性能穩(wěn)定、高靈敏度、無毒的 SF6作為示蹤氣體模擬氣溶膠污染物，并將其在底層室內(nèi)以恒定流量釋放。建筑模型迎風(fēng)面設(shè)置恒溫加熱膜，加熱溫度最高可達(dá)200℃， 精度為1℃， 用來模擬由太陽輻射導(dǎo)致的壁面升溫所引起的熱浮升流。

采用理查德森數(shù) Ri 表示來流慣性力與壁面熱浮升力的比值，其表達(dá)式為

Ri = = gav （TUH2（w一）Tref）H"" （1）

式中： Gr為格拉曉夫數(shù)；Re 為雷諾數(shù)；g 為重力加速度， m · s一2； av 為體積膨脹系數(shù)， K?1； Tw 為壁面溫度， K； Tref為參考溫度，值為283 K ；建筑高度 H=18 m ； UH為 H 處參考速度， m · s一1。

如果理查德森數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，則表明浮力在流量中所起的作用不重要；如果它大于1，則表明浮力起主導(dǎo)作用（在這種意義上，動能不足以使流體均勻化）。本文考慮8種 Ri 工況，全尺度下工況及參數(shù)如表1所示，其中ΔT為溫差，K。

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)，室內(nèi)外氣流流動、傳熱和污染物擴(kuò)散的控制方程分別描述為

不可壓縮連續(xù)性方程

動量方程

能量方程

組分輸運方程

式中： ui為待解時均速度，m · s-1； uj為速度矢量， m · s-1； 為密度， kg · m-3； p 為壓力，Pa；gi 為重力加速度在 xi 方向的分量， m · s?2；μ、μt 分別為分子黏度和湍流黏度， Pa· s； T 為溫度， K； Pr 為普朗特數(shù)； Pr t為湍流普朗特數(shù)，值為0.85； ST為熱源項，W·m-3· s-1；ci為污染物質(zhì)量濃度，kg · m-3；Di;m 為污染物的分子擴(kuò)散系數(shù)， m2· s-1；Sct 為湍流施密特數(shù)，值為0.7［11］；Sc 為污染源項， kg · m-3· s-1。

采用 RNG k -ε湍流模型，其由 Yakhot 等［12］提出的 k（湍流動能）和ε（k 的耗散率）方程組成。采用 Boussinesq 假設(shè)處理由溫度引起空氣密度的改變，模型中除了動量方程中浮力項中密度 = 0（1-βΔT）（0為環(huán)境空氣密度， kg ·m?3；β為熱膨脹系數(shù)，K?1），其余方程中的密度均視為常數(shù)。

1.2.2 計算設(shè)置

本文模型的網(wǎng)格劃分采用 GAMBIT 2.4.6軟件，計算求解采用 ANSYS FLUENT 14.5軟件。數(shù)值模型的計算區(qū)域及邊界條件如圖3所示。計算區(qū)域入口為速度入口邊界，距離建筑迎風(fēng)面15H；左、右側(cè)面及頂面為對稱邊界，均距離建筑側(cè)面和頂面5H；出口為自由出流邊界，距離建筑背面5H。采用非一致的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計算區(qū)域進(jìn)行離散，其中建筑陽臺污染源所在位置網(wǎng)格最密，越往周邊網(wǎng)格越稀疏。經(jīng)過網(wǎng)格獨立性分析，最終確定獨立網(wǎng)格數(shù)量為360萬，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

1.3模型驗證

圖5中比較了三類 k?ε湍流模型在 Ri=0.09（?T=24.5℃）、x = l/2時無量綱濃度 K 沿?zé)o量綱高度 z/h 的分布，且與風(fēng)洞實驗結(jié)果進(jìn)行了比較。無量綱濃度 K 表達(dá)式為

式中： Cr為測得的污染物體積分?jǐn)?shù)； Ce 為污染物排放體積分?jǐn)?shù)，為3：5x 105；Q 為污染物排放速率，為5：8x 10一5m3· s一1； Uh 為縮尺模型 h 處參考速度， m · s?1。

經(jīng)對比可知： RNG 模型對風(fēng)洞實驗污染物濃度的模擬結(jié)果與風(fēng)洞實驗結(jié)果的吻合程度優(yōu)于其他兩種湍流模型。因此，在以下研究中采用 RNG k?ε模型模擬風(fēng)洞內(nèi)建筑周圍流動與污染物擴(kuò)散。

2 結(jié)果及討論

2.1 不同 Ri 下建筑迎風(fēng)面壓力分布

圖6為不同 Ri 下建筑迎風(fēng)面壓力分布云圖。由圖中可知，當(dāng) Ri lt;2.28時，建筑物迎風(fēng)面3樓以上為正壓區(qū)，3樓以下為負(fù)壓區(qū)，并且此時水平來流慣性力作用占主導(dǎo)，3樓以上正壓絕對值及范圍隨 Ri 的增加略有增大；當(dāng) Ri≥2.28時，建筑迎風(fēng)面壓力分布發(fā)生顯著變化，說明壁面熱浮升力的作用難以忽略，雖然迎風(fēng)面正壓區(qū)范圍增大，但絕對值明顯減小。建筑表面風(fēng)壓的正負(fù)可以用來判別污染物擴(kuò)散聚集的風(fēng)險，負(fù)壓表面容易聚集污染物，正壓表面則有利于污染物的擴(kuò)散傳播。

當(dāng) Ri lt;2.28，即 Ri 較小時，此時迎風(fēng)面3樓處于正、負(fù)壓交界面，若污染源位于3樓陽臺，污染物具有向下擴(kuò)散的風(fēng)險，但對頂部樓層幾乎不會造成影響，這從圖6中可以明顯看出。當(dāng) Ri≥2.28時，建筑迎風(fēng)面約2/3樓層均處于正壓區(qū)，僅有兩側(cè)底部樓層處于負(fù)壓區(qū)，熱浮升力作用不能忽略，并且隨著 Ri 的增加，熱浮升力作用加強。此時，若污染源位于3樓陽臺，可能會導(dǎo)致污染物被正壓氣流沖出，污染物擴(kuò)散和影響范圍更復(fù)雜，且與氣流的方向和大小有關(guān)。當(dāng)來流撞擊建筑物正面時，正面壓力較大，且壓力在三維空間中沿來流風(fēng)向遞增。當(dāng) Ri ≤2.28時，垂直方向壓力在4樓到5樓之間最大；當(dāng)Ri gt;2.28時，垂直方向壓力在3樓至6樓之間最大。正壓絕對值越大表明沖擊氣流風(fēng)速越大，污染物很難在此聚集。

2.2 不同 Ri 下建筑迎風(fēng)面 Z方向速度 Vz 分布

圖7為不同 Ri 下建筑迎風(fēng)面 Z 方向速度Vz 分布。經(jīng)對比可知，隨著 Ri 的增大，即來流慣性力不變，迎風(fēng)面產(chǎn)生豎直向上的熱浮升力作用逐漸增大。當(dāng) Ri lt;2.28時，熱浮升力作用可以忽略，迎風(fēng)面的空氣速度分布具有對稱性且小于0，在1樓至3樓之間，空氣速度相對較低，污染物具有向下擴(kuò)散風(fēng)險，在建筑頂部近壁區(qū)域空氣速度達(dá)到最大。當(dāng) Ri≥2.28時，迎風(fēng)面Z 方向速度開始大于0，污染物擴(kuò)散速度與 Ri lt;2.28時形成鮮明對比，開始只是在5樓至6樓之間速度增大，隨著 Ri 的增大，污染物擴(kuò)散速度逐漸加快。隨著 Ri 的增大迎風(fēng)面 Z 方向速度增大，表明污染物向上擴(kuò)散的風(fēng)險增大。

2.3 污染源位于迎風(fēng)面1樓時不同 Ri 下污染物跨樓層擴(kuò)散特性

圖8為污染源位于迎風(fēng)面1樓時不同 Ri 下

建筑迎風(fēng)面污染物擴(kuò)散分布模擬結(jié)果。從圖中可知：當(dāng) Ri lt;2.28時，污染源從源層開始向下而不向上傳輸，且水平擴(kuò)散微弱；當(dāng) Ri≥2.28時，隨著 Ri 的增大，底層和近地面污染物逐漸沿迎風(fēng)面熱浮力作用方向左上高樓層及室內(nèi)擴(kuò)散傳遞。

結(jié)合圖8中污染物分布特點，可將不同Ri 下污染物室內(nèi)外分布特點分為3個階段。當(dāng)Ri lt;2.28時，水平來流慣性力占絕對優(yōu)勢，建筑迎風(fēng)面熱浮升力產(chǎn)生的抬力作用不明顯，可忽略，下行氣流致使污染物在1樓及近地面聚集，并隨左側(cè)外圍氣流向建筑左側(cè)擴(kuò)散，幾乎不會對2樓及以上樓層產(chǎn)生影響。當(dāng) Ri =2.28時，水平方向來流慣性力相對減弱，建筑迎風(fēng)面熱浮升力開始發(fā)揮作用，致使1樓釋放的污染物沿壁面開始影響左上樓層。當(dāng) Ri gt;2.28，迎風(fēng)面熱浮升力作用越來越明顯，1樓釋放的污染物已經(jīng)可以影響到左上3樓；隨著 Ri 繼續(xù)增大至14.94，1樓釋放的污染物會影響左上所有樓層，且影響范圍幾乎不再隨著 Ri 的增大而變化，表明熱浮升力對污染物擴(kuò)散的影響已占主導(dǎo)。

2.4 污染源位于迎風(fēng)面3樓時不同 Ri 下污染物跨樓層擴(kuò)散特性

圖9為污染源位于迎風(fēng)面3樓時不同 Ri 下建筑迎風(fēng)面的污染物擴(kuò)散分布云圖。從圖中可知：當(dāng) Ri lt;2.28時，污染物從3樓釋放后沿壁面向左下樓層擴(kuò)散；當(dāng) Ri≥2.28時，隨著 Ri 的增大，污染物在迎風(fēng)面垂直方向的影響范圍逐漸擴(kuò)大，并且污染物在豎直方向的擴(kuò)散強度大于水平方向。

結(jié)合圖9中污染物的分布特點，可將不同 Ri 下污染物室內(nèi)外分布特點分為2個階段。當(dāng)Ri lt;2.28時，污染物從源層開始向下傳輸而不會對3樓以上樓層產(chǎn)生影響，污染物向3樓左下近地面聚集，此時水平來流慣性力占主導(dǎo)，垂直方向的擴(kuò)散受到抑制，并且產(chǎn)生傾斜傳輸，從而增加了交叉污染的風(fēng)險，與源層單元相鄰的下部單元受污染風(fēng)險較高。與之相反，當(dāng) Ri≥2.28時，受來流慣性力和熱浮升力的共同作用，污染物在迎風(fēng)面既有向上傳輸又有向下擴(kuò)散，隨著 Ri 的增大，污染物在迎風(fēng)面垂直方向的影響范圍逐漸擴(kuò)大。當(dāng) Ri gt;2.28時，建筑迎風(fēng)面熱浮升力作用不能忽略，并且隨著 Ri 的增大逐漸占主導(dǎo)，底部樓層污染物釋放后，逐漸隨迎風(fēng)面增強的抬升氣流向上擴(kuò)散傳遞，進(jìn)入頂部樓層室內(nèi)；并且隨著 Ri 的繼續(xù)增大，污染物在迎風(fēng)面豎直方向的擴(kuò)散強度逐漸大于水平方向，表明熱浮升力作用逐漸占主導(dǎo)。

3 結(jié) 論

（1）對于迎風(fēng)面壓力分布：若壓力為負(fù)壓，在負(fù)壓樓層中釋放的污染物容易在負(fù)壓區(qū)進(jìn)行聚集，并向下擴(kuò)散；若壓力為正壓，污染物擴(kuò)散將會比較復(fù)雜，擴(kuò)散方向也會因壓力大小而異。

（2）對于迎風(fēng)面 Z 方向速度分布：當(dāng) Ri lt;2.28時，迎風(fēng)面 Z 方向速度小于0，污染物擴(kuò)散后會向下傳輸；當(dāng) Ri≥2.28時，迎風(fēng)面 Z 方向速度大于0，在1樓釋放的污染物會向上傳輸，在3樓釋放的污染物同時向上、向下傳輸，Z 方向速度越大，擴(kuò)散的影響范圍越大。

（3）對于污染物擴(kuò)散：當(dāng) Ri lt;2.28時，單側(cè)通風(fēng)能力較弱，絕大多數(shù)污染物被限制在源層及其以下樓層，當(dāng)污染源位于1樓時，污染物主要在迎風(fēng)面近地面聚集，不會對高層產(chǎn)生影響，當(dāng)污染源在3樓時，主要影響3樓左下樓層；當(dāng) Ri≥2.28時，隨著 Ri 的增大，沿迎風(fēng)面垂直向上的熱浮升力作用逐漸增強，此時將引起嚴(yán)重的污染物跨樓層傳播風(fēng)險。

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