关于室内颗粒物的研究

关于室内颗粒物的研究
近年来，随着经济的发展、人们生活水平的提高，人们对人居环境的要求已经不仅仅局限于对传统的温度、速度、湿度的要求，而且提升到对与室内可挥发有机物、颗粒物质等密切相关的室内空气品质(IAQ，Indoor Air Quality)的要求上来。

目前，颗粒物污染已经成为室内主要的空气质量问题之一，室内的颗粒物不但会对人体的健康造成极大的危害，而且也会损毁室内的各种电子设备，存在很大的安全隐患。

目前已有越来越多的研究者开始关注室内颗粒物对IAQ及对人体健康的影响，而且国内外有好多学者为了能更好的认识这些问题，已经模拟了室内颗粒物的运动和分布。

本文阐述了室内颗粒物来源以及对人体健康的影响，并对模拟颗粒物的这些方法加以介绍和比较，最后总结模拟中提出了一些问题以及今后值得研究的几个方面。

室内颗粒运动、分布规律及对人体健康的影响
对于自然通风的居住环境，由于其通风量受温度、风速、风向以及建筑物开口方向的影响很大，自然通风不提供一个受约束的室内外颗粒关系，室内空气中的颗粒浓度受室外影响较大。

对于安装机械通风系统来维持人体热舒适环境和满意的室内空气品质的房间，颗粒存在四种可能去向：过滤器或电除尘器的过滤和捕获、通过排风排出、在通风管道的沉降以及在通风房间的沉降。

颗粒的穿透是室内颗粒物的主要来源之一，决定了从室外可以带入多少环境颗粒进入室内。

室外颗粒物质主要通过门窗等围护结构缝隙的渗透、机械通风的新风以及人员进出带入室内，从而影响室内颗粒物的分布规律。

室外颗粒物质是室外空气污染物的一部分，而室外空气污染物中颗粒的来源主要有两大类:一类是自然散发，第二类是人的生产、生活活动。

它们的分布规律均接近正态分布。

当窗户和主要的门都关闭几个小时，且室内活动少，不产生大量的颗粒时，室内不同位置的颗粒浓度有着相似的值。

除了室外颗粒物对室内空气质量的影响外,室内人员的活动或设备运行等是室内颗粒物的另一个主要来源。

西方国家现场测试表明，烟草、烟雾是室内环境中细颗粒物的主要来源，烹调是室内第二重要的颗粒物污染源,尤其是粗颗粒物的重要来源。

在一些办公建筑或工作厂房中，人的生产活动也会产生大量的颗粒物。

比如办公建筑中的复印、打印操作，以及其他一些办公设备的操作,都将产生颗粒物质。

另外，室内建筑材料表面的挥发也可能是室内颗粒物的主要来源。

而供热、通风及空调(HVAC)系统也极有可能因其适宜的温度和湿度环境，而孳生微生物颗粒，造成另一重要的室内污染源。

室内颗粒物对人体健康的影响主要体现在对呼吸健康的影响上.室内颗粒物是通过被人吸入，然后沉积在人体呼吸系统内,从而对人体健康造成危害。

从室内空气品质对人体呼吸健康的影响而言，通常我们所关心的是粒径小于10m的颗粒物 (PM10)，即可吸入颗粒物。

因为它可通过呼吸进入人体的上、下呼吸道，尤其是直径小于2.5m的细颗粒物 (PM2.5)可通过上、下呼吸道和支气管到达肺部沉积,甚至可通过肺泡进入人体血液。

加之随着颗粒物粒径的减小，细颗粒上吸附重金属、酸性氧化物、有机污染物 (如多环芳烃)等有害物质的趋势增多，并且还是细菌、病毒和真菌的主要载体，已引起世界各国的广泛关注。

众所周知,对于粒径较大 (dp<4m)的颗粒物而言,由于受重力沉降作用影响较大，能够很
快地沉积在内部表面上；而小粒径 (dp<2m)的颗粒物则成为气溶胶粒子悬浮在空气中，此时室内空间的气流运动形式和颗粒物分子的扩散将共同决定其运动，重力不再起主要作用；对于粒径介于二者之间的粒子，要么沉积在内部表面，要么悬浮在空气中，这主要受到气流形式和重力沉降的共同作用.需要指出的是，悬浮在空气中的颗粒物往往对人体健康和室内空气品质 (IAQ)有重要影响。

三种数值研究方法
室内颗粒运动和分布的主要模拟方法有：集总参数模型、区域模型以及基于计算流体力学的模型。

总的来说，集总参数模型是基于室内空气完全混合、颗粒浓度均匀的假设，可以获得室内颗粒浓度逐时变化规律，但不能考虑室内颗粒的空间分布，因此不适合分析室内颗粒的空间分布情况。

区域模型将房间划分为一些有限的宏观子区域，是基于每个区域的空气物理量参数为统一值、各区之间各不相同的假设，能获得相对粗略的颗粒分布信息。

计算流体力学模型通过计算室内颗粒的分布情况或者其运动轨迹，从而了解颗粒的分布规律或在室内的运行情况，能获得相对集总参数模型更为详细的信息，因此受到日益重视。

计算流体力学(Computational Huid Dynamics)模型通过计算室内颗粒的分布情况或者其运动轨迹，从而了解颗粒的分布规律或在室内的运动情况。

用该模型研究室内可吸入颗粒物的运动主要有两种方法：欧拉法与拉格朗日法。

1 欧拉法
欧拉法（ Eulerian method ）是一种基于欧拉坐标求解颗粒物浓度分布的方法，可获得室内颗粒浓度“场”。

它是将颗粒相视为连续相来求解颗粒的守恒方程。

目前有两种普遍采用的欧拉法：多流体模型和滑移通量模型。

多流体模型的基本观点是认为颗粒相是与真实流体相互渗透的拟流体，该法特点是分别求解单相的动量方程和连续性方程。

各项之间通过相间作用力进行耦合。

这种模型能充分考虑颗粒的质量、动量及能量的湍流扩散，而且可以分别考虑大滑移和颗粒扩散，但需要花费很长时间和占用很大的计算机内存，需要很高的计算技巧，有时还很难收敛，无法获得准确的结果。

基于以上原因，目前更为广泛采用的还是滑移通量模型，该法在模拟小颗粒时较为成功。

它是一种只考虑颗粒重力沉降的简化的欧拉模型。

基本思想是在空气输运标量方程中，增加由于颗粒重力沉降速度(流体拽力和重力平衡的结果)导致的与空气相的“滑移通量”。

2 拉格朗日法
拉格朗日法( Lagrangian Method )也称作颗粒跟踪法( particle tracking )，是基于拉格朗日坐标求解颗粒运动轨迹的方法，它是将空气相看作连续相来求解时均 N-S方程，而将颗粒相看成离散相，通过求解颗粒的动量方程得到单个颗粒的运动轨道。

该法是对大量颗粒在流场中的运动进行跟踪，可以很方便的对不同粒径大小的颗粒进行跟踪，使之可以模拟出颗粒与墙壁的弹性碰撞，对复杂的几何流场适应性特别强。

该法的缺点是假设颗粒具有零体积，这样一来在颗粒体积分数较大的情况下模拟的结果与实际偏离较大，精度降低。

且由于该方法需要逐一计算单个颗粒的运动轨迹，计算量很大，因此对于稀疏相颗粒比较适用，可以分析颗粒运动轨迹，了解颗粒在室内环境中的“命运”，但计算室内颗粒浓度分布时比较麻烦，不易满足工程的实际需求。

三种方法实例分析
拉格朗日法和欧拉法对室内颗粒的扩散模拟哪个更精确，学术界一直都存在着争议，以下实例是三种方法的对比。

1、 数值模拟模型
Chen 曾指出RNG K-ε湍流模型是比较适合模拟室内空气流动的湍流模型，所以采用RNG K-ε湍流模型模拟室内的空气流场。

另外，也采用Chen 和Xu 提出的零方程湍流模型进行模拟，以加快三维复杂室内流场模拟的收敛速度。

入口边界条件给定速度入口边界条件，速度给定均一入口速度，出口边界条件给定出流边界条件。

靠近壁面附近的湍流用RNG K-ε湍流模型中的壁面函数进行模拟。

2、 拉格朗日模型
拉格朗日模型是通过求解单个颗粒的动量方程得到的。

颗粒在流场中受到的力有:流体曳力、热泳力、巴赛特力、虚拟质量力、布朗运动力、压力梯度力、Saffman 提升力等。

通过分析得知，颗粒所受的曳力由斯托克斯曳力定律求得。

因此轨道方程的最后形式为：
2()18()+p
p a a p s p p c p
du g u u F d d C ρρμτρρ-=-+ 式中p u 为颗粒的速度，m/s ；τ为时间，s ； a μ为空气的黏度， Pa s ⋅； p ρ为颗粒的密度，kg/3
m ； p d 为颗粒的直径，m ； c C 为克宁汉修正系数； u 为空气的速度，m/s ； g 为自由落体加速度，m/2s ； a ρ为空气的密度，kg/3m ； s F 为颗粒受到的Saffman 提升力，N 。

颗粒的湍流扩散用随机轨道模型进行模拟，通过RNG K-ε湍流模型求解RANS 方程求得，波动速度a u ′用随机游走模型(DRW)进行模拟。

当颗粒到达空气入口或出口时，将从入口或出口离开，结束颗粒轨道；当到达壁面时，一般情况是粘附到壁面上结束颗粒轨道，因为通常颗粒不能积攒足够的能量来克服壁面的黏附力。

认为流体(空气)与颗粒之间的作用是单向耦合，因为颗粒的数量较少，所以认为颗粒对流体的作用可以忽略不计。

当流场收敛后开始跟踪颗粒轨迹同时记录颗粒在各个时间步长时的位置。

为了得到颗粒的浓度分布，需要将颗粒的轨道进行统计。

颗粒浓度的计算用单元格颗粒源法(PSI2C)。

当跟踪的轨道数目足够大时可以得到稳定的颗粒浓度场。

3、 滑移通量模型
滑移通量模型模拟颗粒扩散的控制方程如下: ()eff p a s u v C C S μρσ⎡⎤⎡⎤∇∙-=∇∙∇+⎢⎥⎣⎦⎣⎦
式中s v 为颗粒的沉降速度，m/s ； C 为颗粒的质量浓度， kg/3m ； eff μ为分子黏度和湍动黏度之和，Pa s ⋅； σ为颗粒的湍流扩散率，这里取1.0； S 为颗粒源项。

滑移通量模型通过加入滑移项()p s v C ρ∇∙将传统的污染物浓度输运方程进行了修正。

这里颗粒的滑移项是由颗粒受到空气对它的曳力和自身重力作用引起的相对空气相的滑移。

颗粒粒径越大，滑移项作用越明显。

颗粒的壁面沉降边界条件将会影响到颗粒在室内的浓度分布，特别是对沉降速度较大的大颗粒，因此颗粒在壁面处的沉降不能忽略。

颗粒在竖直壁面、地板和天花板上的沉积速度分别由以下公式求得。

壁面沉积速度dv v :
*
dv u v I
= 地板沉积速度du v :
*1exp g
du g v v v I u =⎡⎤--⎢⎥⎣⎦
天花板沉积速度dd v :
*exp 1g dd g
v v v I u =⎡⎤-⎢⎥⎣⎦
上式中， *u 为摩擦速度；g v 为颗粒的重力沉降速度。

4、 物理模型
通风小室和相位多普勒测量(PDA)测试系统示意图见下图所示：
模拟小室的尺寸为0.8 m ×0.4 m ×0.4 m(长×宽×高)，空气入口和出口的尺寸都为0.04 m ×0.04 m 。

颗粒的参考浓度为入口处的颗粒质量浓度，其他位置颗粒质量浓度都除以入口处的颗粒质量浓度得到各处的量纲一质量浓度。

5、 计算结果比较
用RNG K-ε湍流模型和零方程模型模拟得到的当入口空气速度为0.225 m/s时流场中心面上x=0.2，0.4，0.6 m三个位置的x方向的速度与实验数据的对比。

从下图中可以看出，两种湍流模型的模拟结果与实验数据吻合得都较好。

而室内中心面上x=0.2，0.4，0.6 m三个位置的颗粒量纲--质量浓度与实验数据的对比显示用拉格朗日模型模拟的结果除了天花板和入口处附近外，与实验数据吻合都较好。

用滑移通量模型模拟的结果在靠近天花板附近与实验数据吻合得较好，其他地方的模拟结果比实验数据稍小。

将颗粒当作被动运输标量处理的模拟结果在0.3 m以下位置与实验数据吻合得较好，而在靠近天花板附近与实验数据差别较大。

国内外研究现状及存在问题
国外对于室内外悬浮物的研究开展得比较早。

早在上世纪 60 年代，荷兰的 Biersteker 测量了鹿特丹的 60 个房间内的 SO2和香烟颗粒物浓度，并且提出室内悬浮物是影响人类健康的一个重要因素。

随后，Shair等人逐渐从理论上展开了关于室内与室外悬浮物关系的研究。

而近年来，随着室内空气品质得到人们的广泛关注，更多的专家展开对室内污染物的研究，美国MIT、同济大学等，均借助CFD研究室内有机散发污染物在室内的分布，研究室内空气品质(IAQ)问题；另外，Cheong KWD等利用 RNG k-ε模型对办公室内的污染源扩散进行了模拟分析，并经过实验验证了模拟的可靠性，JuanAbanto等采用非结构网格的形式，利用RNG k-ε模型对计算机房进行数值模拟分析，并利用组分疏运模型对室内的湿度场进
行预测。

KhanJA等利用两相流模型研究了室内送、排风口的位置对室内污染物扩散的影响。

我国对于室内颗粒物污染研究还非常有限，但也得到了一定程度的重视。

如任晓利等用CFD软件Airpak模拟办公室空调房间在不同的送风温度下的室内温度场和速度场，得出送风温度与室内温度场和速度场的关系。

赵彬等利用离散相模型模拟了室内不同通风方式下生物颗粒的分布情况。

马宗虎等利用 k-ε模型对BSL-3实验室内散流罩送风情况下的气流分布和污染颗粒的扩散情况进行了数值模拟研究。

在过去的几年里，单项流模型不断完善，而对于多相流模型则进展缓慢。

在CFD软件进行模拟时，模型的选取直接关系到模拟的精确性和合理性。

数值模拟过程中如下所述的多个影响因素值得再进一步研究。

要根据问题的不同，选取相适应的多流体模型。

边界问题一直是困扰CFD模拟的老大难问题，对单项流如此，多相流更是如此。

这可能涉及到边界附近颗粒物的运动情况，如沉降、碰撞、粘着等作用。

它直接影响到CFD求解的收敛性、结果的可信性及实际中的可操作性。

但目前在一些实际问题中，无法准确的施加边界条件。

这方面的研究还需要更多的投入和重视。

对于普遍采用的滑移通量模型，也只考虑了重力沉降对颗粒物的影响，而实际上热迁移和紊流也能引起颗粒的滑移，在以后的研究中应注意考虑这方面的因素。

另外，对于室内活动这一影响因素来说，目前的研究主要局限于讨论典型的单独过程，较少分析不同室内活动影响程度的差异性以及几个室内活动同时发生的联合影响。

现在国内外对颗粒物的模拟多是在通风房间进行的，不同的通风方式是影响室内颗粒运动和分布的重要因素。

建议做更多的关于通风策略的研究，特别是风口位置、送风量、新风率以及自然通风环境的研究，同时，通风策略应重点考虑对人体危害较大的细颗粒，找到一种合适的空气分布系统来减少室内颗粒交叉感染风险。

目前地暖房间颗粒物的分布研究很少，随着地暖的应用越来越广泛，不应仅局限于通风房间的研究，也应加强地暖这方面。

参考文献
[1]党伟，张金萍，室内悬浮颗粒的分布规律研究，大众科技2007年9月刊（总第97 期）
[2]赵彬，室内颗粒运动和分布的模拟方法，建筑热能通风空调2006 年 10 月，第25卷第5期
[3]杨彩青，赵彬，杨旭东，刘双科，三种室内颗粒运动分布模拟方法的比较，暖通空调HV&AC，2007年第37卷第4期
[4]李瑛，杜震宇，贾蕾，浅议室内可吸入颗粒物的数值模拟方法，山西建筑，2009年4月第35卷第11期
[5]张锦，刘泽华，陈刚，室内颗粒运动和分布的研究进展，建筑热能通风空调，2010年4月第29卷第2期
[6]刘敏，亢燕铭，翟志斐，室内可吸入颗粒物来源、危害及数值模拟研究，洁净与空调技术 CC&AC，2007年第4期
[7]马荣华，南国良，程景林，大学生公寓室内污染物分布的数值模拟研究，建筑节能，2008年第4期(总第 36卷第 206期)
[8]高清军，庄宏昌，应用FLUENT模拟学生寝室内污染物浓度变化规律，中国科技论文在线，2008年5月第3卷第5期
[9]张国强，宋春玲，陈建隆，F·哈吉格特，挥发性有机化合物对室内空气品质影响研究进展，暖通空调HV&AC， 2001 年第31卷第6期
[10]Li Jiachun，LARGE EDDY SIMULATION OF COMPLEX TURBULENT FLOWS: PHYSICAL ASPECTS AND RESEARCH TRENDS*，ACTA MECHANICA SINICA (English Series)， Voi.17， No.4，November 2001 ISSN 0567-7718。