自然通风下室内细颗粒物运动模拟分析

何伟轩+关颖+孙昊+许昂

摘 要：PM2.5是指空气动力学直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为细颗粒物或可入肺颗粒物，易沉积于人体内部不易排出，造成人体的免疫功能衰退，产生一系列有关呼吸系统疾病。高校作为典型的人员密集场所，有着严格的室内空气品质要求。本文以沈阳市某高校多媒体教室为研究对象，通过Gambit建立物理模型进行网格划分，并运用fluent模拟软件，研究分析了风速0.5 m/s、1 m/s、2 m/s工况下，室内PM2.5速度场与浓度场的分布。研究发现，细颗粒物气流跟随性强，在入冬时期室外细颗粒物浓度高、风速大，不易开窗换气。

关键词：PM2.5；室内细颗粒物；运动模拟分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.171

0 引言

大气颗粒物是影响大气环境的一个重要因素，雾霾天气的持续且越加剧烈的出现，吸引了人们越来越多的视野。室外颗粒物浓度的高低直接的决定了室内空气品质的优劣。而人们生活和工作的80%时间都是在室内活动，对于某些弱势群体则需要更多的时间。室外风速变化频率高，不易控制。通过数值模拟能够有效的分析颗粒物随风速的改变从室外到室内传输轨迹的影响。

1 数值模拟分析

1.1 物理模型建立

以沈阳市内某高校多媒体教室作为本次模拟分析的研究对象。所选教室位于沈阳市东南部，全年夏季以东南风为主导风向，冬季则为西北风，全年平均风速达到4.4m/s，7月-9月份平均风速为2.8m/s。高校教室位于建筑物二层，室内房间尺寸为：7.5×5.84×3.6（m），房间内布两人课桌15张，多媒体讲台1个，讲桌1张，黑板等一些相关配套设施。由于本文研究室外细颗粒物随不同风速传入室内轨迹，为研究更具有针对性，在模拟时简化室内物体均为长方形。其大小分别为：1.2×0.4×0.8（m）、0.89×0.5×1.15（m）、1.3×0.7×0.42（m）。房间视图见图1。

本文研究自然通风形式下的室内PM2.5的运动规律，在简化室内装置布局的基础上，进一步简化没有室内PM2.5发散源。模型的简化有助于模拟的研究，并提高了模拟效率，使模拟更具有针对性。实际生活中，风速和风向是随时变化的，模拟中假设室外风垂直于外窗吹响室内，并假设风速稳定不变，对比风速大小对其颗粒物轨迹的影响。室外空气从南侧的窗户进入室内，从北侧的门洞流出，模拟与实测条件一致。采用自然通风，送风速度分别为0.5 m/s、1 m/s、2 m/s。

1.2 颗粒物受力分析

对PM2.5在室内运动时所受质量力和表面力加以考虑，并综合了细颗粒物所受Brownain力、热泳力、Saffman升力、Basset力、虚假质量力及Magnus力的影响。模型采用标准k – ε两方程模型，用离散相模型来模拟室内细颗粒物的运动轨迹。并采用气固两相流混合物模型分析出细颗粒物在室内的浓度分布。模拟设立三种不同的进风速度0.5 m/s、1 m/s、2 m/s，室外进入室内颗粒物质量流量分别为0.00075kg/s、0.0015 kg/s、0.003 kg/s。

1.3 边界条件分析

空气和细颗粒物在室内的流动属于典型的室内气固两项流模型，解决该问题的方法有多相流模型及离散相模型。多相流模型含有VOF模型、混合物模型和欧拉模型，这三种模型都属于用欧拉法的观点处理多相流，而离散相模型是将求解连续相的输运方程的同時，在拉格朗日坐标下模拟流场中离散相的第二相。离散相模型适用第二相体积分数一般说来要小于10-12%，离散相模型还可追踪单个颗粒的运行轨道。通风下的室内pm2.5体积分数较低，所以采用离散相模型来模拟细颗粒在不同通风下的室内pm2.5的运动分布和沉积规律。室内细颗粒含量低，对连续相影响甚微，故只考虑连续相对离散相的影响，采用拉格朗日单相耦合计算方法。

模拟中着重了解室内颗粒的流速场，忽略了空气与墙壁之间的传热，速度入口边界与出口边界均设置为escape类型；壁面粗糙度H=5um，壁面边界条件采用最常见的无滑移条件，粒子和壁面之间的碰撞均为trap类型。颗粒进入室内的速度和进入室内的风速相等。

2 室内细颗粒物的分布特性

模拟自然通风风速分别0.5 m/s、1 m/s、2 m/s工况下，室外进入室内颗粒物质量流量分别为0.00075kg/s、0.0015 kg/s、0.003 kg/s，对其室内细颗粒物的分布进行讨论。

模拟结果表明图2，细颗粒物PM2.5具有较强的气流跟随性， 细颗粒物随室内风速的增加扩散轨迹增长，而且其质量浓度分布也比较均匀，受重力沉积机制作用不明显。

3 结论

通过数值模拟研究，室内细颗粒物具有较强的气流跟随性，细颗粒物运行轨迹随风速的增大而增长。因此，在室外空气质量允许的情况下尽量保持通风，同时尽量减少室内污染源的散发，为高校师生学习提供一个优良的室内环境。

作者简介：何伟轩（1993-），男，甘肃天水人，硕士，在读研究生，研究方向：高校浴池余热回收系统改造。