地下停车场污染物扩散数值模拟

高超 吴伟亮

上海交通大学机械与动力工程学院

地下停车场污染物扩散数值模拟

高超 吴伟亮

上海交通大学机械与动力工程学院

传统的观念认为只要保证车库内部的污染物浓度控制在合理范围内，就其通风系统满足要求，而不关心排出的污染物对外部环境的影响。对于人口密集区的地下车库，由于周边人口密度很大，污染物直接排出将会危害周边人群的健康，还会造成二次污染，应考虑添加空气净化装置，对污染物排放进行总量控制。本文根据某大型地下车库建立模型，通过数值模拟考察污染物的分布情况，从而为选择空气净化装置的最佳安装位置提供指导意见。

空气污染 空气净化 CO浓度场 CFD模拟

0 引言

本文针对人口密集地区的地下大型车库，利用数值模拟的方法对空闲时段与高峰时段地下车库的通风流场进行研究，对车库内污染物的分布进行了计算，考察了污染物分布规律，从而为空气净化装置的安装提供指导意见。

1 通风系统建模

车库内流场复杂多变，本文主要研究空闲时段与高峰时段两种有代表性的情况下污染物分布规律。空闲时段对应车库内进出车辆稀少的情况，高峰时段对应车库内进出车辆较多的情况。

1.1 尾气释放量和组分的确定

不同品牌及类型的汽车，不同运行状态，尾气排量均不同。选取不同类型及品牌汽车在低速运行时尾气排量的平均值，比较接近车库内的实际情况。根据文献计算得到平均每辆车尾气释放量为473.8ml/min[1]。

地下车库内汽车排放的污染物中主要含有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物等有害物质[2]。据研究表明：在低速状态下，以上三种污染物CO、HC及NOX散发量的比例分别为7、1.5和0.2[3]。所以在地下停车库的通风量计算与控制中，通常以CO浓度为依据，如果CO浓度指标达到要求，那么其他污染物浓度也一定会满足要求[4～5]，因此本文将主要考察尾气中的CO。

根据文献，尾气组分质量分数设定CO为0.08，CO2为0.11，H2O为0.11，O2为0.02，H2为0.01，CO允许浓度取200mg/m3[6～8]。本文假设气体物性为常数，CO浓度与尾气占混合气体的质量分数是一一对应的，可以将CO的允许浓度转换为尾气质量分数，取0.002，本文将以此做为判别车库内空气质量的标准。

1.2 几何模型的建立

某地下车库建筑面积为8650m2，层高3.6m，采用机械通风系统组织车库通风。车库的几何模型如图1所示。一个新风管道位于远离进出口的底部，四个排风管道位于图1中部和下部，大致呈左右对称布置。车库中间位置长方形箭头所示区域为车辆进出车库的主要通道，为车库内部CO主要发生区域，其余结构主要为水泥支撑结构以及车辆几何模型。

图1 车库平面图

新风管道与排风管道安装风机型号相同，风量为45679m3/h。送风口有8个，尺寸为0.8m×0.32m。排风口有44个，尺寸为0.63m×0.25m。车库内最多可停放汽车188辆。

1.3 物理模型简化假设

地下车库流场实际上属于粘性、三维、非稳态流动。为了能够在现有的计算条件下反映实际情况，抓住问题的主要矛盾，对用于计算的物理模型作以下假设：

1）车库气流流动是三维稳态流动，各变量不随时间变化；

2）室内气流作不可压缩气体处理，空气和污染物的特性参数为常数；

3）考虑尾气排放及车体散热对流场的影响；

4）不考虑车库墙壁与空气的换热，认为车库壁面绝热；

5）尾气发生区如图1所示黑色区域，认为污染源的尾气发生率恒定。

车库中间位置长方形区域为车辆进出车库的主要通道，为CO主要发生区域，作为尾气发生区进行研究。为简化问题，进行浓度场模拟计算时，忽略车辆怠速运行释放CO的动态过程和汽车停放的随机性，将CO视为体积污染源释放，认为CO释放区污染物发生率恒定。按照每分钟车库平均进出一辆汽车，考虑汽车在车道上停留时间，相当于车道上有两个汽车在同时排放尾气，将尾气释放量平均到尾气发生区的表面上，得到污染物平均释放速率。

1.4 流体动力学控制方程

在计算中，车库内气体流动假设为定常、粘性、不可压缩流动。需要研究空气流动的速度场、温度场、污染物浓度场情况，其流动过程要受物理守恒定律的支配，即：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律、组分质量守恒定律。为了便于对各控制方程进行分析，建立各基本控制方程的通用形式[9]:

式中：Φ为通用变量，可以代表u、v和w、T等求解变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。式中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项。对于特定的方程，Φ、T和S具有特定的形式，表1中给出了三个符号与各特定方程的对应的关系。

表1 通用控制方程中各符号的具体形式

1.5 通风模型的边界条件

根据送、排风机的工作风量与送、排风口的尺寸，得到送、排风口的速度边界条件。车库8个送风口风速为6.2m/s，中部的20个排风口风速为8.1m/s，车库进出口附近的24个排风口风速为6.7m/s。车库进出口定义为开口边界条件，相对压力定义为0Pa，参考压力为1atm。

CO污染源边界条件设为速度入口，为16.3mm/s，尾气温度定义为798K。停在车库内部分汽车模型考虑其散热，壁面温度定义为323K。

固体壁面采用无滑移壁面，壁面粗糙度定义为光滑壁面，传热类型为绝热。因为考虑车库中气流速度较低，热量传输模型选择热焓模型；湍流模型选择k-ε模型，使用Scalable壁面函数。求解格式定义为高阶求解格式[10]。

2 模拟结果与分析

2.1 空闲时段

车库在空闲时段没有车辆进出，送、排风机持续开启，并没有尾气排放，下面将针对这种情况进行研究。假设尾气初始浓度场恰好满足卫生标准，即其质量分数为0.002，模拟得到尾气质量分数云图（图2），速度云图（图3）与流线图（图4～图5）。CFD模拟结果选取成年人呼吸的高度范围，距离地面高度为1.70m的平面进行显示。

图2 尾气质量分数云图

图3 速度云图

图4 二维平面流线图

图5 三维流线俯视图

按人们的日常经验，在无新污染物加入且通风系统运行的情况下，污染物浓度应降低。而计算结果显示，污染物浓度在车库左下角与右下角排风管道区域出现升高现象，发生污染物聚集现象，最高质量分数达到0.0022，超过了计算设定的初始浓度，由此可见该车库内部流场通风不够合理。

速度云图显示以上区域气流速度较低，观察二维流线图，发现在这些区域均出现较明显的局部漩涡。但存在局部漩涡并不一定引起污染物聚集，仍需要进一步考察。选取车库平面图左下角的污染物聚集区进行研究，观察其三维流线图，可以看到在该位置形成贯穿上下空间的三维立体涡，使进入该漩涡的污染物难以扩散，这就是该区域出现污染物聚集的原因。对于其他在二维平面流线图中存在局部漩涡但并没有形成污染物聚集的区域，可认为这些区域只在局部空间形成漩涡，并没有形成贯穿上下空间的三维立体涡，污染物从局部漩涡中逃逸。

2.2 高峰时段

在高峰时段，单位时间进入车库的汽车数量显著增加，车库内部空气质量恶化。高峰时段进入车库的车辆每时每刻都在变化，选取每分钟进出一辆车的情况作为研究对象。在考虑平均一分钟进出车辆为一辆时，送风机、排风机持续开启且污染物持续排放情况下，流场达到稳定时，尾气质量分数云图（图6），气流速度云图（图7）和二维流线图（图8）如下所示。

图6 尾气质量分数云图

图7 速度云图

图8 二维平面流线图

从尾气质量分数云图来看，在远离汽车运行通道即尾气发生区的位置，在车库左下角与右下角排风管道区域以及送风口未覆盖区域的污染物较为集中。速度云图显示以上区域气流速度较低，二维流线图显示在这些区域存在明显的局部漩涡。根据上面空闲时段的分析可推断是因为在这些区域出现贯穿上下空间的立体漩涡，造成污染物聚集。对于其他低速、存在局部漩涡但污染物浓度并不高的区域，可以认为虽然该区域气流速度较低，但没有形成贯穿上下空间的立体涡，仍然起到了一定的通风效果。

3 结论

根据计算分析，可以得出车库中污染物分布具有如下特点：

1）在空闲时段，污染物浓度在车库左下角与右下角排风管道区域出现升高现象，发生污染物聚集现象，超过了计算设定的初始浓度；

2）在高峰时段，污染物主要聚集在新风管道未覆盖区域及车库左下角与右下角排风管道区域；

3）空闲时段与高峰时段的污染物聚集在临近的区域，两种情况下的污染物聚集区主要集中在新风管道未覆盖区域及车库左下角与右下角排风管道区域，为空气净化装置的安装提供了可行性。污染物聚集的主要原因是出现贯通上下空间的三维立体涡，改善流场应从破坏这些立体涡入手。

[1]H K Versteeg,W Malalasekera.An Introduction to Computationa -l Fluid Dynamics:The Finite Volume Method[M].New York: Wiley,1995

[2]Krarti M,Ayari A M.Overview of existing regulations for ventila -tion requirements of enclosed vehicular parking facilities[J].ASHRAE Transactions,1999,105(2):18-26

[3]蔡浩,朱培根.地下车库诱导通风系统的数值模拟[J].流体机械, 2004,32(12):27-30

[4]Ho J C,Xue H,Tay K L.A field study on detemination of carbon monoxide level and thermal environment in an undergound car park[J].Building and Environment,2004,39(1):67-75

[5]ASHRAE.ASHRAE Handbook-HVAC application[M].Atlanta: ASHRAE,1999

[6]中华人民共和国卫生部.工作场所有害因素职业接触限值(GBZ2-2002)[S].2002

[7]汽油车双怠速污染物排放标准(DB11/044-1999)[S].1994

[8]中华人民共和国卫生部.室内空气质量卫生规范[S].2001

[9]黄雪,张慎言.地下汽车库的通风系统和防排烟的设计问题[A].见:全国暖通空调制冷2002年学术年会资料集[C].2002:130-133

[10]谢龙汉.ANSYS CFX流体分析及仿真[M].北京:电子工业出版社,2012

Num e ric a l Sim ula tion of Polluta nt Dis pe rs ion in the Unde rgroud Ga ra ge

GAO Chao,WU Wei-liang
School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University

Only pollutant concentration inside underground garage is cared about in traditional standard,regardless of the influence of discharged pollution on the external environment.However,the discharged pollutant of the underground garage in densely populated areas will cause serious damage to the health of people in the surrounding,and air purification device should be added.According to the underground garage of a hospital,a few suggestions about the best installation location is proposed by numerical simulation.

air pollution,air purification,CO concentration field,CFD simulation

1003-0344（2015）03-013-4

2014-2-22

高超（1989～），男，硕士研究生；上海交通大学机械与动力工程学院（200240）；E-mail:gaochaoverycool@163.com