单开口有限空间自然通风特性及其影响因素研究

杨春丽，刘 艳，秦 妍

(北京市劳动保护科学研究所职业危害控制技术中心,北京 100054)

由于有限空间长期处于封闭或半封闭状态，且其出入口有限、自然通风不良，极易造成有限空间内有毒有害气体的积聚以及氧气浓度偏低，工人在其内部作业存在一定的安全隐患[1-2]。为了保证有限空间内作业人员的安全，国内外相关标准[3-6]中均明确规定，作业人员在进入有限空间作业前必须先对其进行通风，待有限空间内氧气、有毒有害气体、易燃易爆气体浓度的检测值均合格后作业人员方可进入其内部作业。通风包括自然通风和机械通风两种方式，其中自然通风是利用风压或(和)室内外温差引起空气密度差的热压作用，使得内外空气流通循环，达到通风换气的目的，是一种经济实用的通风方式。北京市地方标准——《地下有限空间作业安全技术规范》中规定，在进入有限空间作业前应打开有限空间进(出)口进行自然通风，然后进行有毒有害气体、易燃易爆气体浓度的检测，在其检测值均合格后作业人员方可进入其内部作业。

单开口有限空间(如腌制池窖、废井、冷库、锅炉、地坑、沼气池等)由于只有一个进出口，在自然通风时，风流的进出口都在该截面，相对于具有多个进出口的有限空间，其自然通风情况更为复杂，影响因素更多，其自然通风效果、新风有效进深等与外界气象条件、通风口结构参数、有限空间内气体组分和浓度有很大的关系[7]。

目前，在有限空间通风方面，研究者主要采用数值模拟的方法研究了机械通风对有限空间内气体组分的影响，如Zhao等[8]采用数值模拟的方法研究了机械通风过程中化粪池内硫化氢(H2S)、二氧化碳(CO2)、氧气(O2)等气体浓度的变化规律，认为化粪池内充满任何一种有毒有害气体(H2S、CO2等)时，O2的恢复时间差别很小；谭聪等[9]采用CFD技术对供热管线有限空间机械通风过程进行了模拟仿真，研究了机械通风过程中O2浓度、CO2浓度、温度等的动态变化规律。但是，目前，针对有限空间自然通风方面的相关研究较少，由于缺乏有效的技术支撑，实际现场自然通风具有一定的盲目性，这不仅极大地影响了工作效率，也给作业安全带来了一定的隐患。因此,本文以单开口有限空间为研究对象，采用CFD数值模拟的方法研究了单开口有限空间自然通风的流场特性，并对比分析了外界风速、外界风向、空间内有毒有害气体组分、有限空间类型4种因素对单开口有限空间自然通风效果的影响，以期为有限空间自然通风的时间设置、测点布置等提供参考。

1 数值模拟的控制方程

本次数值模拟以腌制池窖、沼气池等类型的单开口有限空间为研究对象，采用Fluent软件作为求解和后处理软件，模拟计算过程主要包括三个阶段：前处理、求解器和后处理[10]。在自然通风条件下，腌制窖池窖、沼气池等类型的单开口有限空间内部风流较小，远小于340 m/s，因此其内部气流可看作不可压缩流体，流场空间内的气体流动可看作是无化学反应的非稳态单相多组分的扩散问题，可根据质量守恒、动量守恒、能量守恒和组分传输守恒定律，建立用于描述多组分三维非定常湍流流动的控制方程组[11-12]，具体方程如下：

(1) 质量守恒方程：

(1)

(2) 动量守恒方程：

(2)

(3) 能量守恒方程：

(3)

(4)

(4) 组分传输守恒方程：

(5)

(5)k-ε湍流方程：

k方程：

(6)

ε方程：

(7)

上式中:ρ为气体密度(kg/m3)；v为流体速度(m/s)；ui为流体在x、y、z方向上的速度(m/s)；xi为x、y、z方向上的坐标(m)；p为流体压力(Pa)；τij为应力张量(N/m2)；gi为i方向上的重力体积力(N/kg)；Fi为i方向上的外部体积力(N)；E为流体能量(J)；keff为有效导热率；Jc为组分c的扩散通量；Sh为体积热源；ωc为组分c的质量分数；Dc为组分c的扩散系数；cpc为组分c的比热容[J/(kg·K)]；k为湍动能(m2/s)；ε为湍动能耗散率(m2/s)；Gk为湍动能变化率；μ为层流黏性系数；μt为湍流黏性系数(Pa·s)；Cε1、Cε2、Cμ、σε、σk、Tref为常数，分别取1.44 K、1.92 K、0.09 K、1.3 K、1.0 K、298.15 K。

2 计算模型和计算方案

2. 1 几何模型和边界条件

本次模拟以单开口有限空间为研究对象，共模拟地下单开口有限空间和地上单开口有限空间两种类型的有限空间，两类有限空间的结构尺寸相同：均为矩形，长、宽均为10 m，高为8 m，整个有限空间顶部为进出口,其外部计算范围均为3倍有限空间尺寸。两类单开口有限空间的几何模型详见图1和图2。

图1 地下单开口有限空间几何模型示意图Fig.1 Geometry diagram of the underground confined space

图2 地上单开口有限空间几何模型示意图Fig.2 Geometry diagram of the confined space on the ground

对于外部计算范围，来风方向一侧的外部边界条件为速度入口，另一侧为自由出流，其他均为壁面边界条件；对于有限空间，进出口为内部边界条件，其他均为壁面边界条件。另外，为了研究通风过程中不同位置气体的恢复情况，在单开口有限空间的中心位置，距离有限空间进出口分别为2 m、4 m、6 m和7.5 m处设置了4个监测点(见图1和图2)。

2. 2 计算方案

为了模拟计算外界风速、外界风向、有限空间内有毒有害气体气体组分、有限空间类型4种因素对单开口有限空间内自然通风效果的影响，本文设计了如下计算方案：①外界风速对自然通风效果的影响，即设计风向角为0°(即水平来风)，外界风速分别为1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s 5种方案；②外界来风方向即外界风向对自然通风效果的影响，即设计风向角为0°和45°两种方案，外界风速均为3 m/s；③有限空间内有毒有害气体组分对自然通风效果的影响，即以CO2为重质气体的典型代表，以甲烷(CH4)为轻质气体的典型代表，设计初始气体组分分别为21%的CH4、79%的氮气(N2)和21%的CO2、79%的N2两种方案；④有限空间类型对自然通风效果的影响，本文中模拟研究的腌制池窖、沼气池等包含地上和地下两种结构类型，因此共设计地上有限空间和地下有限空间2种方案。

本文模拟时，除特殊说明的除外，各计算方案的有限空间均为地下有限空间，进出口位于地面，内部初始气体组分为21%的CO2、79%的N2，外界大气的风速为3 m/s、风向角为0°。

2. 3 网格尺寸的选择

数值模拟中的网格尺寸对模拟精度和计算效率有较大的影响[13]，一般情况下网格间距越密，计算结果越精确，但是较密的网格计算量较大，耗时较长。因此模拟计算时需针对具体问题确定合适的网格尺寸，在确保数值模拟精度的同时尽可能地减少网格数量,从而提高计算效率。

为了分析网格间距对计算结果的影响，本文共设计0.6 m、0.8 m、1.2 m三种Tgird网格间距开展了数值模拟计算。不同网格间距下各监测点CO2浓度(体积分数，下同)随自然通风时间的变化曲线见图3和图4。由于距离单开口有限空间进出口2 m和7.5 m处的模拟结果与图3和图4较为相似，故本文未一一展示。

图3 距离单开口有限空间进出口4 m处CO2浓度的 变化曲线Fig.3 Variation curve of CO2 concentration at the monitoring point 4 m away from the vent

图4 距离单开口有限空间进出口6 m处CO2浓度的 变化曲线Fig.4 Variation curve of CO2 concentration at the monitoring point 6 m away from the vent

由图3和图4可见，由不同网格间距的模型计算得到的CO2浓度(体积分数)随自然通风时间的变化趋势基本一致，当网格间距为1.2 m时，CO2浓度降低的速度最快，而当网格间距为0.6 m和0.8 m时，CO2浓度降低的速度基本一致。因此，考虑计算量，在后面的模拟计算中均采用网格间距为0.8 m的网格尺寸。

3 模拟结果与分析

3. 1 自然通风的流场特性分析

本次模拟以水平来风、风速为3 m/s为例，研究自然通风下单开口有限空间内部气流的循环情况，得到自然通风不同时刻(1 min、10 min和30 min时)单开口有限空间内气体流动速度(v)矢量图和CO2浓度分布云图，见图5和图6。其中，研究所截的剖面均是单开口有限空间沿风流方向的中心纵剖面。

由图5和图6可见：

(1) 自然通风初期，在外界风压的作用下，靠近有限空间的右侧壁有外界新鲜风进入，形成一个小的气流循环，该处的风流速度较大，CO2浓度相对较低。

(2) 随着自然通风时间的增加，气流循环范围越来越大，直到在整个有限空间内部形成一个大的环状气流循环，这时靠近壁面的气流速度较大，中部的气流速度较小。

图5 自然通风下不同时刻单开口有限空间内气体流动速度矢量图Fig.5 Gas flow velocity vector in the confined space with single opening at different times of natural ventilation

图6 自然通风下不同时刻单开口有限空间内CO2浓度分布云图Fig.6 Distribution of CO2 concentration in the confined space with single opening at different times of natural ventilation

(3) 自然通风过程中，新鲜风量持续不断地进入，稀释有限空间内CO2的浓度，且沿着有限空间中轴线，越靠近进出口处CO2浓度降低的速度越快，但各监测点CO2浓度降低为0时的时间相差不大，但由于最后中部风速相对较小，有限空间中部CO2浓度降低为0时的时间相对较长。

(4) 根据有限空间不同位置CO2浓度的变化规律，若作业前仅采用自然通风的方式，在进行作业人员准入有毒有害气体浓度检测时，有毒有害气体浓度应以靠近迎风侧上、中、下不同位置测点以及有限空间中部测点的检测结果作为作业人员准入的主要参考数值。

3. 2 外界风速对自然通风效果的影响

3.2.1 外界风速对自然通风的通风风量的影响

在单开口条件下，有限空间进出口处的气流为有进有出的双向流，开口净流量为零，无法以此得到单开口有限空间自然通风的通风换气量。为了分析各种不同因素影响情况下单开口有限空间自然通风的效果，根据本次模拟的几何模型，将通过进出口进入有限空间内部的风流方向作为Z轴的负方向，因此可以分析有限空间进出口平面上Z轴方向的速度分量小于零的部分，对这部分的风速和面积进行积分，即可求得单开口有限空间自然通风的通风换气量，具体计算公式如下：

式中：Q为单开口有限空间进出口自然通风的通风换气量(m3/s)；un为微元面dA+上风速的分量(m/s)；A+为有限空间进出口平面上风速的分量un小于0部分的断面面积(m2)。

采用稳态求解方法进行计算，结果显示：外界风速分别为1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s时，单开口有限空间进出口自然通风的通风换气量分别为0.91 m3/s、3.11 m3/s、4.39 m3/s、6.25 m3/s和7.32 m3/s，随着外界风速的增大，进出口自然通风的风量逐渐增大，但两者并非呈线性关系。

3.2.2 外界风速对CO2浓度的影响

以外界风速为1 m/s、3 m/s和5 m/s为例，代表外界1级、2级和3级风的情形，不同外界风速条件下各监测点CO2浓度随自然通风时间的变化曲线，见图7。

由图7可见：不同外界风速条件下，均是距有限空间进出口近的监测点CO2浓度降低的速度更快，且最终有限空间中部CO2浓度降低为0时所需的时间最长；3种风速条件下CO2浓度降低至0时所需的时间分别为109 min、30 min、18 min，且外界风速越大，CO2浓度降低的速度越快。

本文采用拟合方法分析自然通风条件下单开口有限空间内各监测点CO2浓度降低为0时所需的时间与外界风速的关系，其似合曲线见图8。

由图8可见：自然通风条件下单开口有限空间内各监测点CO2浓度降低为0时所需时间与外界风速两者之间的拟合曲线与幂函数y=108.93x-1.1513的拟合程度最高，相关系数达0.999 42。

3. 3 外界风向对自然通风效果的影响

通过采用稳态求解方法进行计算，结果显示：当风向角为45°、自然通风的通风风量为5.20 m3/s时，与相同风速条件下的水平来风相比，自然通风的通风风量增大了18.4%。当风向角为45°时，在自然通风过程中各监测点CO2浓度随自然通风时间的变化曲线见图9。

图7 不同外界风速条件下单开口有限空间内各监测点 CO2浓度随自然时间的变化曲线Fig.7 Variation curves of CO2 concentration at the moni- toring points in the confined space with single opening under conditions of different wind speed

图8 自然通风下单开口有限空间内各监测点CO2浓度 降低为0时所需的时间与外界风速的关系曲线Fig.8 Time required for reduction of CO2 concentration to 0 in the confined space with single opening with different wind speeds

图9 自然通风下当风向角为45°时单开口有限空间内各 监测点CO2浓度随自然通风时间的变化曲线Fig.9 Variation curves of CO2 concentration at the monitoring points in the confined space with single opening when the wind angle is 45°

由图9可见，距离有限空间进出口越近，CO2浓度降低的速度越快，CO2浓度降低至0时所需的时间为14.5 min，相对于水平来风，自然通风所需的时间短、通风效率高，这主要是由于有限空间出口上方形成的风压较大， 导致进入有限空间内气体的流速和通风风量相对较大，气流循环速度较快。

3.4 有限空间内有毒有害气体组分对自然通风效果的影响

当有限空间内充满浓度为21%的CH4时，自然通风过程中各监测点CH4浓度随自然通风时间的变化曲线见图10。

由图10可见，在自然通风过程中，各监测点CH4浓度相差不大，在通风刚开始时，距离有限空间进出口越近，CH4浓度的降低量越大，但是随着自然通风的进行，底部的CH4在风压和自身浮力的作用下，开始向上运移，距离有限空间进出口2 m和4 m处监测点的CH4浓度有所升高，但在自然通风30 s后各监测点的CH4浓度均开始降低，靠近下部监测点的CH4浓度降低的速度略高于上部，当CH4浓度降低至0时，自然通风所需时间为18.4 min。

图10 自然通风下单开口有限空间内各监测点CH4浓度随自然通风时间的变化曲线Fig.10 Variation curves of CH4 concentration at the monitoring points in the confined space with single opening

对比图7(b)和图10发现，相对于CO2，有限空间内有害气体为CH4时，其浓度降低的速度快，自然通风下CH4浓度降低为0时所需的时间短，这主要是因为CH4比空气轻，具有自然上浮的作用，加上自然风压的作用，使得内外空气流通加快。可见，对于进出口位于顶部的单开口有限空间，自然通风过程中，当有限空间内有害气体为重质气体时，其自然通风所需的时间应适当延长。

3. 5 有限空间类型对自然通风效果的影响

通过采用稳态求解方法进行计算，结果显示：自然通风过程中，对于地上有限空间，其通风风量为53.54 m3/s，通风风量是相同条件的地下有限空间自然通风的通风风量的12倍，增加幅度较大。自然通风下地上有限空间内各监测点CO2浓度随自然通风时间的变化曲线见图11。

图11 自然通风下地上有限空间内各监测点CO2浓度随自然通风时间的变化曲线Fig.11 Variation curves of CO2 concentration at the monitoring points in the confined space on the ground

由图11可见，地上有限空间内各监测点CO2浓度降低至0时所需的时间为6 min，相对于进出口位于地面的地下有限空间，自然通风所需的时间大幅降低。分析原因，认为对于地上有限空间，自然风流到达有限空间迎风侧壁面时发生了绕流，气流在迎风侧壁面最上方的尖边产生分离[14-15]，气流速度和方向发生了较大的变化，导致有限空间进出口附近气流流场产生较大的变化，在有限空间迎风侧壁顶部气流流速增大，形成局部的“大风”[16]，湍流强度增加，使得有限空间内气流循环速度加快。

因此，为了确保检测人员和作业人员的安全，在现场进行实际自然通风过程中，相较于地上有限空间，可适当延长相同条件下地下有限空间自然通风的时间。

4 结 论

本文通过对单开口有限空间自然通风特性及其影响因素的研究，主要得到以下结论：

(1) 外界风速越大，单位时间进入单开口有限空间内的新鲜风量越大，有限空间内有毒有害气体浓度降低的速度越快。相对于水平来风，当风向角为45°时，自然通风的通风风量大，有限空间内有毒有害气体浓度降低的速度快。

(2) 对于进出口位于上部的单开口有限空间，在自然通风过程中，相对于重质气体，轻质气体浓度降低的速度较快，为确保检测人员和作业人员的安全，在现场进行实际自然自然通风过程中，有限空间内充满重质气体的通风时间应比充满轻质气体适当延长。

(3) 对于进出口位于上部的单开口有限空间，在自然通风过程中，相对于地上有限空间，地下有限空间的自然通风的通风风量小，有限空间内有毒有害气体浓度降低的速度慢，现场实际通风时间需适当地延长。