地下车库污染物浓度的数值模拟

Ａｂｓｔ ｒ ａｃｔ ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｕｒｖｅｙｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐａｒｋｉｎｇ ｇａｒａｇｅ ａｎｄ ａｃｃｏｒｄｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ ａｉｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｒａｇｅ， ｔｈｅ ａｉｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｓ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｆｌｕｅｎｔ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｄａｔａ ｎｅａｒｌｙ ｉｎｏｓｃｕｌａｔｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｕｒｖｅｙｓ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ， ＣＯ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ． Ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｓ ａｌｓｏ ｃｏｎｇｒｕｏｕｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｄａｔａ， ａｎｄ ｉｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｃｏｒｒｅｃｔ． Ａ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｖｉｓｕａｌｉｚｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｓｕｐｐｌｉｅｄ ｆｏｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ ａｎｄ ｉｎ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐａｒｋｉｎｇ ｇａｒａｇｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｔ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐａｒｋｉｎｇ ｇａｒａｇｅ， ａｖｅｒａｇｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｌｕｔａｎｔ， ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ， ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ
①汽 车 尾 气 的 流 动 过 程 看 作 烟 羽 的 形 成 过 程［５］， 温度比环境高， 动量很小， 近似于房间内热源；
②车库内气流为不可压缩， 空气和 ＣＯ 的物性为 常数；
③由于车库空间较大， 内热源不多且热源强度不 大， 故不考虑车库内其他热源对流场分布的影响， 围 护结构绝热。
２．２ 数学模型 本文的计算中， 车库内气体流动假设为定常、不
ｍｇ／ｍ３； 作 业 时 间 ６０ ｍｉｎ 内 ， ＣＯ 允 许 浓 度 达 到 ５０ ｍｇ／ｍ３； ３０ ｍｉｎ 内 ， １００ ｍｇ／ｍ３； １５ ｍｉｎ～２０ ｍｉｎ 内 ， ２００ ｍｇ／ｍ３。一般情况下， 人在车库的活动时间在 ３０ ｍｉｎ 内， 故可按 １００ ｍｇ／ｍ３ 为卫生标准允许的最高值。由图 ３ 可 知 ， 此 车 库 一 天 内 ＣＯ 平 均 浓 度 均 未 超 过 １００ ｍｇ／ｍ３。
摘 要： 本文主要结合某地下车库通风系统某一天的实测数据， 根据地下车库室内环境的特殊性建立数学模型， 介绍采用计算流体力学软件 Ｆｌｕｅｎｔ 对地下车库通风时的气流组织作数值模拟， 对 ＣＯ 浓度场作进一步的模拟计 算， 并和实测数据进行对比， 发现数值模拟所得结果和该地下车库的实测数据较为吻合， 从而说明本文提出的用 ＣＦＤ 方法来模拟地下车库空间内污染物平均浓度的正确性， 为预测地下车库空间内污染物平均浓度， 实现通风系 统 的 实 时 控 制 提 供 了 一 种 较 为 简 便 、形 象 的 方 法 。 关键词： 地下车库 污染物平均浓度 数值模拟 预测
定 进 口 空 气 射 流 的 速 度 、方 向 、湍 流 动 能 以 及 耗 散 率 ； ③排风口边界条件根据设计设置为压力出口边
界， 为 ７．１ Ｐａ， 排 风 口 的 气 流 流 向 垂 直 于 边 界 向 外 ， 给 定湍流动能及耗散率；
④ＣＯ 污染源设置为车道中央带状污染源， 其边 界条件设为质量入口较为合适， 为 ９３６．２ ｍｇ／ｓ， 气流流 向为垂直地面向上， 温度为 ３１３ Ｋ；
表 １ 各国汽车库 ＣＯ 浓度最大允许值设计标准
收稿日期： ２００６－９－１６ 作者简介： 顾登峰（ １９８１～） ， 男， 在读硕士研究生； 湖南省长沙市湖南大学土木工程学院（ ４１００８２） ； ０７３１－８８２８７４５； Ｅ－ｍａｉｌ： ｇｄｆｏｋ２００４＠１６３．ｃｏｍ 基金项目： 国家自然科学基金资助课题（ ５０５７８０５９）
第 ２６ 卷第 １ 期 ２００７ 年 ２ 月
文章编号： １００３－０３４４（ ２００７） ０１－０９３－４
建筑热能通风空调 Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ ＆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
地下车库污染物浓度的数值模拟
Ｖｏｌ．２６ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ． ２００７．９３￣９６
顾登峰 张泠 周春慧
（ 湖南大学土木工程学院）
０ 前言
与地面建筑相比， 地下车库有其一定的特殊性： 地 下 车 库 与 阳 光 和 自 然 空 气 基 本 上 处 于 隔 离 状 态 。为 保持地下车库良好的内部环境， 主要依靠机械通风等 人 工 手 段 来 实 现 。地 下 车 库 通 风 的 目 的 是 把 汽 车 排 放 的污染物浓度稀释到允许范围内。而在地下车库中 ＣＯ 是主要的污染物［１］， 只要把 ＣＯ 的浓度稀释到卫生 标准规定的浓度以下， 其他污染物的浓度也能满足卫 生要求［２］。在此均以 ＣＯ 为对象进行考虑和分析， 表 １ 列出了一些国家地下车库的 ＣＯ 浓度最大允许值［３］。
式中： ρ， Ｕ 分别为密度、速度矢量； Φ为通用变量， 代 表 Ｕ， Ｖ， Ｗ， κ， ε和 １， 当 Φ＝ １ 时即为连续性方程； ΓΦ 为通用变量 Φ的有效扩散系数； Ｓ Φ 为源项。ｋ－ ε模型 中 的 几 个 系 数 参 照 Ｌａｕｎｄｅｒ ａｎｄ Ｓｐａｌｄｉｎｇ［６］的 推 荐 值 ，
图 ２ 地下车库某一天中进出车库的汽车随时间变化
图 ３ 地下车库某一天中平均 ＣＯ 浓度随时间变化
２ ＣＦＤ 数值模拟
２．１ 物理模型简化假设Байду номын сангаас由于地下车库的汽车类型和各种类型的汽车数
量难以准确确定， 当选择不同的计算参数时， 计算结果
第 ２６ 卷第 １ 期
顾登峰等： 地下车库污染物浓度的数值模拟
由图 ２ 和图 ３ 可知， 地下车库内工作区的 ＣＯ 平 均浓度随进出车库汽车数量的变化而变化， 且变化趋 势较一致， 交通高峰期出现在大约早上七点到八点之 间和下午五点到六点之间， 此时为人们上下班时间， 因此 ＣＯ 浓度较高； 中午时间因人们离开办公楼吃午 饭， ＣＯ 浓度也略有上升； 而其他时间一直保持在较低 水平。根据 ＴＪ３６－７９ 规定： 室内 ＣＯ 最高允许浓度 ３０
车位 车位 车位 车位
带状污染源 车道
车位 车位 车位 车位
分别取 ０．０９， １．０， １．３， １．４４ 和 １．９２。
２．３ 边界条件 ①根据设计参数， 车库两个送风口风速分别为
６．４２ ｍ／ｓ 和 ５．１４ ｍ／ｓ， 排风口为 ３．４１ ｍ／ｓ； ②两个送风口边界条件设置为速度入口边界， 给
·９５·
有很大的差异。在这里选用文献［４］来确定汽车的 ＣＯ 排放量。以早晨七点到八点时间段高峰期的车库 ＣＯ 发散为例进行计算， 可得 ＣＯ 发散量为 ９３６．２ ｍｇ／ｓ。这 些 ＣＯ 将以点源形式散发， 基于对实际情况的模拟， 现 将车库内 ＣＯ 污染点源假设成在车道处有一条连续带 状污染源， 见图 ４。并将污染物发生量均匀分布在所有 污染源上， 即假设各处污染源发生强度一样。车库两 个送风口风速分别为 ６．４２ ｍ／ｓ 和 ５．１４ ｍ／ｓ， 排风口为 ３．４１ ｍ／ｓ。
Ｎｕ ｍ ｅ ｒｉｃ ａ ｌ Ｓ ｉｍ ｕ ｌａ ｔ ｉｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｃｏ ｎ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒａ ｔ ｉｏ ｎ ｏ ｆ Ｐ ｏ ｌｌｕ ｔ ａ ｎ ｔ ｓ ｉｎ Ｕｎ ｄ ｅ ｒｇ ｒｏ ｕ ｎ ｄ Ｐ ａ ｒｋ ｉｎ ｇ Ｇａ ｒａ ｇ ｅ
Ｇｕ Ｄｅｎｇｆｅｎｇ， Ｚｈａｎｇ Ｌｉｎｇ ａｎｄ Ｚｈｏｕ Ｃｈｕｎｈｕｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）
图 １ 车库通风平面图
１ 应用实例
某大 厦 地 下 车 库 面 积 ５５７０ ｍ２， 层 高 ３ ｍ， 车 库 通 风平面图， 如图 １。其中两个风量为 ９．２５ ｍ３／ｓ 的送风机 和一个风量为 １８．６０ ｍ３／ｓ 的排风机。送风口 １ 的尺寸 为 １．２ ｍ×１．２ ｍ， 送风口 ２ 的尺寸为 １．５ ｍ×１．２ ｍ， 排风 口的尺寸为 ３ ｍ×１．８ ｍ。所有的风机均以恒定速率运 行， 即提供恒定流量的外界新鲜空气。车库内最多可 停放汽车 １００ 辆。笔者在车库入口处实地测出一天不 同时段车库内进出汽车数的情况， 停放情况， 车的种 类等等， 其中进出车库的汽车数量随时间变化情况如 图 ２。在距地面 １．７ ｍ 处 — —— 这是成年人呼吸的高度 范围， 不同位置放置七个 ＣＯ 监测器， 测得不同时段的 ＣＯ 变化情况， 如图 ３。图 ３ 中所显示的 ＣＯ 变化情况 是计算这七个不同位置的 ＣＯ 监测器每小时的平均值 而获得的。
⑤沿着车库的表面（ 例如墙， 天花板， 地板） 空气速 度为零， 湍流脉动为零。
图 ４ 污染物线源分布图
３ 数值求解和结果分析
该 地 下 车 库 流 场 实 际 上 属 于 三 维 紊 流 流 动 。为 了 能够在现有的计算条件下最大尺度地反映实际情况， 抓住问题的主要矛盾， 本文对用于计算的物理模型作 如下假设：
可压缩流动。控制方程分别为求解质量输运的连续性 方程， 求解动量的 Ｎａｖｉｅｒ－ｓｔｏｋｅｓ 方程以及能量方程， 组 分方程， 湍流 ｋ－ ε两方程模型。把上面物理模型简化 假设考虑进去， 针对本文建立的数学模型， 其基本形 式与各控制方程具有相同的形式， 可以使用如下的通 用方程表示
（ １）
本工程采用 Ｇａｍｂｉｔ 作为建模工具对地下 车 库 室 内流场空间进行网格划分， 车库的几何形状较不规 则， 可以用非结构网格生成四面体计算网格。经 Ｆｌｕｅｎｔ 计算发现当网格数在 ４５４２５０ 个以上， 所得到的结果接 近真实值， 具有可信度， 因此本例采用 １１１００６０ 个四面 体 网 格 。 然 后 运 用 Ｆｌｕｅｎｔ 进 行 数 值 模 拟 ： 选 择 分 离 （ Ｓｅｇｒｅｇａｔｅｄ） 隐 式（ Ｉｍｐｌｉｃｉｔ） 求 解 器 作 为 其 核 心 求 解 器， 使用标准 ｋ－ ε两方程模型模拟气体湍流流动， 采 用组分输运模型， 求解算法采用 ＳＩＭＰＬＥ 算法［７］。现将 早晨七点到八点时间段地下车库的通风情况进行数 值模拟， 模拟得 ＣＯ 速度矢量图和浓度场如图 ５、６ 所 示。