利用CFD方法研究房間出現(xiàn)污染時阻隔的效果

康玉祥

摘 要：本文提出了一種在房間中突然出現(xiàn)污染物后，檢測裝置檢測到污染物后如何自動啟動房間中的氣體隔離裝置進(jìn)行氣流和污染物的隔離。采用流體動力學(xué)進(jìn)行了流場的計算。計算結(jié)果顯示，在房間中部設(shè)置氣體隔斷，在房間頂部設(shè)置兩個通氣孔的方式能夠有效的將房間中的氣流形成互不干涉的兩個獨(dú)立循環(huán)。一方面將污染的出現(xiàn)控制在房間中的某個局部區(qū)域，另一方面也讓房間一側(cè)的人員有足夠的時間進(jìn)行處理和疏散。

關(guān)鍵詞：房間;污染;CFD;流場

房間內(nèi)污染物來源包括：煤氣泄漏、一氧化碳泄漏、室內(nèi)裝修后殘留的甲醛等污染物。其中煤氣和天然氣、CO等污染物通過管道或者開關(guān)未關(guān)閉泄露至空間中，而室內(nèi)裝修殘留物則主要為家具或者地板等使用的材料超出規(guī)定指標(biāo)而不斷殘留在房間中。本文提出一種房屋內(nèi)污染物的檢測及隔離及消除方法，具體內(nèi)容為在房屋頂部安裝有新風(fēng)進(jìn)氣系統(tǒng)，通過噴嘴將新風(fēng)吹入至地面并形成沿壁面的流動，在噴嘴兩側(cè)具有污染氣體檢測系統(tǒng)出口，當(dāng)從房間底部運(yùn)動至檢測系統(tǒng)的氣流出現(xiàn)污染物時，高強(qiáng)度的新風(fēng)噴射系統(tǒng)在噴射過程中也形成了房間2側(cè)的隔離區(qū)，有利于延長居住用戶的生存和逃生時間，并將污染物區(qū)域和非污染區(qū)域隔離開來。

本文主要采用CFD的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)合理性的驗證。CFD興起于20世紀(jì)60年代，隨著90年代后計算機(jī)的迅猛發(fā)展，CFD得到了飛速發(fā)展，逐漸與實驗流體力學(xué)一起成為產(chǎn)品開發(fā)中的重要手段，被運(yùn)用于許多相關(guān)學(xué)者的研究中[1-6]。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 基本假設(shè)

（1）空氣在廠房中流動的過程中，不考慮溫度和密度的變化。

（2）不考慮房間中的自然對流現(xiàn)象。

（3）不考慮空氣的壓縮與膨脹現(xiàn)象。

1.2 物理模型

本文選取的研究對象為某一房間，房間及隔離裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.4 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

房間的網(wǎng)格劃分如圖2所示，對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使進(jìn)風(fēng)口和通氣孔至少包含三層網(wǎng)格，并且在劃分完成后對結(jié)果進(jìn)行檢查與修正，盡量使各網(wǎng)格呈規(guī)則四面體，網(wǎng)格數(shù)量約為1600個。氣體隔離房間的邊界條件設(shè)置如圖3所示，地面、墻壁及屋頂設(shè)置為“墻壁”邊界條件;進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為速度邊界條件，其中進(jìn)風(fēng)速度為0.5m/s，出風(fēng)口設(shè)置為壓力出口邊界條件，壓力為0Pa。

2 CFD計算結(jié)果討論

房間內(nèi)氣體隔斷裝置的流場計算結(jié)果如圖4所示。圖4顯示了房間內(nèi)流場速度的矢量圖，箭頭的色彩代表了速度的大小，箭頭的方向代表了改點(diǎn)速度的方向。圖5展示了一側(cè)房間中出現(xiàn)污染物的源。結(jié)合圖4可以看出，當(dāng)房間中C、B、A處出現(xiàn)污染時，由房頂噴射的氣體沖擊至底部的地面時，將形成兩個巨大的旋渦環(huán)流，分別在房間中的兩側(cè)進(jìn)行循環(huán)，將會使C、B、A處出現(xiàn)的污染物匯入旋渦，一部分在循環(huán)的過程中從通氣孔流出，一部分繼續(xù)循環(huán)，但與氣體隔斷另一側(cè)的房間形成污染物隔離，從而使得另一側(cè)的人能夠處于安全的環(huán)境之中。當(dāng)房間中D處出現(xiàn)污染物時，由于旋渦的作用，該部分污染物將長久停留在原位置，必須通過通氣孔加大排氣量而消除殆盡。

圖6給出了氣體隔斷房間的速度等高線填充后的分布圖。可以看出，在當(dāng)前給定的氣體入口速度下，經(jīng)過出口后形成了具有一定擴(kuò)張的射流形態(tài)，在氣體射流到達(dá)地面后，向兩側(cè)沖擊形成較大的回旋流，回旋中心處于房間的中部位置。同時也可以發(fā)現(xiàn)，房間中形成的兩個獨(dú)立的氣體循環(huán)區(qū)間互不影響，從而在一側(cè)房間出現(xiàn)污染物擴(kuò)散后，可以防止其向另外的空間擴(kuò)散，在此過程中處于房間中另外空間的人員可以有時間進(jìn)行處理或者疏散。對于當(dāng)前出口位置的設(shè)置，也可以看出氣流在沿房間地面、壁面循環(huán)后能夠從出口有序的流出，起到了排出污染物的作用。

3 總結(jié)

（1）建立了房間內(nèi)氣體進(jìn)風(fēng)口和通氣孔出口形成的二維流動模型，模擬了氣體進(jìn)出口之間形成的流場。

（2）模擬結(jié)果顯示，氣體隔斷將房間內(nèi)的氣流分別沿隔斷位置控制在兩側(cè)，形成2個較大的循環(huán)。

（3）對在房間一側(cè)出現(xiàn)的不同污染物位置分析，能夠看出污染物不會出現(xiàn)擴(kuò)散到房間另一側(cè)的情況。

（4）該氣體隔斷能夠有效的阻止污染物的擴(kuò)散，并促使房間另一側(cè)的人員有足夠的時間進(jìn)行處理和疏散。

參考文獻(xiàn)：

[1]王圣.用CFD技術(shù)研究室內(nèi)空氣中苯的污染與凈化規(guī)律[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2007，5.

[2]閆鳳英，王新華，吳有聰.基于CFD的室內(nèi)自然通風(fēng)及熱舒適性的模擬[J].天津大學(xué)學(xué)報，2009，42，5.