基于场协同理论的供暖房间甲醛扩散模拟研究

基于场协同理论的供暖房间甲醛扩散模拟研究 张浩; 王倩; 丛俊滋; 项东 【期刊名称】《《山东建筑大学学报》》 【年(卷),期】2019(034)005 【总页数】8页(P8-15) 【关键词】场协同理论; 地板供暖; 数值模拟; 污染源位置 【作 者】张浩; 王倩; 丛俊滋; 项东 【作者单位】山东建筑大学 热能工程学院 山东济南250101; 山东省绿色建筑协同创新中心 山东济南250101; 山东建筑大学 科技处 山东 济南250101; 山东建筑大学 材料科学与工程学院 山东 济南250101

【正文语种】中 文 【中图分类】TH43

0 引言 随着社会的进步和经济、科技的发展，人们的生活水平不断提高，不仅对室内热舒适性及空气品质的要求越来越高，而且对室内装修的质量要求也越来越严[1]。木质地板具有轻质、美观并且可以调节室内温湿度的特点，但木质板材会释放大量的有害物质，污染室内空气。甲醛因其自身的易脱附、强扩散特性而成为室内危害最大的污染物之一。有关调查结果表明，许多民用和公共建筑，室内的空气污染程度是室外空气污染的2～5倍，有的甚至超过100倍[2]。通风可以将室内空气中的甲醛快速排除，进而促进了装修材料中甲醛的释放，是非常有效地去除室内甲醛的方法[3-4]。其中，自然通风是降低室内甲醛浓度最简单有效的方法，但引入新风却增加了空调系统和供暖系统的能耗[5-6]。所以，主要应考虑如何在满足室内热舒适的情况下，采用自然通风，选择合适的污染源摆放位置，使速度场与浓度梯度场的协同效果更佳，进而快速地降低甲醛等有害物质。 净化室内空气污染物的实质是对流传质过程，增强对流传质对室内空气的净化有一定的促进作用。Guo等[7]提出对流传热场协同原理，认为速度场与温度梯度场的配合能强化换热系统。传热是由温度梯度引起的热扩散，而传质是由浓度梯度引起的质扩散，所以基于传热与传质的类比关系，将对流传热场协同原理应用于净化通风系统的传质领域对净化排污有一定的指导意义[8]。Chen等 [9-10]将传热场协同原理扩展到传质领域，类比于传质势容耗散函数定义了对流传质过程的势容耗散函数，并利用变分原理求解势容函数极值，获得场协同方程求解室内污染物浓度最低时的速度场，确定最佳通风方式。Wang等 [11]采用Fluent模拟了空气净化器及通风策略下，室内挥发性有机物VOCs(Volatile Organic Compounds)的浓度分布情况，发现较好的通风条件更有利于室内的VOCs浓度达到稳定值，且空气净化器能更好地净化室内VOCs。还有学者研究了采用通风系统的办公室内的空气质量及热舒适性，并应用计算流体动力学 CFD(Computational Fluid Dynamics)模型校准了室内的气流流动情况，表明CFD模型可以较精确地模拟室内空气质量及热舒适性[12-14]。文章主要采用CFD方法模拟冬季某地板供暖卧室内，污染源位于不同位置时甲醛的扩散分布情况，并应用场协同理论进一步分析了室内甲醛稀释的对流传质过程，以期为优化通风净化效果提供理论依据。 1 数学模型 1.1 场协同理论 对流换热过程中流体的换热能力的强弱与速度场、温度场的分布特性有关。Guo等[15-16]针对增强换热问题提出了对流换热强化的场协同理论，认为速度场与温度场的协同性对对流换热的强弱有较大的影响。基于传热与传质的类比关系，应用传质场协同理论分析室内污染物扩散过程。 1.1.1 传热场协同理论 对二维层流边界层对流换热过程比拟为有内热源的导热问题，将能量方程进行无量纲化分析[5]，由式(1)表示为

式中:Nux为努谢尔准则数；Rex为雷诺准则数；Pr为普朗特准则数为流体流动的速度矢量的无因次数；为流体温度梯度矢量的无因次数；β为流体速度与温度梯度的夹角。 由(1)式可知，强化换热可以通过增大Re、Pr及无因次积分值。无因次积分值的大小不仅与流体的速度、热流的绝对值有关，还与流速与热流矢量间的协同即夹角有关。两者之间的夹角越小，协同效果越好，换热效果也越好。 1.1.2 传质场协同理论 基于传热、传质过程的类比性，将对流传质过程假定为稳态无组分源项的传质过程[17]，将组分传质方程进行无量纲化分析，由式(2)表示为

式中:Sh为对流传质的舍伍德准则数；Sct为施密特准则数；为流体质量数梯度矢量的无因次数；α为流体速度与温度梯度的夹角。 Sh是以流体的边界扩散阻力对流传质阻力之比来标志过程相似特征，反映了对流传质的强弱。室内甲醛的稀释扩散过程是典型的对流传质过程，增强对流传质过程即增强室内甲醛的稀释扩散过程。与对流换热强化相类似，增强对流传质过程可以增大Re、Sct及无因次积分值。改变无因次值主要通过改变速度场与浓度场的协同程度，即改变速度场与浓度梯度场的夹角，当夹角越小时，速度场与浓度场的协同效果越好。流体的速度与质量分数的梯度夹角越小，协同效果越好，对流传质效果也越好。文章主要研究自然通风对室内甲醛的稀释扩散过程，而通风对污染物的净化过程是典型的对流传质过程，所以可以应用场协同理论分析室内污染物的排污净化过程。 1.2 控制方程 对房间内的甲醛进行准确的数值模拟，必须建立气体流动规律的控制方程，即质量守恒、动量守恒和能量守恒方程；主要采用标准湍流k-ε模型和气体组分输运模型。 1.2.1 基本控制方程 基本控制方程由式(3)表示为

式中:由左至右依次是瞬态项、对流项、扩散项以及源项。其中，φ为通用的变量，可以表示分速度、温度以及常数等；Γ和S分别表示广义扩散系数和广义源项，在质量守恒方程中，φ取1、Γ取0、S取0；在动量守恒方程中，φ取取u、S取；在能量守恒方程中，φ取T、Γ取S取ST。 1.2.2 湍流模型(k-ε方程) 流动能方程(k方程)由式(4)表示为

湍流能量耗散率方程(ε方程)由式(5)表示为 式中:GK为由层流速度梯度产生的湍流流动动能，J； Gb为由浮力产生的湍流动能，J； C1、C2、 C3为常量，在空气和水的实验基础上，取 C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09、σk=1.0 、σε=1.3。 1.2.3 组分输运模型 文章主要研究室内的空气与甲醛混合物，采用组分输运模型模拟室内甲醛分布情况，由式(6)表示为 式中:Γi为任一点的扩散系数；s(x，y，z)为任一点的扩散强度；C为室内甲醛浓度，mg/m3。 2 物理模型 2.1 几何模型建立 选取冬季某地板供暖的卧室房间为研究对象，卧室的简化物理模型如图1所示，卧室内设施数量及具体尺寸设置见表1。 图1 某地板供暖房间的物理模型示意图1床；2衣柜；3窗户；4地板；5门 表1 卧室模型具体设置表名称 数量 尺寸房间 1 3.3 m×4.8 m×2.6 m衣柜 1 2.2 m×0.6 m×2.2 m窗户 1 0.6 m×1.5 m地板 1 3.3 m×4.8 m门 1 1.2 m×2.0 m 模型1:污染源衣柜位于通风口对侧；模型2:污染源衣柜位于通风口邻侧。在模型中，选取x分别为0.9、2.4、3.9 m的截面，分别为靠近床人员滞留区、经由窗户及靠近门的3个特殊截面，并对各场进行分析；选取前2个截面上的线1为 (0.9，0，1.9)-(0.9，2.6，1.9)、线 2 为(2.4，0，1.9)-(2.4，2.6，1.9)，对比分析2个模型中甲醛浓度的变化情况。 2.2 网格划分 对物理模型主要采用非结构化网格划分，如图2所示，其划分网格简单且成型比较容易。经网格独立性验证，物理模型中网格数为152 369，其中模型中最大网格尺寸为0.5 m，对衣柜、地板、窗户及门的网格进行加密，网格尺寸为0.2 m，网格质量均＞0.35。 图2 网格划分示意图 2.3 物理模型简化及假设 在模拟分析冬季地板供暖房间的热舒适性及室内空气品质时，对该模型做如下简化: (1)由于现在房屋的密封性做的都很好，假设该卧室密闭，在门缝及窗缝处无室外空气渗入； (2)在模拟过程中，将室内空气和甲醛均看作是不可压缩、常物性流体；流体域设定为空气与甲醛的混合物，室内空气流动状态为湍流，且具有高紊流雷诺数； (3)模拟中将各壁面设定为定壁温稳态传热，忽略室内热源(照明及人体散热)； (4)模拟中将甲醛的扩散视为单一的物理过程，即扩散过程中不发生化学变化，且不考虑被固体壁面及绿色植物的吸附作用； (5)对温度场、速度场及甲醛浓度分布情况的分析均在系统达到稳定状态后进行[18]。 2.4 求解边界条件 (1)主要模拟冬季地板供暖房间在自然通风情况下的室内热舒适性及甲醛扩散情况。考虑卧室内的窗户为平开式，且通风时仅开启一半[19]，将窗户设定为速度进口，速度大小取济南冬季室外平均风速为2.7 m/s，新风温度取济南冬季室外平均温度267.8 K，将门设为自由出流边界条件。 (2)东、西、南、北墙壁温度分别选取292、294、295、292 K，地板温度取299 K，屋顶取绝热。 (3)甲醛的散发源选取地板与衣柜，采用质量入口(Mass Flow Inlet)边界条件，其释放强度为7.2×10-11kg/s[20]。 3 模拟结果与分析 3.1 特殊截面处流场的分布 模型中3个截面的流场的分布如图3所示，2种物理模型中的流场的分布差异较大。模型1中，x为2.4 m截面处，空气由窗户进入房间后，以窗户为中心形成速度逐渐衰减的上下2个不同的环流区，且在该截面下部产生一个较小的旋涡，该截面气流平均速度为1.05 m/s。x为3.9 m截面处，空气扰动较大，由于低压与