暖通專(zhuān)業(yè)畢業(yè)論文

應(yīng)用數(shù)值模擬研究室內(nèi)空氣

污染控制答辯人：趙慧玲

指導(dǎo)老師：杜震宇第一部分研究背景及研究現(xiàn)狀介紹

人的一生大約有80%的時(shí)間是在室內(nèi)度過(guò)的，室內(nèi)環(huán)境對(duì)人們的生活和工作質(zhì)量的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)室外環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì),室內(nèi)環(huán)境污染已經(jīng)引起36%的呼吸道疾病,22%的慢性肺病和15%的氣管炎,支氣管炎。全世界每年有2400萬(wàn)人的死亡與室內(nèi)污染緊密相關(guān)。全球每年因IAQ問(wèn)題造成的病態(tài)建筑綜合癥使生產(chǎn)效率下降了2.8-11%,共計(jì)損失約100-700億美元。北京化學(xué)物質(zhì)鑒定中心報(bào)道,北京市每年由建材引起的污染中毒人數(shù)達(dá)萬(wàn)人。在我國(guó),由于新建建筑多、裝修量大,兼之建筑裝飾裝修材料市場(chǎng)不規(guī)范,產(chǎn)品魚(yú)龍混雜,IAQ問(wèn)題較發(fā)達(dá)國(guó)家嚴(yán)重得多。近年來(lái)，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到室內(nèi)空氣品質(zhì)問(wèn)題的重要性與迫切性，室內(nèi)空氣品質(zhì)問(wèn)題也成為當(dāng)前建筑環(huán)境領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。室內(nèi)空氣污染源散發(fā)特性

室內(nèi)空氣污染包括物理性污染、化學(xué)性污染、生物性污染。其中化學(xué)性污染是指由化合物和懸浮顆粒物等引起的污染，室內(nèi)空氣污染主要是人為污染，其中以化學(xué)性污染最為突出，本論文主要討論由化學(xué)性污染引起的IAQ問(wèn)題。化學(xué)性污染物主要以分子狀態(tài)存在，包括無(wú)機(jī)化合物、有機(jī)化合物及放射性物質(zhì)等，這些室內(nèi)空氣污染物主要來(lái)源于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其表層材料。本論文中污染物研究對(duì)象甲醛就是一種具有代表性的有機(jī)化合污染物，co2是室內(nèi)普遍存在的無(wú)機(jī)化合污染物。室內(nèi)空氣污染物普遍具有污染物濃度低，持續(xù)散發(fā)的特性，一些污染物的散發(fā)甚至持續(xù)幾年至數(shù)十年。污染物控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前污染物的控制技術(shù)主要有活性炭吸附法、光催化法、等離子體放電、植物凈化等方法。1.活性炭吸附法活性炭吸附是最常用的一種降低室內(nèi)空氣污染的技術(shù)，目前市場(chǎng)中的空調(diào)、空氣凈化器里的吸附過(guò)濾層大多都是活性炭。但吸附劑的吸附性能隨環(huán)境溫度、壓力、濕度的改變存在不穩(wěn)定性，吸附量難以確定，并且一旦達(dá)到吸附平衡時(shí)，就不再具有吸附能力，必須更換吸附劑，否則不但失去凈化作用還會(huì)成為污染源造成二次污染。2.光催化法納米TiO2光催化技術(shù)，也稱(chēng)光觸媒技術(shù)。但研究發(fā)現(xiàn)對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物的光催化會(huì)產(chǎn)生有害的副產(chǎn)物如CO和O3，反應(yīng)的最終產(chǎn)物不穩(wěn)定。3.等離子體放電等離子體化學(xué)是一門(mén)涉及多個(gè)學(xué)科的交叉學(xué)科，包括高能物理、放電物理、放電化學(xué)、反應(yīng)工程學(xué)以及高壓脈沖技術(shù)等。80年代等離子體技術(shù)主要應(yīng)用于煙氣脫硫和脫硝等大氣污染控制方面。近幾年等離子體凈化空氣的研究也是熱點(diǎn)。4.植物凈化某些植物能去除多種空氣污染物,提高空氣質(zhì)量。但對(duì)植物凈化方法的研究還很少。5.通風(fēng)改善室內(nèi)空氣品質(zhì)

針對(duì)室內(nèi)污染的復(fù)雜性，在客廳與臥室中經(jīng)濟(jì)、合理的組織自然通風(fēng)、增加機(jī)械通風(fēng)，用室外新鮮空氣來(lái)稀釋室內(nèi)空氣污染物，是最方便快捷地降低室內(nèi)污染物濃度的方法第二部分本文研究?jī)?nèi)容一.研究目的針對(duì)住宅室內(nèi)空氣質(zhì)量差，污染物濃度嚴(yán)重超標(biāo)的現(xiàn)狀，自然通風(fēng)無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求，提出了一種全新的住宅室內(nèi)通風(fēng)方式：這種通風(fēng)方式主要是采用具有能量回收功能的住宅用新風(fēng)換氣機(jī)，可有效地降低室內(nèi)污染物濃度。二.研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容如下：根據(jù)裝修材料污染物散發(fā)過(guò)程的傳質(zhì)機(jī)理,以典型的住宅（內(nèi)設(shè)障礙物、污染源和熱源）為物理模型，針對(duì)沒(méi)有機(jī)械通風(fēng)和具有機(jī)械通風(fēng)兩種情況對(duì)房間內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及污染物濃度場(chǎng)的分布進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)兩種通風(fēng)方式下的模擬結(jié)果進(jìn)行通風(fēng)效果的比較，通過(guò)二氧化碳、甲醛兩種污染物在室內(nèi)的分布情況，揭示通風(fēng)效率對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響。綜合研究計(jì)算結(jié)果，提出利用機(jī)械通風(fēng)對(duì)改善住宅室內(nèi)的污染物濃度的作用，為室內(nèi)空氣品質(zhì)的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供建議。第三部分新風(fēng)換氣機(jī)介紹新風(fēng)換氣機(jī)結(jié)構(gòu)圖熱量回收概念一、夏季示意圖二、冬季示意圖第四部分?jǐn)?shù)值模擬的理論及方法建立數(shù)學(xué)模型及確定求解方法是CFD包含的主要環(huán)節(jié):本文采用三維非穩(wěn)態(tài)湍流，常物性，強(qiáng)制對(duì)流模型對(duì)物理模型進(jìn)行數(shù)值模擬?？刂品匠贪ǎ哼B續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍流動(dòng)能k方程、耗散率ε方程以及組分濃度控制方程。近壁處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。采用SIMPLE算法進(jìn)行差分方程的求解。SIMPLE算法(包括各種改進(jìn)方案)是不可壓縮流體的N－S方程數(shù)值求解中廣泛應(yīng)用的算法，并且已被成功地應(yīng)用于壓縮流體流場(chǎng)地?cái)?shù)值計(jì)算中。

第五部分模擬實(shí)施及結(jié)果分析用FLUENT程序求解問(wèn)題的步驟如下：（1）確定幾何形狀，生成計(jì)算網(wǎng)格（網(wǎng)格生成可以用GAMBIT生成網(wǎng)格，也可以讀入其它指定程序生成的網(wǎng)格）。（2）選擇2D或3D來(lái)模擬計(jì)算。（3）輸入網(wǎng)格。（4）檢查網(wǎng)格。（5）選擇解法器。（6）選擇求解的方程：層流或湍流（或無(wú)粘流），化學(xué)組分或化學(xué)反應(yīng)，傳熱模型等。確定其它需要的模型如：風(fēng)扇、熱交換器、多孔介質(zhì)等模型。一、FLUENT介紹（7）確定流體物性。（8）指定邊界條件。（9）設(shè)置計(jì)算控制參數(shù)。（10）流場(chǎng)初始化。（11）計(jì)算。（12）檢查結(jié)果。（13）保存結(jié)果，后處理等。二、物理模型三、模型的簡(jiǎn)化假設(shè)（1）連續(xù)性的介質(zhì)（2）定常的流場(chǎng)（3）不可壓縮的空氣（4）墻壁，天花板和地板的假設(shè)四、邊界條件設(shè)定表5-1主要的邊界類(lèi)型設(shè)定Table5-1Themaintesttypesandtheboundaryvalue邊界名稱(chēng)邊界類(lèi)型邊界設(shè)置送風(fēng)口速度入口(velocity-inlet)送風(fēng)速度1.5m/s及溫度288K回風(fēng)口流出口(outflow)門(mén)流出口(outflow)地板壁面(wall)定溫300K南墻壁面(wall)定溫285K北墻壁面(wall)絕熱西墻壁面(wall)絕熱東墻壁面(wall)絕熱天花板壁面(wall)絕熱人壁面(wall)定溫310K電腦壁面(wall)定溫310K燈壁面(wall)定溫310K書(shū)柜及書(shū)桌正面污染物（甲醛）入口釋放量CO2污染物（CO2）入口釋放量流場(chǎng)初始溫度初始化293K五、計(jì)算條件

模型計(jì)算主要是以太原地區(qū)冬季氣象資料為參考條件，室內(nèi)為地板輻射采暖，室內(nèi)初始溫度設(shè)定為18℃，相對(duì)濕度均為40％，機(jī)械送風(fēng)速度取1.5m/s，排風(fēng)速度1.4m/s左右（模型設(shè)計(jì)邊界條件為流體出口）。假設(shè)房間內(nèi)存在污染源CO2（室內(nèi)人員的呼吸），其釋放量為1.3E-5kg/s（按每人14L/h計(jì)算）；甲醛CH2O（衣柜正面及書(shū)桌正面釋放），其釋放量為1.8E-11Kg/s。計(jì)算采用紊流模型中的“重整化群”（RNG）模型，彼此之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的多重組分（Specie）模型。五、速度場(chǎng)模擬結(jié)果及分析x=1.5m速度場(chǎng)分布圖（A）y=1.5m速度場(chǎng)分布圖（A）x=1.5m速度場(chǎng)分布圖（B）圖4-16z=1.2m速度場(chǎng)分布圖（B）以上所示速度場(chǎng)分布圖截面分別取自房間的對(duì)稱(chēng)面、送風(fēng)口、排風(fēng)口以及人員活動(dòng)的呼吸面。從圖中可以看出在有換氣機(jī)和無(wú)換氣機(jī)兩種情況下，房間內(nèi)的主要區(qū)域速度都小于0.2m/s，都達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明機(jī)械送風(fēng)對(duì)房間內(nèi)的速度場(chǎng)影響不大，房間內(nèi)人員活動(dòng)也不會(huì)有吹風(fēng)感。從圖4-11、圖4-12可以看出房間內(nèi)部分區(qū)域存在漩渦，原因和室內(nèi)送、排風(fēng)口的布置以及家具的擺放位置有關(guān)，送、排風(fēng)口的布置對(duì)室內(nèi)的氣流組織有很大影響；同時(shí)，模擬時(shí)排風(fēng)口的邊界類(lèi)型為outflow，如果有試驗(yàn)數(shù)據(jù)可將排風(fēng)口設(shè)為壓力出口，模擬結(jié)果將更接近實(shí)際的流場(chǎng)。由速度場(chǎng)的模擬結(jié)果來(lái)看，設(shè)新風(fēng)換氣機(jī)對(duì)室內(nèi)速度場(chǎng)的影響較小，比較理想z=1.2m溫度場(chǎng)分布圖（A）五、溫度場(chǎng)模擬結(jié)果及分析z=1.2m溫度場(chǎng)分布圖（B）圖中溫度場(chǎng)分布圖分別截取自房間的縱向?qū)ΨQ(chēng)面（x=1.5m，y=1.5m），以及人員的呼吸面（z=1.2m）?？梢钥闯鰞煞N情況下，室內(nèi)的溫度場(chǎng)都達(dá)到了設(shè)計(jì)溫度290K。比較圖4-19與圖4-22可以看出，在z=1.2m平面上，兩種條件下的室內(nèi)溫度相差4~5℃，設(shè)新風(fēng)換氣機(jī)條件下室內(nèi)溫度偏低，這是因?yàn)槟M的條件是冬季，新風(fēng)換氣機(jī)的熱交換器效率并不是100%。圖4-18、4-20、4-21、4-22中顯示出溫度場(chǎng)存在局部高溫的情況，這是因?yàn)楸疚哪M的是穩(wěn)態(tài)情況，室內(nèi)熱源的邊界設(shè)定是給定熱源溫度，使得溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果與實(shí)際有了偏差。由設(shè)新風(fēng)換氣機(jī)條件下溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果可以看出，新風(fēng)換氣機(jī)在為室內(nèi)連續(xù)微量的送入新風(fēng)的同時(shí)，也有效的回收了能量，同時(shí)室內(nèi)的溫度場(chǎng)分布也比較均勻。五、濃度場(chǎng)模擬結(jié)果及分析x=1.5m甲醛濃度場(chǎng)分布圖（A）z=1.2m甲醛濃度場(chǎng)分布圖（A）x=1.5m甲醛濃度場(chǎng)分布圖（B）z=1.2m甲醛濃度場(chǎng)分布圖（B）z=1.2mCO2濃度場(chǎng)分布圖（A）z=1.2mCO2濃度場(chǎng)分布圖（B）分析以上各圖可以看出，隨氣流方向，甲醛濃度分布變化較大，存在較高的濃度梯度，而在室內(nèi)的一些區(qū)域內(nèi)，濃度幾乎沒(méi)有變化。圖中存在個(gè)別渦旋區(qū)的濃度較高的現(xiàn)象，這和室內(nèi)的氣流組織有關(guān)，因此優(yōu)化送、排風(fēng)口的布置，可減少渦旋區(qū)的產(chǎn)生，降低局部區(qū)域的濃度。同時(shí)，邊界條件設(shè)置的污染入口附近也存在高濃度甲醛的分布，這是因?yàn)槟M中設(shè)定的甲醛釋放面較小，而實(shí)際情況下甲醛的揮發(fā)面大。對(duì)兩種條件下模擬結(jié)果進(jìn)行總體分析，可以看出設(shè)新風(fēng)換氣機(jī)條件下室內(nèi)甲醛濃度明顯降低，主要區(qū)域均達(dá)到了《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》要求的0.1mg/m3，局部高濃度僅存在房間的死區(qū)，人的呼吸面濃度很低；而同等條件下無(wú)機(jī)械通風(fēng)時(shí)，室內(nèi)甲醛濃度嚴(yán)重超標(biāo)，冬季北方開(kāi)窗較冷，且開(kāi)窗熱量損失大，因此自然通風(fēng)不能起到降低污染物濃度的作用，長(zhǎng)期在高濃度污染物的環(huán)境里生活，將嚴(yán)重影響健康。CO2的分布情況和甲醛的分布情況有很多相似的地方，都是隨著氣流的方向濃度分布變化比較大，呈現(xiàn)一定的濃度分布梯度。污染物較高的地方多集中在容易產(chǎn)生氣流“死角”和漩渦較大的地方。由圖示可以看出在污染源揮發(fā)面處的濃度較高，主要原因是CO2污染源比較集中，且揮發(fā)面面積相對(duì)較小造成的。在其他條件同等的情況下，設(shè)新風(fēng)換氣機(jī)時(shí)室內(nèi)的CO2濃度明顯的減少，其平均濃度小于規(guī)定的0.1％，滿(mǎn)足室內(nèi)CO2濃度分布要求。無(wú)機(jī)械通風(fēng)情況下，室內(nèi)的污染物濃度普遍較高，嚴(yán)重超標(biāo)，尤其是人員的呼吸面空氣品質(zhì)很差。第六部分進(jìn)一步的工作建議數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果雖然與實(shí)際符合程度很高，但是模擬過(guò)程中，仍有一些需要改進(jìn)的地方：（1）空調(diào)通風(fēng)房間實(shí)際的送風(fēng)口幾何形狀很復(fù)雜，其入流邊界條件很難描述。目前主要采用間接描述的盒子類(lèi)風(fēng)口模型和直接描述類(lèi)風(fēng)口模型來(lái)簡(jiǎn)化描述復(fù)雜的