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《湖南大学》 2010年
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地板送风系统室内可吸入颗粒物分布及二次悬浮特性研究

李灿  
【摘要】:可吸入颗粒物作为危害人体健康的一类重要污染物,其在室内的分布规律是评价室内空气品质的一个重要方面。地板送风空调方式与传统的上送风空调方式相比有风口布置方便灵活和明显的节能效果等优越性,因此具有很好的发展潜力。然而,这种下送风的气流组织形式是否易使地面及其他壁面可吸入颗粒物发生二次悬浮、且如何影响室内可吸入颗粒物的分布等问题尚无系统的研究结果。本文结合理论与实验两方面研究了地板送风室内可吸入颗粒物的分布和二次悬浮特性。主要完成了如下工作: (1)在大量的文献调研基础上,阐述了研究室内颗粒物运动分布规律的必需性,由颗粒物毒性与粒径之间的关联分析了研究不同粒径颗粒物分布规律的必要性;回顾了室内颗粒物运动分布和二次悬浮领域前人已取得的研究成果,总结出目前室内颗粒物运动分布,尤其是二次悬浮特性的系统研究十分缺乏。 (2)通过对地板送风室内颗粒物浓度水平的影响因素的理论分析,在前人相关研究的基础上建立了预测室内颗粒物浓度的质量平衡模型(式2.5),并在此基础上提出考虑悬浮率随时间衰减的修正模型(式5.21)。通过实验检验了模型的正确性,同时分析影响颗粒物二次悬浮的因素,并通过正交试验,讨论了涉及不同粒径颗粒物的二次悬浮的影响因素。悬浮率影响因子实验得出送风速度、人为活动、初始地面颗粒积尘浓度及风口形式对颗粒悬浮依次影响的程度。 (3)为了研究地板送风这种特殊流场下颗粒物行为特征,预先对流场进行了细致的研究,采纳前人经验,选取更适合流动模型,即对气相采用了RNG k-ε模型,改进了近壁处流体湍流参数的解。对圆形风口和旋流风口的情况分别求出了数值解,特别对可以影响颗粒脱附的壁面处的切应力和摩擦速度场进行了求解。对比了选用圆形或旋流风口时,选取的多个测点速度测量值与相应位置数值计算的结果,发现吻合较好,尤其是通过本文的边界条件处理,旋流风口的复杂流出情况可以得到与文献实验吻合得很好的解。还制作了几何比例为1:10的水模,利用相似原理进行了圆形送风口情况下的室内流场粒子图像速度场(PIV)实验,进一步精确验证了实验小室流场的计算结果。 (4)基于颗粒物自壁面脱附机理,细致分析了湍流边界亚层内颗粒物的受力,完善了固体相(颗粒物)在近壁处流体力的描述,并确定了本文涉及的空气动力学直径为0.1~10μm颗粒应考虑的曳力、剪切提升力等的模型。分析颗粒脱附的过程,得到了脱附条件。综合附着力理论模型和经验公式得到室内流动时壁面上的颗粒物脱附模型。 (5)讨论了悬浮的时间尺度,理论研究了颗粒物脱附后运动,在充分考虑颗粒所受曳力、重力、布朗力、提升力的基础上,合理简化得到室内颗粒物的运动方程,完善了拉格朗日方法计算室内可吸入颗粒物分布模型与壁面边界条件及计算方法。将室内运动的颗粒结局归结为悬浮、捕捉和排出3类,因对室内人员呼吸暴露量起作用的是其中的悬浮颗粒,因而给出颗粒悬浮寿命的概念,表示颗粒排出或被捕获之前在室内停留的时间。悬浮寿命可以由拉格朗日方法计算颗粒的轨迹得到,计算轨迹足够多时,就可以反映出颗粒平均悬浮寿命,作为评价室内颗粒污染净化性能的指标,其用于工程模拟较为便利。 (6)基于本文建立的室内颗粒运动分布简化模型,研究了室内颗粒物运动分布的模拟计算方法。首先采用文献中流场和颗粒物浓度场的测量结果验证了模型的正确性,其次计算了室内存在颗粒污染点源时颗粒浓度的分布,利用商业软件Fluent中的离散相模型结合自定义函数模拟分析了稳态下不同送风参数和不同污染源位置的影响,为颗粒污染暴露量的预测及控制提供了便利方法。另外还模拟了地板送风系统情况,人在室内轻微走动引起地面扬尘,从而引起的室内颗粒物浓度动态变化过程,对预测该种通风净化过程,通过合理气流组织控制污染物提供理论指导。本文的研究证明了拉格朗日方法是模拟计算室内颗粒稳态和动态分布的有效手段。本文提出的模拟计算方法理论依据充分,经过实验验证,且简化可行,方便用于工程计算。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TU834;X513

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