双区域内离散污染源的模拟及分析

第２５卷第６期　２００６年ｌ２月　建筑热能通风空调　

Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｅｎｅｒｇｙ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｖｎ１．２５　Ｎｏ，６　

Ｄｅ（　，２００６．９２—９６　

文章编号：１００３．０３４４（２００６　Ｊ０６．０９２．５　

双区域内离散污染源的模拟及分析　邓权威　（河南理Ｔ大学安全科学与工程学院）　

摘要：为研究污染源对非污染源区域的影响，具体考虑室内污染源、室外污染物浓度以及室内与室外通风方式　的作用，对双区域内一般离散气态污染物在室内的浓度水平进行模拟和分析。通过对污染源的研究表明：室内污　染源浓度的成倍增加会导致两个区域平均浓度均成倍增加，并且　域平均浓度是区域本身浓度与室外浓度的叠　加值。通过埘通风方式的研究表明：在污染源区域设置排气扇是有效的排污方法，有利于改善室内人居环境。　关键词：双区域室内空气环境离散污染源　

Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｄｉｓｃｒｅｔｅ　Ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔ　Ｓｏｕｒｃｅ　ｉｎ　Ｔｗｏ－ｚｏｎｅｓ　Ｄｅｎｇ　Ｑｕａｎｗｅｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｈｅｎａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｚｏｎｅ　ｗｉｔｈ　ｎｏ　ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔ　ｓｏｕｒｃｅ．ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ａｉｒ　ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔ　ｉｎ　ｔｗｏ　ｚｏｎｅｓ　ａｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ　ｍａｉｎ　ａａｅｎｔｉｏｎ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｆｏｃｕｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｄｏｏｒ　ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔ　ｓｏｕｒｃｅ，ｔｈｅ　ｏｕｔｄｏｏｒ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｏｕｔｄｏｏｒ　ａｎｄ　ｉｎｄｏｏｒ．Ｉｔ　ｉＳ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔｓ　ｗｉｌｌ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｏｕｔｄｏｏｒ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖａｌｕｅｓ　ａｒｅ　ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｄｏｏｒ　ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｕｔｄｏｏｒ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．Ｉｔ　ｉＳ　ａｌｓｏ　ｆｏｕｎｄｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｆａｎ　ｓｉｔｕａｔｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｚｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｉｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｔｏ　ｒｅｍｏｖｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔ　ｏｕｔ　ｏｆ　ｔｗｏ．ｚｏｎｅｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｗｏ—ｚｏｎｅｓ，ｉｎｄｏｏｒ　ａｉｒ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔ　ｓｏｕｒｃｅ　

０　引言　人们８Ｏ％以上的时间在室内度过，室内空气品质　（Ｉｎｄｏｏｒ　ａｉｒ　ｑｕａｌｉｔｙ）对人们的舒适、健康和工作效率有　重要影响。近年来，一方面由于节能的需要，建筑的密　闭性加强，而新风量逐渐减少，另一方面室内污染源　逐渐增多，这些都使得室内空气品质１３益恶化，引起　了拳内人们的一些不适症状．包括头疼、困乏、眩晕、　精神难以集中等，上述症状被称为病态建筑综合癌　（Ｓｉｃｋ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｓｙｎｄｒｏｍｅ　ｏ　作为室内污染源的一种重要形式——离散污染　源，大部分　［作　堵Ｂ是采用数值模拟的方法进行研究　

的。但是这些工作基本上是以单区域室内污染物为研　究目标，较少考虑多区域室内污染物的浓度分布。一　些多区域模型［６－－８］被建立，但又很少考虑到室内的离散　污染源。而建筑物往往都是多区域通过门、窗相连的。　作者以双区域为突破口，考虑室内污染非对称的特　点，重点研究污染区对非污染区的影响。　以往的ＣＦＤ模拟较多地研究了室内速度、温度与　浓度分布，但人们在大多情况下都不需要了解窜内环　境中详细的微观数据分布。由于室内人们的流动性强　和室内人们的离散分布，人们更为关心的是室内污染　物的平均浓度。当旁边有污染源区域时，人们迫切的　想知道该污染源是否会对本身工作或居住的区域产　

收稿日期：２００６．５　５　作者简介：邓权威（１９７９￣），男，硕士；河南理Ｔ大学安全科学与丁程　：院（４５４０１０）；Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｗｄｅｎｇ＠１２６　ｃｏｍ　

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２５卷第６期　邓权威：双区域内离散污染源的模拟及分析　生影响。因而以区域平均浓度来衡量非对称双区域离　散污染源的状况更具重要意义。　本文从控制方程出发，系统地模拟了双区域内离　散污染源的区域浓度分布，并对影响区域平均浓度的　几个影响　素，包括室内污染源、室外污染物浓度以　及通风方式，进行了分析和讨论。　

１　物理模型　本章的物理模　如图１所示，二维矩形空腔包括　两个区域（ｚｏｎｅ），两个区域的面积相等，不同的是　ｚｏｎｅｌ有离散污染源而ｚｏｎｅ２没有污染源。每个区域的　纵横比均为１，污染源的尺寸为高的２５％，两区域相连　的开口尺寸为高的２０％，进　口尺寸均为高的ｌ０％。　该物理模型考虑了两种方向相反的通风方式：左进右　出和右进左出。计算网格采川的是非均匀网格，在污　染源、近擘面以及进出口对网格进行了加密处理，总　的网格数为１０４ｘ６０。　（ａ）通风　式：左进右出　（ｂ）通风方式：右进左出　（ｃ）计算网格　图１　双区域离散污染源的物理模型　２　数学模型　２．１控制方程　为了简化问题，模型基于以下几点假设：①离散污　染源散发的为气态污染物；②污染物的密度比夺气小，　则浓度小，混合物的密度等于空气的密度；③污染物的　浓度差产生的浮升力忽略不计；④混合气体的流动为　二维、稳态、层流、不可压缩。基于上述四点假设，空腔　内流体的流动与传质的控制方程如下所示：　连续性方程　＋ｄｖ：０１．１　（１）　——十——　、ｌ　

动量方程　）十　）＿＿吉罢＋　（　＋雾］　

）＋　）＿＿　考＋　（　芬］㈩　浓度方程　）＋　）＝。（　＋　］　㈩　Ｃ悦　ｄｙ　＼０　一　Ｖ—Ｊ　

２．２边界条件　数学模型的边界条件如下：进口：Ｕ＝Ｕ　，ｖ＝０，和　￣－－Ｃｉ　；出口：Ｕ＝Ｕ　，ｖ＝Ｏ，和　｜，　；绝质壁面：ｕ＝ｖ＝０，　。　；壁面污染源：ｕ＝ｖ＝０，Ｃ＝Ｃ　。　

２．３结果描述　离散污染源在室内的含量川体积平均浓度来表　示：　１　．　ｃ　＝　Ｉｃ　ｄｓ　（５）　

’　ｓ　Ｊ　

２．４数值求解　上述控制方程的求解过程采用基于交错网格的　控制容积法进行离散，离散过程中的对流项与扩散项　分别采用３阶的ＱＵＩＣＫ差分格式与二阶的中心差分　格式。每个离散方程都采用逐线迭代的方式求解，每　条迭代线都采川三对角矩阵算法和松弛ｌ＾４子相结合　的方法进行计算。速度与压力之问的耦合采川　ＳＩＭＰＬＥ算法，迭代的最大误差鄙小于１０　。　

３　结果分析与讨论　由方程１到４可知，此方程组只受控制参数（Ｄ，ｖ）　

维普资讯 http://www.cqvip.com 建筑热能通风空调　以及边界条件的影响。考虑到污染物的浓度较小，可　假定它对混合物的粘度　不构成影响，即混合物的粘　度等于空气的粘度。则污染物在空气中的流动与扩散　只与控制参数Ｄ有关。　

３．１质扩散率的影响　在两种或两种以上的流体内部，只要有浓度差的　存在，则每一种组分都有向低浓度方向转移的趋势。　质扩散率表征组分扩散能力的大小，它是一个物性参　数，其值的大小主要取决于混合物的性质、压力与温　度，主要靠实验确定。表１给出＿『一些常见气体或蒸　气的污染物在空气中的质扩散系数。由此表可知，这　些污染物的质扩散率全部集中在５Ｘ１０－６～３Ｘ１０’５之　间，这也是本文质扩散率被讨论的范用。　采用左进右出的通风方式，边界条件同定为　ｖ￣＝１ｍ／ｓ，Ｃｉ￣＝Ｏ，ｃ　一０．Ｏ１。图２给出了等间距扩散系数　下区域１与区域２的平均浓度，曲线旁边的数值表示　等间距扩散系数下平均浓度的增长速率。由图可知：　两个区域的平均浓度都随扩散系数的增大而增大，但　是增长速率随扩散系数的增大而减小。由于两个区域　的体积流量是相等的，故扩散系数的变化对两个区域　平均浓度变化速率的影响是相同的。当扩散系数从　５×ｌ０　增加到３Ｘ１０　时，Ⅸ域１的平均浓度从１３６增　大到５９４，增加了４．４倍，区域２的平均浓度从３１增加　到１３７，也增加了４．４倍。由于区域１的初始浓度大，扩　散系数增加，区域１平均浓度的大小变化比区域２的　浓度变化更剧烈。　

２００６血　倍增加。当污染源浓度从１０ｐｐｍ增加１００００倍时，两　个区域的浓度都将增加１００００倍。根据传质学的原理，　当污染物浓度比较低的时候，其在室内的浓度变化基　本上遵循稀释的原理，因而在空气流量一定的情况下，　污染源的浓度对室内的平均浓度起决定作用。　上述规律在生活中提示人们：当隔壁房间污染物　的浓度较大时，仅仅有通风还是不够的，关闭门窗是比　较好的选择。　

表２室内污染源强度的影响　

Ｄ×１０　（ｍ：／ｓ）　表１　各种气体或蒸气在空气中的质扩散率　

（２ｓ℃。１．０１３２５ｘ　１０５　Ｐａ）　图２质扩散率对区域平均浓度的影响　

３‘２污染源浓度的影响　室内污染物的浓度除了受物性参数Ｄ的影响外，　还主要受以下三个方面的影响：（　室内污染源的影　响，包括污染源的强度、污染源的信号以及污染源的　类型；②室外污染物浓度的影响；③室内与室外的联　系，包括通风方式、过滤等的影响。　仍然采用左进右出的通风方式，边界条件固定为　ｖｉ．＝１ｍ／ｓ，ｃ　Ｏ，Ｃｓ＝Ｏ．Ｏ１。表２给出了室内不同污染源　强度下的区域平均浓度。规律比较明显：当室内污染　源的浓度成倍增加时，两个区域内的平均浓度也将成　

３．３入口速度的影响　考虑入口气流速度的影响，这里结合通风的方式　对其进行研究。同定污染源的质量分数为０．０１，污染源　的质扩散系数为１Ｘ１０。。ｍ２／ｓ。当入口速度为零，也就是　当房问都密闭时，此时污染物在室内扩散只受浓度方　程的影响，当Ｄ＝１０　时，浓度方程的精度达到　２．５Ｘ１０　时，区域１的平均浓度为９９９６．８　ｐｐｍ，区域２　的平均浓度为９９９１－３　ｐｐｍ，也就是说与污染物的初始　浓度大致相等。根据实际情况的需要，本章讨论的入　口速度的范围为０．５　ｍ／ｓ￣６．５　ｍ／ｓ。下面是两种通风方　式时入口速度对区域平均浓度的影响。　３３．１左进右出的通风方式　图３给出了左进右出通风方式下入口速度对两个　区域平均浓度的影响。从图中可以看出：随着入口流