119室内3种送风方式下人体气溶胶颗粒数值模拟_冯国会_明月_兰信
2014年1月第30卷第1期沈阳建筑大学学报（自然科学版）JournalofShenyangJianzhuUniversity（NaturalScience）Jan．2014Vol．30，No．1文章编号：2095－1922（2014）01－0131－06doi：10．11717/j．issn：2095－1922．2014．01．20
室内3种送风方式下人体气溶胶颗粒数值模拟
冯国会，明月，兰信颖，张一，李慧星
（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳110168）
要：目的探讨空调房间不同气流组织形式下，人体持续说话散发气溶胶颗粒污染物的运
动分布规律，探求空调房间合理的气流组织形式．方法运用CFD—fluent6.2模拟软件对空调摘房间上送下回、顶送下回及下送顶回3种送风方式进行模拟研究．分析不同送风方式下人体散发气溶胶颗粒的质量浓度分布及传播距离，房间换气次数对气溶胶污染物的质量浓度影响．结果顶送下回送风方式5次/h换气时气溶胶颗粒运动距离为1.5m，而10次/h换气时气溶胶颗粒运动距离为1.0m．结论相同换气次数下，顶送下回送风方式室内空气质量较佳．随着换气次数的增加，室内同一位置污染质量浓度降低，颗粒物传播范围减小．对于顶送下回送风方式增大换气次数不能降低人体感染风险．
关键词：气流组织；人体气溶胶颗粒；质量浓度场；数值模拟
+中图分类号：TU111．45；X51文献标志码：A
TheNumericalSimulationofHumanAerosolParticlesunder
ThreeAirSupplyMethodsinＲoom
FENGGuohui，MINGYue，LANXinYing，ZHANGYi，LIHuixing
（SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering，ShenyangJianzhuUniversity，Shenyang，China，110168）
Abstract：Exploredifferentairfloworganizationforminairconditioningroom，thehumanbodyspeakingsprayaerosolparticles，themovementofaerosolparticlescontaminantdistribution，searchforreasonableairorganizationform．UsingCFD-fluent6.2simulationsoftwaretosimulateairflowinaconditioningroomunderthreeventilationmethods：upsupplyanddownreturn，topsupplyanddownreturnanddownsupplyandtopreturn．Analysisoftheconcentrationanddistributionaroundhumanbodyaerosolparticlesunderdif-
andtheroomairchangerateaccordingtoaerosolpollutantsconcentrationeffects．ferentairsuppliedway，
Whenairchangrateis5/h，theaerosolparticlesmovementdistanceis1．5m；andairchangerate10/h，the
topsupplyanddownreturn，thewayaerosolparticlesmovementdistance1．0m．Atthesameairchangrate，
ofventilation，givesindoorairqualitybetter．Alongwiththeincreaseofairchangerate，thesamepositionin-doorairpollutionconcentrationandtheparticletransmissionrangereduced．Increasingairchangerateinthetopsupplyanddownreturnwaycannotreducethehumanbodyinfectionrisk．
Keywords：airorganization；humanaerosolparticles；concentration；numericalsimulation
我国每年因公共安全问题造成的经济损失达［1］几千亿元，约占GDP总量的3%～6%，给人民收稿日期：2011－12－10
基金项目：国家自然科学基金项目（51378318）；辽宁省高等学校创新团队项目（LT2013013）；沈阳市科技局基金项
目（F11－264－1－17）
作者简介：冯国会（1964—），男，教授，博士，博士研究生导师，主要从事建筑节能与室内环境控制技术方面的研究．
132沈阳建筑大学学报（自然科学版）第30卷
群众生命和财产带来重大损失，严重地影响到国民经济的可持续发展．人类面临空气传播感染的风险已经不容忽视
［2－7］
送下回；（3）下送顶回（见表1）．风口设置如表2
所示．模拟工况如表3所示
．
．人体呼吸、说话、咳嗽、打
喷嚏时散发的气溶胶颗粒，携带大量致病病
［8－10］
，毒在室内人们更容易接触和感染致病病毒，而室内合理的气流组织形式对室内空气品质
［11］
起到决定性作用．笔者利用CFD—fluent6．2模拟软件对空调房间人持续说话时散发气溶胶颗粒的分布进行模拟，探讨空调房间不同气流组织形式下，气溶胶颗粒污染物的运动分布规律，探求空调房间合理的气流组织形式．
1
1.1
数值模拟方法
空气流动模型
1．顶送风口，方形散流器（下送顶回做回风口）；2．侧上送风口，单单层百叶；4．下送风口单层百叶（顶送下回层百叶；3．下送风口，
时做回风口）；5．人嘴；6．人体。
流体流动都要遵循守恒定律的支配，基本的
守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律及组分守恒定律．对于室内空气的湍流流动而言，通用控制方程可表示为
（ρ）
+div（ρu）=div（Γgrad）+S．（1）t
式中：φ为通用变量；ρ为流体密度；u为流体质点速度；Г为广义扩散系数；S为广义源项．1.2
颗粒模型
对于人体散发气溶胶颗粒采用Lagrange方［13－15］
，法处理即通过求解下列单个颗粒（群）的
运动方程（由牛顿第二运动定律得到）得到颗粒速度后再对时间进行积分得到运动轨迹：
dupi
Fi=．
dt
图1
Fig.1Table1
送风方式上送下回顶送下回下送顶回
空调房间物理模型3种送风方式
Airconditioningroomphysicalmodel
表1
Threekindsofairdistributionmode
送风口位置左墙上侧天花板中央左、右墙下侧
回风口位置右墙下侧右墙下侧天花板中央
表2Table2
风口位置
风口设置
Tuyereconfiguration
风口长×宽/cm
40×4040×4060×1060×1060×10
风口用途送风口回风口送风口送、回风口、送、回风口、
风口形式方形散流器单层百叶单层百叶单层百叶单层百叶
（2）
天花板中央天花板中央左墙壁上侧左墙壁下侧右墙壁下侧
式中：upi表示颗粒在i方向的速度；Fi表示颗粒在
i方向被施加的全部单位质量力，表达式为
Fi=Fd+G+Fai．
（3）
式中：Fd表示拖拽力；G表示重力；Fai表示单位颗粒质量所受其他外力．随着颗粒的性质以及流场各种力大小不同，可以根据其大小忽的性质不同，
［16］
略一些足够的小的力来简化模型．
表3
Table3
工况1
房间换气/（次·h）55
2
1010
模拟工况
Simulationconditions
送风温度/℃21212121
风口长×宽/m0．6×0．10．4×0．40．6×0．10．4×0．4
送风速度/（m·s－1）1．380．522．781．04
2
2.1
物理模型及边界条件
物理模型
所模拟的空调房间长宽高为500cm×
400cm×300cm（见图1）．人体模型简化后为0.2m×0.6m×1.5m，头部为0.2m×0.2m×0.2m．3种气流组织方式：（1）上送下回；（2）顶
2.2边界条件
inlet），送风口采用速度入口（velocity-排风口
第1期冯国会等：室内3种送风方式下人体气溶胶颗粒数值模拟133
采用自由出流（outflow）出口，保证入口的质量流量等于出口的质量流量．壁面处采用壁面函数．天四周墙壁恒定温度24℃．花板和地板绝热，
人体持续说话散发气溶胶颗粒粒径为1μm，从人嘴喷射气流速度为2m/s，总的释放率为0.085μm/s［17］．将人嘴简化为2cm×2cm的正方形平面，假定人讲话时从人嘴持续稳定散发气“捕捉”（trap）条件，溶胶颗粒物．壁面处采用即颗
粒物碰到墙壁后不反弹被捕捉．
3
3.1
模拟结果
工况1模拟结果
图2表示模拟工况一条件下截面y=
200cm，上送下回送风方式下，气流速度分布和人体气溶胶颗粒质量浓度分布
．
图2
Fig.2
工况1上送下回截面模拟结果
Case1，theupsupplyanddownreturnsectionsimulationresults
由图2（a）气流可以看出低温气流从上侧送
风口射出后，由于不断同周围空气进行能量交换，射流范围逐渐增大，而速度减慢，当气流碰到人体后一部分气流沿人体向下运动，形成环流从下侧回风口排出，另一部分气流越过人体继续相前运动，到达对面墙壁后沿壁面向上运动，由于冷空气的卷吸作用在房间上部形成一个大的漩涡．由2
（b）气溶胶颗粒质量浓度图可以看出气溶胶颗粒
污染物从人嘴飞出后，在人嘴附近有一较小的个密集区域，之后向下运动．
图3表示模拟工况一条件下截面y=200cm，顶送下回送风方式下，气流速度分布和人体气溶胶颗粒质量浓度分布
．
图3
Fig.3
工况1顶送下回截面模拟结果
Case1，thetopsupplyanddownreturnsectionsimulationresults
由图3（a）气流速度矢量图可以看出，低温气
流从天花板射出后向下运动，不断卷吸两侧空气，一部分气流碰到人体绕过障碍向下运动，大部分气流直接向下运动到达地面后沿地面进入回风口，图中人体左侧由于气流卷吸及浮力作用形成
一个漩涡，由于人体障碍物及回风口的作用使左
右两侧气流不对称分布，气流从人体前侧头部直接吹到脚部．由图3（b）气溶胶颗粒质量浓度图可以看出气溶胶颗粒污染物从人嘴飞出后，在人嘴附近有一较小的个密集，在人体前0.5m处基本
134沈阳建筑大学学报（自然科学版）第30卷
垂直向下运动，传播距离仅为0.5m．
图4表示模拟工况一条件下截面y=
200cm，下送顶回送风方式下，气流速度分布和人体气溶胶颗粒质量浓度分布
．
图4
Fig.4
工况1下送顶回截面模拟结果
3向，纵坐标表示颗粒质量浓度（kg/m）．总体来说，在相同截面上同种送风方式不同送风次数下，
Case1，thedownsupplyandtopreturnsectionsimulationresults
由图4（a）气流速度矢量图可以看出，气流由下侧两个送风口进入房间到达一定高度受到人体
障碍影响，产生回流现象被迫改变方向，沿人体两侧气流向上运动，并在人体左右两个区域形成两
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