114气溶胶粒子在风管中沉积特性的研究进展_来苏

114气溶胶粒子在风管中沉积特性的研究进展_来苏

洁净与空调技术ＣＣ＆ＡＣ２００７年第３期专题研讨??１

气溶胶粒子在风管中沉积特性的研究进展

东华大学环境学院来苏☆邹钺

摘

要残留在空调通风管道中的气溶胶粒子被气流带入房间会降低室内空气品质，影响人体健康。

为了改善空调通风系统的卫生状况，国内外的许多学者分别采用物理实验、经验公式、数值模拟等方法研究了气溶胶粒子在管道中的沉积规律，本文详细综述了这部分内容，并对三种方法作出了比较。最后指出今后该领域的研究和发展方向。

关键词

气溶胶粒子通风管道物理实验数值模拟

ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＡｅｒｏｓｏｌＰａｒｔｉｃｌｅｓＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎＶｅｎｔｉｌａｔｉｏｎＤｕｃｔｓ

ＢｙＬＡＩ★ＳｕａｎｄＺＯＵＹｕｅ

ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅａｅｒｏｓｏｌｐａｒｔｉｃｌｅｓｄｅｐｏｓｉｔｅｄｏｎｔｏｄｕｃｔｓｕｒｆａｃｅｓｗｉｌｌｂｅｔａｋｅｎｉｎｔｏｒｏｏｍｓｂｙｓｕｐｐｌｙａｉｒ，ｗｈｉｃｈｗｏｕｌｄｐｏｌｌｕｔｅｔｈｅｉｎｄｏｏｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｃａｕｓｅａｄｖｅｒｓｅｅｆｆｅｃｔｓｏｎｈｕｍａｎｈｅａｌｔｈ．Ｍａｎｙａｕｔｈｏｒｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｐａｒ－

ｔｉｃｌｅｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｄｕｃｔｓｂｙｍｅａｎｓｏｆＰｈｙｓｉｃａｌＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ＥｍｐｉｒｉｃｉｓｍａｎｄＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｅｃｏｎ－ｔｅｎｔｓａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄａｎｄａｂｏｖｅｔｈｒｅｅｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ａｔｌａｓｔｉｔａｌｓｏｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈｅｓｕｂｓｅ－ｑｕｅｎｔｓｔｕｄｙａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｉｎｔｈｉｓｆｉｅｌｄ．

ＫｅｙｗｏｒｄｓＡｅｒｏｓｏｌｐａｒｔｉｃｌｅｓＶｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｄｕｃｔｓＰｈｙｓｉｃａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

★

ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＤｏｎｇＨｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｉｎａ

体感观所接受

［２］

１引言

随着社会生产力和科学技术水平的提高，空气调节技术学科得到了快速的发展。空调系统在现代化建筑中的广泛应用，使得室内空气品质问题越来越引起人们的关注，相关研究日益增多。

室外空气通过三种途径进入室内：空调系统的机械通风、门窗的自然通风以及建筑缝隙的渗透。多数大型商业建筑的空调系统采用机械通风形式，长期生活在这类建筑中的人们极少接触室外自然风，机械通风成为改善室内热环境的主要手段。

然而，日渐发达的空气调节技术在为人类带来诸多益处的同时也引发了一系列的问题。众多研究表明，与自然通风相比，长期处于机械通风环境中的人们会更多地抱怨室内空气品质的低下

［１］

；二是认为空调长期运行使得一

些污染物逐渐积聚在风管中，残留的粉尘和微生物以气溶胶的形式被气流携带到空调房间里，极大地降低了室内空气品质。

前者从机械风和自然风内在的物理特性入手，分析二者紊动特征的区别，提出应当研究和制造具有自然风紊动特性的机械送风设备，以改善送风气流的舒适性

［３］

。该理论于近年提出，目前的

研究尚处于起步阶段，将其应用于实际也存在较大困难，因此并未得到世界范围的认可。

后者通过研究气溶胶粒子在风管中的运动、沉积过程，运用得出的规律控制污染物在管道中的积聚。这是目前国内外公认的改从上世纪中叶起，就已经有学者投入到这方面的研究。气溶胶

☆来苏，女，１９８３年生，在读硕士研究生２０１６２０上海市松江区文汇路３００弄１＃３００７室

，在相

同的热环境下，人们更愿意选择自然通风。

对于产生上述现象的原因，国内外的学者通过做了广泛而深入的研究，基本观点有二：一是认为气流的紊动特性会对人体舒适性产生影响，自然风的湍流强度、脉动频率等参数更容易被人

Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｏｍｅｓｕｅ９１９＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ

收稿日期：２００７－４－２８修回日期：２００７－６－１

??２专题研讨洁净与空调技术ＣＣ＆ＡＣ２００７年第３期

子在湍流管道中沉积率的主要因素有：空气流速、粒子尺度、风管内表面朝向和壁面粗糙度。

微粒的运动非常复杂，从本质上讲属于两相流和多相流的范畴。其中，颗粒物的运动规律除与空气动力学特性有关外，还与颗粒物本身所受各种力场有关，因此很难用解析的方法求解。就目前的成果来看，相关人员主要通过物理实验、经验公式和数值模拟三种方法对气溶胶微粒在管道中的扩散及沉降特性进行研究，本文也将分别从这三方面对国内外学者在这一领域的研究成果进行综述。

３．１．１空气流速和粒子尺度的影响

Ｆｒｉｅｄｌａｎｄｅｒ＆Ｊｏｈｎｓｔｏｎｅ（１９５７）［５］最早对小管径中扩散－碰撞区的粒子进行了研究。实验数据

表明直径在该范围内的气溶胶粒子在管壁上的沉积率随气流速度和粒径的增加而增大。

Ｌｉｕ＆Ａｇａｒｗａｌ（１９７４）［９］和Ｅｌ－Ｓｈｏｂｏｋｓｈｙ（１９８３）

［１０］

２相关参数

粒子在风管表面的沉积速度Ｖｄ定义为：

针对粒子尺度的影响进行了专门的研究，结果

表明在扩散－碰撞区粒子的沉积速度随直径的增加而迅速增大；但在惯性缓冲区，却随直径的增加

（１）

而略微减小。由于方法优良且数据具有可复制性，

Ｖｄ＝Ｊ

ａｖｅ

量，ｋｇ／（ｍ?ｓ）或个／（ｍ?ｓ）；

２

２

Ｌｉｕ＆Ａｇａｒｗａｌ（１９７４）的实验结果通常被后续研

究当作比较基准。

式中，Ｊ———粒子沉积到管道表面的平均通——管道中平均悬浮粒子浓度，ｋｇ／ｍ或Ｃａｖｅ—

３

Ｗｅｌｌｓ＆Ｃｈａｍｂｅｒｌａｉｎ（１９６７）

［１１］

最早研究了处于

扩散区的小粒子，实验结果显示在布朗扩散不可忽略的范围内，粒子的沉积速度随直径的增加而减小。随后Ｃｈａｍｂｅｒｌａｉｎ等（１９８４）［１２］和Ｓｈｉｍａｄａ等

个／ｍ。

无量纲沉积速度定义如下：

３

Ｖｄ＋＝Ｖ式中，ｕ＊———湍流管道流中的摩擦速度。

（２）（１９９３）［１３］的实验结果都证明了这一结论。

国内李念平等（２００６）

［８］

通过对通风管道中

对于Ｓｔｏｃｋｓ流动区的球形粒子，定义其无量纲松弛时间（松弛时间与相关近壁湍动漩涡的时间尺度的比值），可由下式计算：

２２

（３）!＝ＣＣ"Ｐｄｐｕ＊

式中，"Ｐ———气溶胶微粒的密度，ｋｇ／ｍ３；——气溶胶微粒直径，ｍ；ｄｐ—

——分别为空气的动力粘性系数（ｋｇ／ｍ?#，ｖ—

ｓ）和运动粘性系数（ｍ２／ｓ）；

——Ｓｔｏｃｋｓ曳力公式的Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍ修正系ＣＣ—

数，其计算见文献３５。

Ｗｏｏｄ（１９８１）［４］提出了以!＋为依据的沉积区划分原则：扩散区（!＋＜０．１）———气溶胶微粒能对

＋

体积平均粒径为１１．１６μｍ的气溶胶粒子的研究，得出结论：气溶胶颗粒的沉降速度随着风速的减小而减小。

３．１．２风管内表面朝向的影响

水平矩形风管有三种类型的内表面：底面、侧面和顶面。由于重力的影响，直径大于０．１μｍ的粒子在这些表面上的沉积速度是不同的。

早期的研究通常只关注粒子在底面上的沉积，仅有Ｓｅｈｍｅｌ（１９７３）

［１４］

在实验中分别测量了粒

子在底面和顶面的沉积率，结果表明粒子在顶面的沉积率约是底面的十分之一到百分之一。

但是关心粒子在侧面和顶面的沉积对于全面了解湍流中颗粒物的沉积是非常必要的，近年来的不少学者对此进行了研究。ＭａｒｋＲ．Ｓｉｐｐｏｌａ和

最小的紊动涡漩作出反应，紧跟着紊流空气波动；扩散－碰撞区（０．１＜!＋＜１０）———与近壁面的涡漩尺寸相近，气溶胶微粒受强烈其影响，同时微粒的瞬时速度与当地空气流速平衡，但又相脱离；惯性缓冲区（!＋＞１０）———气溶胶微粒相对不受近壁面小涡漩的影响，而仅受原理壁面的大涡漩的影响。

ＷｉｌｌｉａｍＷ．Ｎａｚａｒｏｆｆ（２００４）［１５］对扩散－碰撞区粒子的

实验表明，气溶胶颗粒在底面上的沉降速度总是大于侧面，侧面的沉降速度又大于顶面，且均随气流速度和粒子直径的增加而增加。但当风速一定时，粒子在侧面的沉积率随粒径增加的增幅最大，底面次之，顶面最小；当给定粒子直径时，颗粒物在顶面的沉积受风速影响最大，侧面次之，底面最小。

国内戴若林（２００５）［１６］、李念平（２００６）［８］等也进行了类似的研究，尽管并没有ＷｉｌｌｉａｍＷ．Ｎａｚａｒｏｆｆ

３研究方法及其进展

３．１物理实验法

国内外大量的实验研究表明，影响气溶胶粒

洁净与空调技术ＣＣ＆ＡＣ２００７年第３期

表１

区域代表人物

经验公式法之代表性研究汇总

光滑表面

扩散区顶

侧

底

扩散－碰撞区顶

侧

底

惯性缓冲区顶

侧

底

专题研讨??３

粗糙表面

Ｐａｐａｖｅｒｇｏｓ＆Ｈｅｄｌｅｙ（１９８４）［１９］Ｋａｙ＆Ｎｅｄｄｅｒｍａｎ（１９９０）［１８］Ｅｒｈａｒｔ（１９８６）［２０］Ｗｏｏｄ（１９８１）［４］Ｗｏｏｄ（１９８１）

［４］

－（４）（９）－－－－－－

－（７）（５）－－（１０）－－－－

（８）－（６）－－－－

－

－－－－－－－－

水力光滑区（０．４５ｋ＋≤５）：（１３）～（１４）粗糙过渡区（５≤ｋ＋≤７０）：（１５）

（１１）～（１２）

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