应用FLUENT模拟学生寝室室内污染物浓度场的变化规律_图文

应用FLUENT模拟学生寝室室内污染物浓度场的变

片章

化规律

高清军，庄宏昌，王林

大连海事大学环境科学与工程学院，大连（116026）

E-mail：ruichao_

摘要：数值模拟技术对建筑室内环境进行模拟仿真，可以形象的、直观的对室内气流流动形成的微环境做出分析和评价。本文采用FLUENT数值模拟法，模拟了现有学生寝室污染物浓度场的变化规律，指出当前学生宿舍格局的不足，并将其适当改进。为更加合理、优化的寝室布局提供了理论依据。

铝电池关键词：数值模拟，FLUENT，学生宿舍

1 前言

随着全国高考升学率的不断提高，以及各大高校的学生宿舍的相对紧缺，宿舍内人员拥挤，布局紧凑，直接导致学校内寝室的环境质量下降。同时由于寝室紧缺，许多学生寝室都是刚刚装修完毕，就允许学

生入住，尤其是在冬天，北方的天气比较冷，几乎很少开窗，这使得污染物很难向外扩散。高校的学生每天至少有8个小时的时间是在寝室里度过的，所以分析一下学生寝室的空气质量还是很有必要的。目前很多学生公寓都是阴阳双面建筑设计，寝室内都是上面住人，下面是桌子的一体化格局，事实上对于单面宿舍，这种设计并不算合理的。

本文选用的污染物是甲醛，甲醛是最简单、最常见的醛类物质，其理化性质为：无、具有强烈刺激性气味，沸点- 1915 ,

℃比重1106 ，易溶于水、醇和醚，是一种溶解度很大、挥发性很强的有毒物质[1]。据调查，新装修的公共场所甲醛的超标率达60 %～100 %。甲醛已成为室内空气污染物的主要成分。甲醛的释放期比较长，一般为3年～15年，故将甲醛作为室内污染的指示污染物[2]。甲醛的主要来源是装潢用的尿醛树脂、油漆、胶水、脱氧剂、消毒剂及防腐剂，在卷烟和燃烧的废气中也有[3]。甲醛在室内的浓度变化主要与室内污染源的释放量和释放规律有关，也与使用年限、室内温度、湿度及通风强度等因素有关，其中通风的影响最为重要[4]。

目前国内外普遍运用的室内空气评判方法有主观评价法、客观评价法和主客观相结合评价法[5]。计算流体动力学数值模拟法就是目前较为成熟的客观评价方法。本文采用计算流体动力学软件FLUNET，对房间中甲醛浓度场的变化进行了数值模拟，以典型宿舍中的书桌和衣柜为污染源，模拟宿舍密闭若干小时通风一定时间后，房间内污染物浓度场的变化规律，从而指出当前主流学生宿舍格局的不足。

2 房间几何模型和数学模拟

如图1、2所示，学生公寓尺寸为X×Y×Z＝6×5×3(m)；门Y×Z＝1.2×2(m)；上铺X×Y×Z ＝2×1.2×0.1(m)，距地1.8m；窗Y×Z＝1×1.5(m)，距地1.4m；桌面X×Y＝1.5×0.8(m)，距地0.8m，衣柜X×Y×Z＝1.4×1×1.7(m)。由于宿舍布局沿门窗连线成轴对称分布，本文则选取沿对称轴截取的半边宿舍为研究对象。如图所示，Ⅰ、Ⅱ类型为当前高校学生宿舍主流布局。

图1 Ⅰ类型学生宿舍几何模型

图2 Ⅱ类型学生宿舍几何模型

3 边界条件

寝室的温度定义为300K，空气流动分别采用非稳态的三维层流模型。由于宿舍分为阴阳面，故当房间处于通风状态时，可分为窗户进风和门口进风两种情况，设置窗（门）为速度进口(velocity inlet)，风速设为0.12m/s[6]；门（窗）设置为流出封口(outflow)，分别模拟室内污染物分布规律。本文模拟以甲醛为代表的室内挥发性有机污染物的浓度常，假设桌子和衣柜表面为释放源，其边界条件设为质量进口(mass flow inlet)，密闭和通风两种状态的释放强度均为7.2×10-11kg/s[6]，并且不随时间变化，其它壁面无甲醛释放。

4 计算结果及分析

由于人体一般的坐姿高度是1.2m，因此假定平面z＝1.2m为监控对象。图3-6分别是房间密闭1小时和12小时后的污染物浓度分布情况。我国《民用建筑工程室内环境污染控制规范》[7]中，对室内空气采样前要求的密闭时间是1小时，而《室内空气质量标准》[8]中要求的密闭时间是12小时。下图中，颜由蓝至红代表污染物浓度由低到高。

图3 Ⅰ类型学生宿舍甲醛浓度分布图图4 Ⅱ类型学生宿舍甲醛浓度分布图

截面z＝1.2m，密闭1h

图5 Ⅰ类型学生宿舍甲醛浓度分布图图6 Ⅱ类型学生宿舍甲醛浓度分布图

截面z＝1.2m，密闭12h

如上图我们可以看出，污染物的浓度随着时间的增加而逐渐变大。在此截面中，A(1,1.7,1.2)、B(4.1.7,1.2)和A(1.6,1.7,1.2)、B(3.4,1.7,1.2)分别为Ⅰ、Ⅱ两类宿舍中，人所处的位置(如图1、图2)，室

波士顿矩阵内空气质量标准中甲醛的限量值0.10mg/m3。密闭12小时后对房间分别进行窗口通风和门口通风，并分别作出分析和讨论。

4.1窗口通风

限额设计图7 Ⅰ类型学生宿舍甲醛浓度分布图图8 Ⅱ类型学生宿舍甲醛浓度分布图

截面z ＝1.2m ，密闭12h 后窗口通风2min

图9 Ⅰ类型学生宿舍甲醛浓度分布图图10 Ⅱ类型学生宿舍甲醛浓度分布图

截面z ＝1.2m ，密闭12h 后窗口通风3min

图11 Ⅰ类型学生宿舍甲醛浓度分布图图12 Ⅱ类型学生宿舍甲醛浓度分布图

截面z ＝1.2m ，密闭12h 后窗口通风10min

密闭12小时后，对房间进行开窗通风，图7-12为气流由窗口进入若干分钟，截面z=1.2m 的污染物浓度场。通风10分钟后，两种类型宿舍A 点甲醛浓度分别为0.18mg/m 3和0.2mg/m 3，仍然高于室内空

气质量标准中的甲醛浓度的限量值；B 点甲醛浓度分别为0.045mg/m 3和0.19mg/m 3，Ⅱ型宿舍B 点浓度高于限量值。由计算结果可得，对于Ⅰ类宿舍，A 点甲醛浓度缓步下降，B 点浓度值则迅速下降进而达到一稳定值。Ⅱ类宿舍A 点浓度先增大而后慢慢下降，B 点浓度值的变化出现了振荡现象。分析流体运动状态发现，Ⅰ类宿舍A 点风速很小，该点污染物的扩散主要靠其自身扩散作用，故A 点浓度降低很慢，在较长一段时间内高于限量值。B 点所处较大区域有较大风速，对流作用明显，污染物浓度迅速降低，达到动态平衡（如图18）。Ⅱ类宿舍在通风初始阶段B 点区域形成一短暂旋涡（如图17），导致A 点浓度增加而B 点浓度出现降低的现象，随着通风的进行，旋涡消失，流体运动状态逐渐达到平衡，A 、B 两点区域内风速很小，该区域内也会在较长时间内高于限量值。

通风时间(min)甲醛浓度(m g /m 3)

甲醛浓度(m g /mgfp

通风时间(min)

图13 Ⅰ类窗口通风A 点甲醛浓度随时间的变化图14 Ⅱ类窗口通风A 点甲醛浓度随时间的变化

通风时间(min)甲醛浓度(m g /m 3)

悬链线方程

通风时间(min)

甲醛浓度(m g /m

图15 Ⅰ类窗口通风B 点甲醛浓度随时间的变化图16 Ⅱ类窗口通风B 点甲醛浓度随时间的变化

图17 Ⅱ类宿舍窗口通风2min 速度矢量图

图18 Ⅰ类型学生宿舍风速分布图图19 Ⅱ类型学生宿舍风速分布图

截面z ＝1.2m ，密闭12h 后窗口通风10min