碰撞射流通风房间悬浮颗粒质量浓度分布特性的数值研究

左　滨， 钟　珂， 朱　辉， 亢燕铭

(1. 东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620；2.扬州大学 水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127 )

碰撞射流通风房间悬浮颗粒质量浓度分布特性的数值研究

左滨1,2， 钟珂1， 朱辉1， 亢燕铭1

(1. 东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620；2.扬州大学 水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127 )

采用数值方法研究了碰撞射流通风房间夏季供冷工况下人员行走行为导致的悬浮颗粒物的空间分布，分析了碰撞射流通风房间内的颗粒物质量浓度分布特点，并与其他送风方式下的室内颗粒物质量浓度分布进行了比较. 给出了不同粒径悬浮颗粒对室内呼吸高度平面以及其他重要位置处颗粒物质量浓度的影响.

碰撞射流通风；悬浮粒子；排污效率；呼吸平面；颗粒物质量浓度

碰撞射流通风是一种较新的空调送风方式，自20世纪90年代起逐渐被应用于办公室、博物馆和展览厅等公共建筑空间. 碰撞射流通风系统中，送风气流以较高动量从垂直送风口流向地面，沿地面扩散开的同时其速度逐渐衰减. 夏季供冷工况时，碰撞射流通风与置换通风类似，沿地面扩散开的冷空气在地面形成“空气湖”，并在热浮力的作用下沿房间高度方向形成热力分层，因而具有空气品质好和节能的优点；冬季供热工况时，由于碰撞射流通风的送风动量较高，热风与室内空气自房间下部区域开始充分混合，从而克服了置换通风用于供热工况时的缺陷. 因此，碰撞射流通风被认为是同时具有置换通风和混合通风优点的通风方式[1-2]. 但由于碰撞射流通风的送风气流以较高动量直接撞击地面，故送风气流引起已沉积颗粒物再悬浮的风险显然将大于其他通风方式.

人员在室内的行走和其他行为都会引起颗粒物的再悬浮[3-5]. 文献[6]通过对办公室内人员各类行为引起颗粒物再悬浮的情况进行了实测，结果表明，人员行走造成地面颗粒物的再悬浮对室内空气质量的影响很大. 文献[7]对混合通风不同气流组织下室内颗粒物浓度的分布进行数值模拟，结果也表明气流方式是引起室内粒子浓度分布变化的重要因素. 本文针对夏季供冷工况时的碰撞射流通风方式，对人员行走行为导致的悬浮颗粒物的空间分布进行了数值模拟计算，以分析碰撞射流通风房间的颗粒物质量浓度分布特征，并同时对其他送风方式的颗粒物质量浓度空间分布进行了模拟和比较. 给出典型使用功能空间中不同粒径再悬浮颗粒对室内呼吸平面以及其他关键位置颗粒物质量浓度的影响程度，为降低碰撞射流通风房间颗粒物污染提供理论依据.

1　物理与数学模型

1.1物理模型

以一间尺寸为5.4m×3.6 m× 2.7 m的典型办公室作为研究背景，为比较碰撞射流通风房间的颗粒物质量浓度分布特征与其他送风方式的不同，同时对置换通风、混合通风以及地板送风3种通风房间的流速场、温度场和颗粒物质量浓度场进行数值模拟. 房间内设有4个坐姿的人(0.35 m×0.35 m×1.20 m)和4台电脑(0.25 m×0.50 m×0.50 m). 室内的热源包括：4个人(表面温度29 ℃)、4台电脑(表面温度45 ℃)和一面外墙(x=0平面，表面温度30 ℃)，房间布置和各送风方式的风口布置形式如图1所示.

a—碰撞射流送风口；b—置换通风送风口；c—地板送风送风口；d—碰撞射流、置换通风、地板送风回风口；e—混合通风送风口；f—混合通风回风口；g—室内污染源；灰色柱体—模拟人体；黑色柱体—模拟电脑图1　4种送风方式的风口和房间布置Fig.1　Arrangement of the air inlet for the four supply modes

在实际工程中，为了达到人员活动区基本相同的热舒适性要求，不同送风方式的送风温差不同，所以系统负荷相同时，不同送风方式的送风量不同. 表1列举了本文所用的计算工况的基本参数和各工况人员活动区(距地面2 m以下空间)的平均温度.

表1　计算工况所用的基本参数Table 1　Set values of the main parameters for calculating conditions

1.2气流模型

本文采用Reynolds时均N-S方程(即RANS)和标准κ-ε湍流模型来模拟和预测室内气流的不可压缩湍流流动，原因是这一方案对问题的求解简单、省时且实用，模拟结果与测量数据对比具有较好的一致性[8-9].

采用有限容积法离散RANS方程，压力项离散采用标准格式(FLUENT,2005)，其余变量的离散均采用二阶迎风格式. 对压力项与速度项的耦合则采用SIMPLE算法，并采用Boussinesq近似估计由温差引起的热浮力效应. 为获得准确的数值结果，计算空间采用非结构网格，并在近壁面区域加密网格，从而保证边界层内的结果合理可靠.

定义送风口为速度边界，并假定流速均匀，回风口为流动出口边界，即满足流出与流入区域的质量流量相等. 用壁面函数来描述近壁面处的湍流特性.

1.3颗粒物输运模型

通常有两种方法用于处理多相流运动：拉格朗日方法和欧拉方法. 欧拉方法广泛应用于预测室内颗粒物浓度分布[10-12]. 拉格朗日方法可以跟踪和分析大量粒子运动轨迹线，研究颗粒物的动态特性[8,13]. 本文更加关注悬浮颗粒的浓度分布，因此采用欧拉方法中的混合模型. 将颗粒相浓度作为被动运输标量，并考虑颗粒相和流体相之间的相对速度来描述颗粒相. 通过求解流场的守恒方程和标量输运方程，从而得到颗粒的浓度场.

1.4网格独立性

为了保证数值模型的可靠性和结果的准确性，数值计算中网格的独立性是很重要的. 对于所有的计算流体动力学模拟情况，本文均采用非结构的四面体网格，对室内热源表面、送风口、回风口和污染源区域进行局部加密，并以1.05～1.20的增长率从局部加密区域向室内空间逐渐扩展.

1.5数值计算方法的合理性验证

为验证数值计算方法的合理性，本文在一个全尺度房间内对室内流速场和温度场进行模拟，并将数值模拟结果与文献[14]中的结果进行对比. 实验所用的房间尺寸为长×宽×高=5.16 m×3.65 m×2.43 m，为对比数值计算结果与文献的实验结果的吻合程度，本文采用与文献[14]相同的边界条件和室内热源条件. 房间通风换气次数为4次/h，送风温度为17 ℃，室内的热源包括：2个人(表面温度为28～30 ℃)、2台电脑(散热量分别为173和108 W)、6盏灯(散热量为34 W)、墙壁表面温度为23.3～26.0 ℃. 选取房间中心位置处沿高度方向各测点的速度和温度分布曲线，对比数值模拟结果和文献结果如图2所示.由图2可以看出，本文所得模拟结果与文献[14]中的结果具有较好的一致性，这表明本文所采用的数值计算方法是可行的.

(a) 速度场对比

(b) 温度场对比图2　数值模拟结果与实验结果对比Fig.2　Comparisons of the simulated results with measured data

2　结果与讨论

本文模拟了夏季工况下碰撞射流通风方式，人员行走行为造成的颗粒物再悬浮对室内空间颗粒物质量浓度分布的影响，同时与置换通风、混合通风以及地板送风进行对比计算.

2.1室内流速场和温度场结果

在表1给出的条件下，对所设定的房间在4种不同送风方式下的流速场和温度场进行了数值模拟，图3给出了4种送风方式下沿开间方向房间中心处竖直平面(即y=1.8 m平面)的温度和气流速度分布.

(a) 碰撞射流通风

(b) 置换通风

(c) 地板送风

(d) 混合通风图3　4种送风方式在y=1.8 m平面的温度和气流速度分布Fig.3　Indoor temperature and air velocity profiles ofy=1.8m plane for the four air supply modes

由图3可以看出，碰撞射流通风、地板送风和置换通风沿垂直方向均产生温度分层(图3(a)～3(c))，房间上部空间温度较高，下部空间温度较低，人体头足部温差约3 ℃；而混合通风由于气流比较均匀，室内温度分布均匀(图3(d))，人体头足部温差约1℃. 这是因为不同送风方式产生不同的室内气流形态，前3种送风方式在室内形成热羽流，主要驱动力是热浮力，在垂直方向产生温度分层；混合通风情况下，由于送风气流与室内空气温度相差较大(8 ℃)，且人员活动区处在气流的回流区，室内温度均匀性更好. 但在4种送风方式下，人员活动区(2 m以下空间)温度均在24～26 ℃内，满足相关标准[15]对室内温度的要求.

由图3还可以看出，混合通风污染源附近的地面区域气流倾斜向上，室内气流运动主要受到惯性力的控制，可能更有利于颗粒物的输运；地板送风近地面污染源附近气流有明显的铅直流动；碰撞射流通风和置换通风在近地面处气流完全呈水平流动.

2.2悬浮颗粒物质量浓度空间分布规律

(a) 碰撞射流通风

(b) 置换通风

(c) 地板送风

(d) 混合通风图4　4种送风方式在y=1.8m平面的颗粒物质量浓度分布Fig.4　Distributions of particle mass concentration ofy=1.8m plane for the four air supply modes

(a) 碰撞射流通风

(b) 置换通风

(c) 地板送风

(d) 混合通风图5　4种送风方式在z=1.1 m平面的颗粒物质量浓度分布Fig.5　Distributions of particle mass concentration atz= 1.1 m plane for the four air supply modes

由图4和5可以看出，在碰撞射流通风和置换通风工况下，室内大部分人员活动区的颗粒物质量浓度均低于地板送风和混合通风方式，这是由于前两者的通风量明显高于后两者. 然而，在碰撞射流通风和置换通风工况下的室内颗粒物质量浓度分布非常不均匀，在远离送风口的近地面处存在高浓度区.这是由于这2种送风方式在近地面处气流呈水平流动(图3(a)和3(b))，缺乏向上的气流将颗粒物携带到房间上部，悬浮颗粒随送风的水平气流流向送风口对面的墙体，最终在送风口对面墙体附近聚集. 与置换通风相比，碰撞射流通风近地面处气流水平运动惯性更大，因此，颗粒物高浓度区分布范围更宽. 而地板送风和混合通风房间，由于污染源附近存在铅直方向的气流运动，便于将人员行走悬浮起来的颗粒物携带到房间上部空间，因此室内的颗粒物质量浓度分布比较均匀，仅在地面附近涡流区内出现极小范围的高浓度区.

2.3不同送风方式排污效率对比

排污效率是衡量通风性能的重要指标，它用来评价空调送风排除污染物的能力. 经济有效的空调送风方式，在满足室内人员活动区热舒适性的基础上，更有效地排除室内污染物，从而达到提高室内空气品质的目的. 排污效率εp的计算式[16]为

(1)

(a)dp= 2.5m

(b)dp= 7.0m图6　4种送风方式排污效率沿高度的变化Fig.6　Vertical variations of the contaminant removing efficiency of the four air supply modes

由图6可以看出，4种送风方式的排污效率均随房间高度的增大而增大，并且地板送风和混合通风的排污效率高于置换通风和碰撞射流通风，特别是在房间下部区域. 这是因为后两者仅依靠热羽流难以将颗粒物完全输送到上部回风口排出，而前两者送风气流在室内混合流动，气流以惯性驱动为主，惯性力比热浮力具有更强的固态污染物输运能力，底部污染源颗粒更容易被携带至房间上部排出. 此外，对比图6(a)和6(b)可以看到，地板送风和混合通风房间的排污效率几乎与颗粒物粒径无关，而置换通风和碰撞射流通风房间排污效率受粒径影响很大，小颗粒的排污效率明显高于大颗粒.

2.4人员呼吸区的颗粒物质量浓度对比

为了进一步分析碰撞射流通风方式对室内空气品质的影响，比较了不同粒径颗粒在人体站立时呼吸区(距地面1.6～1.8 m区域空间)的质量浓度(如图7所示)，以及工作人员坐姿时距人体周围0.03 m和距地面0～1.2 m范围内的质量浓度(如图8所示).

(a) 浓度分布

(b) 平均浓度箱形边界线表示25%分位线、中位线和75%分位线；箱形两端须线表示5%分位线和95%分位线；箱内点表示平均值；箱外点表示最大值和最小值图7　4种送风方式人体站立时呼吸区的颗粒物质量浓度Fig.7　Particle mass concentration in the breathing plane while the occupant standing for the four air supply modes

(a) 碰撞射流通风

(b) 置换通风

(c) 地板送风

(d) 混合通风箱形边界线表示25%分位线、中位线和75%分位线；箱形两端须线表示5%分位线和95%分位线；箱内点表示平均值；箱外点表示最小值图8　4种送风方式工作人员坐姿时人体周围的颗粒物质量浓度Fig.8　Particle mass concentration around the occupant while sitting for the four air supply modes

由图7可以看出，4种送风方式下人体站立时呼吸区的颗粒物质量浓度由高到低的顺序是：混合通风、地板送风、碰撞射流通风和置换通风，其中碰撞射流通风工况与置换通风工况在所有粒径下的颗粒物质量浓度数值均很接近，约为混合通风时的0.5倍. 这是由于为了满足空调热舒适性的需求，混合通风、地板送风系统所需要的风量明显低于碰撞射流通风和置换通风工况，前两者约为后两者的一半.

3　结　语

本文对碰撞射流通风在夏季工况时人员行走行为导致的再悬浮颗粒物在室内空间分布进行了数值模拟计算，分析了碰撞射流通风房间的颗粒物质量浓度分布特征，并与其他通风方式进行了比较，主要结论如下：

(1) 碰撞射流通风的室内颗粒物排污效率随房间高度的增大而增大，与置换通风相似. 两者排污效率均低于地板送风和混合通风方式，且浓度分布不均匀，容易使悬浮粒子聚集在送风口对面的墙体附近；

(2) 在碰撞射流通风工况下，人体呼吸区颗粒物质量浓度随着粒径的增大而增大，由于热舒适需求使其送风量大于混合通风，因此尽管排污效率较低，但人体站姿和坐姿时呼吸区颗粒物平均质量浓度均远低于混合通风；

(3) 由于送风口布置在房间的一侧壁面，碰撞射流通风与置换通风房间中坐姿人员周围的颗粒物质量浓度明显受到人员空间位置影响，离送风口越远，浓度越大.

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Numerical Investigation of Indoor Suspended Particle Concentration in Impinging Jet Ventilated Room

ZUOBin1,2,ZHONGKe1,ZHUHui1,KANGYan-ming1

(1. School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China;2. School of Hydraulic, Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)

Indoor particle distributions in impinging jet ventilated (IJV) rooms in summer with people walking were studied by employing numerical simulations. The particle mass concentration field in the IJV room was analyzed and compared with the cases of the other existing supply modes. The influences of particle size on the mass concentration distributions in the breathing plane and other regions of the IJV room were also discussed and analyzed.

impinging jet ventilation；suspended particle；contaminant removing efficiency；breathing plane；particle mass concentration

1671-0444(2015)03-0369-07

2014-04-04

国家自然科学基金资助项目(51278094)；上海市教委科技创新重点资助项目(13ZZ054)

左滨 (1980—)，女，江苏扬州人，讲师，博士研究生，研究方向为室内空气品质. E-mail: zuobin@yzu.edu.cn

TU 831.3

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