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基于CFD方法研究房间出现污染时阻隔的效果

2020-11-17 211 上传者：管理员

摘要：本文提出了一种在房间中突然出现污染物后，检测装置检测到污染物后如何自动启动房间中的气体隔离装置进行气流和污染物的隔离。采用流体动力学进行了流场的计算。计算结果显示，在房间中部设置气体隔断，在房间顶部设置两个通气孔的方式能够有效的将房间中的气流形成互不干涉的两个独立循环。一方面将污染的出现控制在房间中的某个局部区域，另一方面也让房间一侧的人员有足够的时间进行处理和疏散。

关键词：
CFD
房间
检测装置
污染
流场
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房间内污染物来源包括:煤气泄漏、一氧化碳泄漏、室内装修后残留的甲醛等污染物。其中煤气和天然气、CO等污染物通过管道或者开关未关闭泄露至空间中，而室内装修残留物则主要为家具或者地板等使用的材料超出规定指标而不断残留在房间中。本文提出一种房屋内污染物的检测及隔离及消除方法，具体内容为在房屋顶部安装有新风进气系统，通过喷嘴将新风吹入至地面并形成沿壁面的流动，在喷嘴两侧具有污染气体检测系统出口，当从房间底部运动至检测系统的气流出现污染物时，高强度的新风喷射系统在喷射过程中也形成了房间2侧的隔离区，有利于延长居住用户的生存和逃生时间，并将污染物区域和非污染区域隔离开来。

本文主要采用CFD的方法进行结构合理性的验证。CFD兴起于20世纪60年代，随着90年代后计算机的迅猛发展，CFD得到了飞速发展，逐渐与实验流体力学一起成为产品开发中的重要手段，被运用于许多相关学者的研究中[1,2]。

1、数值模拟方法

1.1 基本假设

(1)空气在厂房中流动的过程中，不考虑温度和密度的变化。

(2)不考虑房间中的自然对流现象。

(3)不考虑空气的压缩与膨胀现象。

1.2 物理模型

本文选取的研究对象为某一房间，房间及隔离装置的结构如图1所示。

图1房间及气体隔断结构示意图

本文选用Fluent6.2.12软件求解。在自然通风状况下，经过对于房间内部以及进出风口雷诺数的计算，厂房内的气流应为湍流，因此采用k-ε湍流模型进行计算。

1.3 房间内空气流动的数值模型

本文采用的数学模型如下:

连续性方程:

动量方程:

描述湍流运动的k-ε双方程模型:

k方程:

ε方程:

其中，有效粘度:

1.4 网格划分与边界条件设置

图2气体隔离房间的网格剖分图

房间的网格划分如图2所示，对几何模型进行网格划分，使进风口和通气孔至少包含三层网格，并且在划分完成后对结果进行检查与修正，尽量使各网格呈规则四面体，网格数量约为1600个。气体隔离房间的边界条件设置如图3所示，地面、墙壁及屋顶设置为“墙壁”边界条件;进风口设置为速度边界条件，其中进风速度为0.5m/s，出风口设置为压力出口边界条件，压力为0Pa。

图3气体隔离房间的边界条件示意图

2、CFD计算结果讨论

房间内气体隔断装置的流场计算结果如图4所示。图4显示了房间内流场速度的矢量图，箭头的色彩代表了速度的大小，箭头的方向代表了改点速度的方向。图5展示了一侧房间中出现污染物的源。结合图4可以看出，当房间中C、B、A处出现污染时，由房顶喷射的气体冲击至底部的地面时，将形成两个巨大的旋涡环流，分别在房间中的两侧进行循环，将会使C、B、A处出现的污染物汇入旋涡，一部分在循环的过程中从通气孔流出，一部分继续循环，但与气体隔断另一侧的房间形成污染物隔离，从而使得另一侧的人能够处于安全的环境之中。当房间中D处出现污染物时，由于旋涡的作用，该部分污染物将长久停留在原位置，必须通过通气孔加大排气量而消除殆尽。

图4气体隔断房间内的流场矢量示意图

图5气体隔断房间内出现污染物的位置图

图6给出了气体隔断房间的速度等高线填充后的分布图。可以看出，在当前给定的气体入口速度下，经过出口后形成了具有一定扩张的射流形态，在气体射流到达地面后，向两侧冲击形成较大的回旋流，回旋中心处于房间的中部位置。同时也可以发现，房间中形成的两个独立的气体循环区间互不影响，从而在一侧房间出现污染物扩散后，可以防止其向另外的空间扩散，在此过程中处于房间中另外空间的人员可以有时间进行处理或者疏散。对于当前出口位置的设置，也可以看出气流在沿房间地面、壁面循环后能够从出口有序的流出，起到了排出污染物的作用。

图6气体隔断房间内的流场等高线(填充)示意图

3、总结

(1)建立了房间内气体进风口和通气孔出口形成的二维流动模型，模拟了气体进出口之间形成的流场。

(2)模拟结果显示，气体隔断将房间内的气流分别沿隔断位置控制在两侧，形成2个较大的循环。

(3)对在房间一侧出现的不同污染物位置分析，能够看出污染物不会出现扩散到房间另一侧的情况。

(4)该气体隔断能够有效的阻止污染物的扩散，并促使房间另一侧的人员有足够的时间进行处理和疏散。

参考文献：

[1]王圣.用CFD技术研究室内空气中苯的污染与净化规律[D].北京:北京工业大学,2007,5.

[2]闫凤英,王新华,吴有聪.基于CFD的室内自然通风及热舒适性的模拟[J].天津大学学报,2009,42,5.

康玉祥.利用CFD方法研究房间出现污染时阻隔的效果[J].科技风,2020(32):124-125.

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期刊名称：力学季刊

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主管单位：上海市科学技术协会

主办单位：同济大学,上海交通大学,上海市力学会,中国力学学会

出版地方：上海

专业分类：科学

国际刊号：0254-0053

国内刊号：31-1829/O3

邮发代号：4-278

创刊时间：1980年

发行周期：季刊

期刊开本：大16开

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