壁挂炉排放颗粒在建筑之间的扩散特性

乔文佳 贺启滨 刘艳华

1西安交通大学人居学院

2深圳市建筑科学研究院有限公司

壁挂炉排放颗粒在建筑之间的扩散特性

乔文佳1贺启滨2刘艳华1

1西安交通大学人居学院

2深圳市建筑科学研究院有限公司

本文利用湍流-模型及离散相模型（DPM）数值研究了当两栋建筑之间设置燃气壁挂炉时，排烟中粒径为1μm、10μm和100μm的颗粒物的扩散特性及其对建筑物周围环境的影响。结果表明：来流方向和颗粒尺寸均会影响排烟颗粒物的扩散。燃气壁挂炉排烟方向与来流风向相反时，在两栋建筑物中间形成的大尺度涡旋，有利于大尺度颗粒物的扩散；当排烟方向与来流方向相同时，建筑物中间所形成的涡旋，使颗粒物的扩散困难，颗粒物在排放口附近积聚明显，恶化了排放建筑附近的空气质量。1μm和10μm粒径的颗粒物追随流体的性能好，其运行轨迹主要受流体影响。100μm粒径颗粒物因其自身重力较大，颗粒物运行轨迹主要受重力影响，其对环境的影响取决于重力与涡的力量平衡。

燃气壁挂炉颗粒物离散相模型（DPM）；k-ε模型

0 引言

近年来，燃气壁挂炉因其良好的经济效益和社会效益而迅猛发展[1]，但也带来了环境污染的新问题[2～3]。壁挂炉的排烟中不仅含有一氧化碳、氮氧化物等气态污染物，也有固体颗粒物。研究表明，颗粒物可引起呼吸系统及心脑血管等多种疾病。Dockery等的研究指出，居住在颗粒物浓度大的城市，居民心血管疾病死亡的危险可增加30%[4]。Ouur等应用健康影响评估方法对爱沙尼亚五个主要城市街区颗粒物污染状况进行了量化分析，结果发现，这五个地区的细颗粒物对呼吸系统疾病的发病率和死亡率均有影响并导致寿命缩短[5]。

目前，用户安装壁挂炉后，锅炉排烟对小区内环境的影响方面的研究比较少。鉴于此污染对小区环境的影响不能忽视，故本文利用湍流k-ε模型及离散相模型（DPM）数值研究了两栋建筑之间设置燃气壁挂炉时、排烟中粒径为1μm、10μm和100μm颗粒物的扩散特性及其对建筑物周围环境的影响。

1 物理模型

1.1物理模型及网格划分

本文主要研究不同风向下、不同颗粒物粒径下壁挂炉排烟中固体颗粒物扩散的特性，因此采用三维模型（图1）来对此问题进行研究。建筑物尺寸参数为：建筑物长l=20m、宽w=10m、高h=10.4m（四层楼房），两栋建筑物间距离a=15m，如图1左侧建筑物每层有r=0.1m的面排烟口。坐标原点取在地面两栋建筑间距的几何中心，Z轴垂直向上为正方向。采用非结构网格，并在排烟口、壁面及其附近区域进行网格加密。加密区域为距离建筑物外围各10m、高度20.4m的立方体。图2为结果分析剖面所在位置的示意图。

图1 物理模型尺寸参数图

图2 剖面示意图

1.2城市风廓线

目前常用的城市地面风速廓线有指数形式和对数形式2种，本文采用指数形式[6]：

式中：zb和uzb分别为参考高度和参考高度上的风速；α为地面粗糙度指数。取zb=10m/s，uzb=2.0m/s，α=0.24。

1.3颗粒物参数

颗粒物密度取2000kg/m3，粒径取1μm、10μm、 100μm；颗粒物总质量流量取0.003kg/s，并且由各排烟口均匀排出。

2 控制方程及边界条件

2.1控制方程

本文采用标准k-ε模型模拟风场，对于固体颗粒物的扩散采用DPM方法，连续相和离散相耦合。对于颗粒相本文做如下假设：①假定所有颗粒相都为球形；②由于颗粒相所占体积比率十分小，所以不考虑颗粒的碰撞。通过对颗粒所受的各种外力平衡方程可以得到预测颗粒的运动轨迹运动方程如下：

式中：u为流体项速度；up为颗粒速度；FD(u-up)为颗粒的单位质量曳力；为重力和浮力项；Fx为颗粒所受的其它力。

对于颗粒的单位质量曳力，表达式为

式中：μ为流体动力粘性系数；ρ为流体密度；ρp为颗粒密度（骨架密度）；dp为颗粒直径；Re为相对雷诺数。其定义为

Fx由布朗力、萨夫曼剪切提升力、马格努斯旋转提升力、压力梯度力、热作用力（热泳力、光泳力）、虚拟质量力、倍瑟特力、范德华力、碰撞阻力等九种力组成。通过对这九种力进行数量级分析。本文计算中考虑了布朗力和萨夫曼剪切提升力。布朗力表征的是微小颗粒热运动所受的力，粒径越小，布朗力越大；萨夫曼剪切提升力是由于流场中的速度梯度引起，其表达式为

式中：ui为流体项速度；upi为颗粒速度；v为流体运动粘性系数；dij为变形速率张量；kc=2.594为一常数[7]。

本文应用轨道模型来考虑颗粒湍流扩散对轨迹的影响。随机轨道模型通过计算足够多的颗粒轨迹，湍流对颗粒的随机性影响就可以得到考虑。在随机轨道模型中，脉动速度u'是关于时间（颗粒与流体涡团相互作用时间）的分段常量函数，颗粒与流体涡团相互作用时间取流体涡团的特征生存时间τe和颗粒穿过流体涡团的时间tcross的较小值。其中，

经验常数CL在k-ε模型中取为0.15，r为服从（0，1）区间均匀分布的随机数。其中

式中：τ为颗粒松弛的时间，Le为涡团特征长度标尺，|u-up|为颗粒与流体速度差。

经过流体与颗粒相互作用的时间间隔，颗粒终止在当前涡内的计算，并在下一个时间间隔，颗粒进入一个新的涡团，重复以上步骤获得颗粒新的速度、轨迹。当颗粒碰到壁面被捕捉或离开计算区域时，终止轨迹的计算。

2.2边界条件

1）入口边界条件：速度入口边界条件。

2）出口边界条件：质量出口边界条件。

3）壁面边界条件：地面和墙面无滑移边界条件；计算域的上边界、左右边界取为对称边界，相当于滑移边界条件。

4）颗粒相边界条件：壁面为reflect边界条件；出口和入口为escape边界条件。

5）对控制方程离散格式：二阶迎风格式，simple算法非耦合计算。

3 结果分析

3.1流场分析

图3给出的是y=0剖面的速度矢量图。从图中可看出，当壁挂炉的排烟方向与气流方向相反时，外部来流遇到前排建筑阻挡，在位置1处有涡旋，如图3（a），同样，气流在两栋建筑物中间区域2处及后排建筑物下游3处形成涡旋。当排烟口的排烟方向与气流方面相同时，以上三个位置的涡仍然存在，且其结构及尺度基本相近，如图3（b）所示。但是，在两栋建筑之间所形成的涡的旋转方向及其对排烟扩散的影响是不同的。图3（a）中的涡有利于轻质污染物的提升与扩散，而图3（b）的涡结构可能阻碍污染物的扩散。

图4给出的是z=5剖面上的速度矢量图。从图中可看出，无论来流方向如何，前排建筑物的阻挡形成绕流，在两栋建筑物中间形成大尺度涡旋，同时在后排建筑的下风处也形成涡旋。两栋建筑中间的涡旋对排烟的扩散有影响，可以看出，图4（a）涡旋有利于污染物向建筑两侧扩散，而图4（b）涡旋则可能抵制排烟污染物的扩散。

图3 y=0剖面速度矢量图

图4 z=5剖面的速度矢量图

3.2颗粒相轨迹分析

图5给出的是排烟方向与来流风向相反时排放颗粒物的扩散轨迹图。从图中可看出，粒径为1μm和10μm的小尺寸颗粒物，由于重力较小，颗粒对流体的跟随性能好，此时颗粒的运动主要受曳力影响，这两种粒径的颗粒物的轨迹极为相近，部分颗粒在气流的作用，随气流从建筑顶部移向下游。但尺寸为10μm的颗粒被移至下游的量明显少于粒径为1μm的情况。由于涡的作用，轻质颗粒在两栋建筑之间的停留时间长，且排放源对相邻建筑周围的空气质量影响很大。由于两栋建筑之间形成的涡旋作用此粒度颗粒物可恶化相邻建筑物附近的空气质量。由粒径为100μm的颗粒物粒子运动轨迹可看出，由于颗粒物的尺度较大，其质量也大，在重力的作用下，颗粒物的下沉趋势明显，如图5（c）。此时基本没有颗粒能从建筑物的顶部离开由二栋建筑形成的“峡谷”区域，部分颗粒物下沉到两栋建筑之间的峡谷区域。

图5排烟与风向反向时颗粒物的轨迹图

图6 给出的是排烟方向与来流风向相同时颗粒物扩散轨迹图。可以看到，粒径为1μm、10μm的颗粒物，追随流体的特性好，运动轨迹基本和流体运动方向一致，相当部分的颗粒能跟随气流离开建筑物。该结果也说明在这个数量级下，粒子轨迹主受粒径影响不大，粒子跟随流体运动趋势明显。但是，当颗粒的直径为100μm时，图6（c）可以看到，由于颗粒尺寸大，下沉明显，再加上两栋建筑间形成的涡不利于颗粒物的扩散，大部分颗粒聚集于排放源附近，很难扩散。

图6 排烟与风向同向时颗粒物的轨迹图

4 结论

本文利用湍流k-ε模型及离散相模型（DPM）对两栋建筑之间设有燃气壁挂炉时排烟中粒径1μm、10μm和100μm颗粒物的迁移轨迹进行了数值研究。主要结论：

1）来流方向影响颗粒物的扩散。当燃气壁挂炉排烟与来流风向相反时，在两栋建筑物中间形成的涡旋，有利于大尺度颗粒物沿地面从建筑物两侧扩散；当排烟方向与来流方向相同时，建筑物中间所形成的涡旋，阻碍了大颗粒物的扩散。颗粒物在建筑排烟口附近的积聚现象明显，恶化了该处的空气质量。

2）颗粒粒径影响污染物的扩散。1μm和10μm粒径的颗粒物追随流体的性能好，运行轨迹主要受流体运动特性的影响，无论来流方向如何，由于受两栋建筑中间涡的影响，小尺度颗粒容易积聚在两栋建筑物的中间区域，对该区域的空气质量影响较大。100μm粒径颗粒物因其自身重力较大，颗粒物运行轨迹受重力影响大，其对环境的影响取决于重力与涡力量之间的平衡。

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Diffus ion of Pa rtic le s from Wa ll-m ounte d Boile r in Re s ide ntia l Zone

QIAO Wen-jia1,HE Qi-bin2,LIU Yan-hua1
1 School of Human Settlements and Civil Engineering,Xi'an Jiaotong University 2 Shenzhen Institute of Building Research Co.,Ltd.

With the turbulence model of-and the Dispersed Phased Model(DPM)the diffusion characteristics of smoke from the exits of wall-mounted gas boilers between two buildings in residential zones are studied.The sizes of the smoke particles are 1μm,10μm and 100μm.The results show that both the direction of wind and the size of particles affect the diffusion of smoke.When the direction of wind is opposite the smoke the vortex formed between the two buildings enhances the diffusion of large scale particles,while when the direction of wind is opposite that of smoke it impedes the diffusion resulting in the accumulation of smoke particles around the vent and the worse air quality there. The particles,the size of which is in between 1μm and10μm follow well the wind.The track of them is mainly affected by the motion of wind.The motion track of 100μm particles is affected greatly by the gravity of them and the diffusion of them depends on the balance of the gravity and the energy of vortex.

wall-mounted gas boiler,particles,DPM,k-ε model

1003-0344（2014）06-055-4

2013-8-16

乔文佳（1988～），男，硕士研究生；西安市咸宁西路28号西安交通大学兴庆校区人居学院（710049）；E-mail:798656402@qq.com

“十二五”国家科技支撑计划（2012BAJ09B01）；“十二五”国家科技支撑计划（2012BAJ06B03）。