矢流送风下高大空间厂房颗粒物浓度控制特性研究

李琪 张晓东 崔明辉

摘 要：为了更有效地排除高大空间厂房内的污染物并达到节能的目的，运用计算流体力学方法研究了侧上圆角送风和屋顶中间半圆送风方式下的高大空间厂房内微小颗粒物的浓度分布情况，即在不同污染源强度下对应不同换气次数的浓度分布规律。结果表明，无论哪种送风方式，换气次数越多或者污染源强度越低时，空间内产生的颗粒物浓度越小;越接近地面靠近回风口，颗粒物浓度越大，越有利于其排出;且在相同情况下，采用屋顶中间半圆送风方式时，靠近回风口处的颗粒物浓度均高于采用侧上圆角送风方式时的颗粒物浓度。因此，高大空间中，一定颗粒物浓度水平下，相比其他送风方式，屋顶中间半圆送风方式需要的换气次数较少，更能达到节能目的。研究结果能够为相关企业进行厂房内粉尘污染控制提供参考。

关键词：供热与供燃气工程;矢流送风;高大空间;颗粒物浓度;气-固两相流;数值模拟

中图分类号：TU834.6+1 文献标识码：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx04005

文章编号：1008-1534（2020）04-0237-09

Abstract：In order to effectively eliminate the pollutants in high ceiling industrial plant and achieve the purpose of energy saving， the distribution of particulate matter in the mode of rounded air supply and half cylinder air supply in high ceiling industrial plant was studied by Computational Fluid Dynamics （CFD） method in this paper， that is， the concentration distribution law of different ventilations under different intensities of pollution source. The results show that either way of the air supply modes， the larger the ventilation frequency or the lower the pollution source intensity is， the smaller the particulate concentration in the space is; the closer it is to the ground and the air inlet， the higher the particulate concentration is， which is beneficial to its elimination. In the same case， the particulate concentration near the return air inlet with half cylinder air supply is higher than that with rounded air supply. Therefore， under a certain particulate concentration level in high ceiling buildings， compared with other air supply modes， half cylinder air supply needs less times of air exchange and can achieve the purpose of energy saving. The results provide a reference for related enterprises to control dust in the factory building.

Keywords：heating and gas supply engineering; vector flow air supply; high ceiling; particulate concentration; gas-solid two-phase flow; numerical simulation

矢流送風方式区别于单向流送风和乱流送风方式，依靠扇状的高效过滤器形成“斜推”的不交叉流线送风状态以达到清除污染气体的目的，因此不会形成乱流送风状态时出现的混掺稀释现象，也不会出现单向流的“活塞”现象。刘光军等[1]在矢流送风洁净室研究中发现，洁净室的右上角和左下角有部分涡流出现气流流线交叉的现象，其余不存在气流流线交叉;同时得出此种送风方式在经济费用方面有显著优势。李岩[2]通过研究发现，矢流气流场中的横向污染物浓度较低，其流场的洁净度远远高于非单向流气流组织下的洁净度。

高大空间是指建筑物的室内高度在5 m以上或者建筑物单层面积在2 000 m2以上的大空间[3]。随着中国经济的迅猛发展，出现了更多的高大空间建筑物，为保障高大空间内作业的舒适性和工艺性要求，往往需要空气调节系统。例如肖凌云[4]对高大空间内的O3浓度进行置换通风方式的研究，通过对不同送风参数进行分析，得出空间内空气品质及能耗最优的送风参数;曹为学[5]为解决高大空间内的热环境问题，研究了在自然通风方式下的送风速度和室内温度变化的关系，消除了厂房的热环境问题;陈雅[6]为探究呼吸性粉尘浓度在高大空间内一定气流组织下的时空分布，分别从3D和2D不同视角进行了研究;在付晓[7]的研究中，以某面粉车间为例来观测该车间内的面粉尘的浓度分布概况。因受车间内的通风风速大小影响，车间内呈现出大部分区域面粉尘浓度较小，但是局部浓度较大的分布规律;在马辉猛[8]的研究中，以某地区纺织厂棉粉尘的分布情况作为研究对象，发现在纺织厂的车间中部和车间边角均是棉粉尘聚集较高的区域，其原因是在此区域内的气流组织处于回旋状态，不利于污染物的排除，应在此区域内加强除尘力度。

然而，国内针对矢流送风方式下的高大空间内颗粒污染物分布规律的研究还较少，本文首次采用计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）方法及离散相模型（discrete phase model，DPM）[9-10]，以牛奶灌装车间为例，研究在侧上圆角送风和屋顶中间半圆送风的矢流送风方式下，高大空间内微小颗粒污染物的浓度分布规律[11]。通过对模拟结果的分析比较，得出节能、高效的矢流送风方式。

1 模型建立

1.1 数学模型建立

来璟涛[12]利用DPM颗粒轨道离散相模型研究了工艺厂房内粉尘的逃逸情况;詹绍义[13]结合气固两相流理论研究了热喷涂车间微纳米粉尘浓度在不同条件下的扩散过程。由于两相流模型求解思路清晰明了，可以明确得到颗粒运动轨迹，所以在污染物控制领域，对于两相流模型尤其是气-固（气体-颗粒）两相流的研究较多[14-16]。本文研究的污染物颗粒在空气中的运动符合气-固两相流运动[17]。粒子相体积分数较小，采用离散相模型较为合适，因此建立气-固两相流的微分方程组如下。

1.2 模型假设

由于受时间和企业条件的限制，为了保证研究的准确性和高质量，本文选取关键条件进行建模

，简化条件总结如下。

1.2.1 气体数学模型的假设

1）灌装间内正常工作状态下，人员走动几乎很少，对气流影响较小，满足定常流动状态，但是为了得到微小颗粒物在该高大灌装间的浓度分布和流速状态，将模型确定为三维，流动状态为湍流[18]。

2）灌装间内压强和温度变化比较小，且气体满足常物性条件，因此假设流体为不可压缩流体。模拟中不考虑摩擦，同时将微小颗粒物与其他物体接触表面看作恒温，从而能量方程为零。

3）考虑颗粒物的重力作用[19-20]。

1.2.2 离散相数学模型的假设

1）微小颗粒物的粒径处理。在模拟过程中，将微小颗粒物的物理特性用空气动力学直径表示[21]，粒径满足Rosin-Rammler分布。

2）微小颗粒物的产生源浓度处理。虽然在距设备较近处的微小颗粒物浓度会随时间变化，但是工作中设备运行平稳，所以可将产生源浓度看作定值。

3）颗粒密度远远大于空气的密度。

4）忽略颗粒物之间的碰撞，计算离散相为稀相。

5）等温流场处理。因为灌装间内流场边界与流体内部没有强热源，所以不考虑热量交换。

6）矢流送风工况稳定，空间无缝隙漏风。

1.3 几何模型的建立

按照已建成的奶酪厂灌装间的尺寸，建立了等同的长×宽×高分别为23 m×14 m×7 m的洁净室模型，分别采用2种送风方式对此灌装间洁净室进行了数值模拟。2种送风方式模型如图1所示。

图1 a）的气流组织方式是侧上圆角送风，对侧下角回风;图1 b）的气流组织方式是屋顶中间半圆送风，两侧下角回风。2种送风方式送风口模型均采用由23个0.96 m×0.96 m的矩形风口组成的模型[22]，气流组织方式是垂直向下，外侧由5个开孔率为20%[2]的扇形曲面散流孔板组成，以进行导流。回风口采用1 m×22 m的矩形代替栅格，底部距离地面0.1 m铺设。灌装间内设备采用3.4 m× 4 m ×4 m长方体块代替。

本文选择CFD软件中的Quad Dominant类型进行网格划分，以Patch Dependent方法生成網格，这样可以保证创建出高质量的以四边形为主的网格[23]。2种模型的网格划分如图2所示。

分别对侧上圆角送风和屋顶中间半圆送风2种模型在15次换气且0.000 1 kg/s的污染源强度的工况下进行网格独立性检验，采用粗、中、细[24]3种网格方案。侧上圆角送风方式的3种方案的网格数目分别为22万、32万、42万，3种网格下距地面 0.2 m 处的微小颗粒物（以下简称颗粒物）平均质量浓度分别为0.39，0.42，0.43 mg/m3，当网格数由32万增至42万时，颗粒物平均浓度差值百分比为2%。以文献＼[24—26＼]为参考，认为当浓度差值百分比≤2%时，结果即为可信，这说明网格数为32万时的模拟结果是可信的，故将此模型划分为32万个网格。

屋顶中间半圆送风方式3种方案的网格数目分别为25万、35万、45万，3种网格下距地面0.2 m处颗粒物平均质量浓度分别为0.61，0.66， 0.67 mg/m3 ，当网格数由35万增至45万时，颗粒物平均浓度差值百分比为1.5%，说明网格数为35万时的模拟结果是可信的，故将此模型划分为35万个网格。

1.4 边界条件的设定

利用3D分离式求解器和RNG k-ε方程进行数值计算[27]，配合SIMPLEC算法求解结果。其中k，ε，continuity设定值均为1×10-6 ，其余为默认值。参数详见表1。

1）送风口边界条件 这里采用速度边界条件（velocity-inlet）[28]，分别选取1.3，1.73 m/s（对应换气次数为15次、20次）;洁净等级为Ⅷ级（换气次数为10～15次），非单向流[29]。本文模型层高为7 m，大于4 m，空气洁净度等级为Ⅶ级时对应的换气次数为15～25次，所以选择15～20次换气次数。k，ε取默认值，离散相边界条件设置为捕捉边界（trap）。

2）回风口边界条件 这里采用自然出流边界条件（outflow），出流边界为逃逸边界（escape）。

3）壁面边界条件 这里采用绝热[30]、无滑移（ no slip ）边界条件，即Vi=0，V pi =0（i=1，2，3）。颗粒物与壁面碰撞后完全反弹，离散相边界条件依据颗粒物实际黏附特性设置为反射边界（reflect），其余为默认值。

2 数值模拟结果与分析

分别对侧上圆角送风与屋顶中间半圆送风2种不同送风方式，在不同换气次数（15次，20次）、不同污染源强度（0.000 1 kg/s，0.000 3 kg/s[31]）条件下进行模拟，并

采用FLUENT软件截取距地面0.2，0.5，1 m截面处的颗粒物分布云图进行分析。

2.1 换气次数为15次模拟结果

1）污染源强度为0.000 1 kg/s时

在换气次数为15次，污染源强度为0.000 1 kg/s时，分别对距地面0.2 m（见图3）、0.5 m（见图4）、1 m（见图5）截面的颗粒物浓度分布云图进行分析。

对比图3—图5可知，设备表面附近的颗粒物浓度降低，设备间隙中颗粒物浓度较高，这是由于设备工作时形成颗粒物的方式为面射源，颗粒物浓度大，会有部分细小灰尘黏附到设备表面，使设备表面附近的浓度降低，但在设备的间隙中，微小颗粒物难以送至回风口，所以2种送风方式下，设备中间颗粒物浓度均偏大。而对比3个不同截面，尤其在距地面1 m处颗粒物浓度很小，说明颗粒物几乎被除去，所以在污染源强度为0.000 1 kg/s时，15次的换气次数足以将颗粒物除净。

2）污染源强度为0.000 3 kg/s时

在换气次数为15次，污染源强度为0.000 3 kg/s时，分别对距地面0.2 m（见图6）、0.5 m（见图7）、1 m（见图8）截面的颗粒物浓度分布云图进行分析。

对比图6—图8可知，随着污染源强度的增大，2种送风方式下各个截面内的颗粒物浓度升高，其中屋顶中间半圆送风方式更为明显。所以在换气次数一定时，增大污染源强度，整个空间内颗粒物浓度亦会升高。

对比图1—图8可知，2种送风方式下颗粒物分布规律大致相同，观察3个不同截面，距离地面越远，颗粒物浓度越低，距离地面越近，设备附近区域的颗粒物浓度越高，但是聚集的颗粒物只是一小部分，大部分的颗粒物都沉降在回风口附近区域，更有利于将其排至室外。然而，2种送风方式下3个不同截面的浓度变化程度有所区别，屋顶中间半圆送风方式的3个截面颗粒物浓度变化比较明显，尤其是距离地面0.2 m和0.5 m处，其颗粒物浓度衰减较大，在1 m处的颗粒物浓度趋于均匀。随着污染源强度增大，还会出现颗粒物漂浮在中间层面，粒径大的颗粒物沉降至地面，偏小的漂浮在空气中，一定的换气次数不足以将其排至回风口。因此，在污染源强度增大时需要增加换气次数。

2.2 换气次数为20次模拟结果

在2.1节中分析了在换气次数为15次、污染源强度为0.000 1 kg/s时的颗粒物分布规律，可知15次的换气次数足以带走该强度下的颗粒物。所以本节只研究换气次数为20次、污染源强度为0.000 3 kg/s时的情况，分别对距地面0.2 m（见图9）、0.5 m（见图10）、1 m（见图11）截面的颗粒物浓度分布云图进行分析。

对比图9—图11可知，当污染源强度增大时，增加换气次数，空间内颗粒物浓度衰减加快，颗粒物被更好地排除，且屋顶中间半圆送风方式各个截面的颗粒物浓度变化较明显。

综合图6—图11来看，当污染源强度一定时，随着换气次数的增加，靠近回风口处的颗粒物越多，越容易排至室外，且距离地面越高颗粒物浓度降低的趋势越明显。但当固定换气次数为15次，侧上圆角送风方式下距地面0.2 m截面和0.5 m截面的顆粒物浓度变化较小，这是由于模拟的颗粒物密度小、质量轻、浮力偏大，不易于下落，在空气中漂浮，相对污染源强度来说换气次数少，即送风速度弱的状态下，很难把微小颗粒物吹至送风口。当增加换气次数，此种情况会好转。然而屋顶中间半圆送风方式在不同的换气次数（15次，20次）下，3个截面的颗粒物浓度变化都相对较明显，浓度衰减变化大，尤其在距离地面1 m处，整个平面的颗粒物浓度已经很小，这意味着屋顶中间半圆送风方式较侧上圆角送风方式在颗粒物浓度一定的前提下能更好地排出颗粒物。

2.3 3个截面折线图对比结果

由于2种送风方式在不同条件下的颗粒物浓度变化趋势大致相同，所以本文只给出了在换气次数为15次，污染源强度为0.000 1 kg/s的情况下，2种送风方式在3个不同截面的颗粒物浓度分布折线图（见图12）。

由图12可知，2种送风方式下均为设备附近的颗粒物浓度最高，且随着气流流向回风口处。对于侧上圆角送风方式，颗粒物多集中在设备与回风口之间，衰减不是很明显，而在屋顶中间半圆送风方式下颗粒物排至两侧回风口，颗粒物多集中在回风口处，且尤其在距地面1 m处，颗粒物浓度趋于稳定，分散较均匀，更有利于颗粒物的排出。

3 结 语

本文通过数值模拟分析了2种矢流送风洁净室模型内微小颗粒物的分布状况，得出以下结论。

1）矢流送风下颗粒物随气流积聚流向回风口，且距离地面越高，颗粒物浓度越小，但在设备表面会有黏附的微小颗粒物。

2）随着换气次数的增加，颗粒物更容易被带走。若空间内污染源强度较大，可适当增加换气次数。

3）与侧上圆角送风方式相比，在不同条件下，采用屋顶中间半圆送风方式时距地面的各截面内的颗粒物浓度相差较大，且靠近回风口位置的颗粒物浓度更高。即在一定污染源强度下，屋顶中间半圆送风方式能用更少的换气次数将室内颗粒物排除，起到一定的节能效果。

本文将2种矢流送风方式进行对比，模拟分析了不同条件下高大空间内颗粒物的浓度分布规律。但由于时间及篇幅所限，只针对粉尘进行了研究，未能选择其他多种颗粒物进行比较，在今后的工作中会进行更多元化的模拟分析，并探讨高大空间内采用矢流送风方式时有效的颗粒物浓度范围。

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