畢業(yè)論文--通風(fēng)對室內(nèi)有害氣體凈化效應(yīng)

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　　通風(fēng)對室內(nèi)有害氣體凈化效應(yīng)</p><p><b>　　年 月 日</b></p><p>　專業(yè)名稱：理論與應(yīng)用力學(xué)</p><p>　年級班級：力學(xué)10-01班</p><p>　學(xué)生姓名：</p><p&

2、gt;　指導(dǎo)教師：</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　　二、起止日期 2014 年 4 月 1日 至 2014 年 6 月 10日</p><p><b>　　三、主要任務(wù)與要求</b></p><p>　　（一）建立三維實物模型，選擇合適的湍流封閉模型和基本微分方程的求解方法。主要講解多相

3、流模型和標(biāo)準(zhǔn)湍流模型。</p><p>　?。ǘ┦褂胒luent軟件采用標(biāo)準(zhǔn)的方程和多相流混合模型進(jìn)行求解</p><p>　　求解在風(fēng)速為1m/s時，木質(zhì)地板散發(fā)的甲醛的濃度分布</p><p>　　求解在風(fēng)速為2m/s時，木質(zhì)地板散發(fā)的甲醛的濃度分布；</p><p>　　求解在風(fēng)速為3m/s時，木質(zhì)地板散發(fā)的甲醛的濃度分布；</

4、p><p>　　求解在風(fēng)速為1m/s時，木質(zhì)地板、沙發(fā)、立柜散發(fā)的甲醛的濃度分布；</p><p>　　求解在風(fēng)速為2m/s時，木質(zhì)地板、沙發(fā)、立柜散發(fā)的甲醛的濃度分布；</p><p>　　求解在風(fēng)速為3m/s時，木質(zhì)地板、沙發(fā)、立柜散發(fā)的甲醛的濃度分布；</p><p>　?。ㄈ┍容^上述不同情況下，室內(nèi)甲醛氣體的濃度分布，得出有利于室內(nèi)甲醛

5、擴(kuò)散的比較好的風(fēng)速。</p><p>　　（四）最后，對本文的研究工作進(jìn)行總結(jié)、歸納，并提出需要進(jìn)一步研究的工作。</p><p>　　指導(dǎo)教師： 職稱： </p><p>　　院 領(lǐng) 導(dǎo)： 簽字（蓋章）</p><p><b>　　年 月 日</b>&

6、lt;/p><p>　　通風(fēng)對室內(nèi)有害氣體凈化效應(yīng)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞與人類健康密切相關(guān)。新型建筑材料、裝潢材料和家用化學(xué)材料的推廣使用，造成室內(nèi)空氣污染嚴(yán)重，而甲醛是室內(nèi)空氣污染危害最嚴(yán)重且最常見的是污染物之一。有效的通風(fēng)可以控制室內(nèi)甲醛濃度而使其很容易地符合設(shè)計要求。</p&g

7、t;<p>　　本文采用Fluent 軟件來模擬三維空調(diào)室內(nèi)氣流組織的流動形式，研究了送風(fēng)速度對僅有木質(zhì)地板和放置沙發(fā)、立柜的單居室室內(nèi)氣流分布的影響及甲醛濃度的分布影響，且在Fluent 軟件和Tecplot中以直觀的圖像方式表示出了各種不同氣流組織和送風(fēng)速度方案下甲醛濃度分布場。并通過對比，得到只有木質(zhì)地板釋放甲醛時，得出送風(fēng)速度不宜太大，以2m/s 為最佳。在木質(zhì)地板和放置沙發(fā)、立柜都釋放甲醛時，3m/s為最佳。&l

8、t;/p><p>　　關(guān)鍵詞：室內(nèi) 送風(fēng)速度 甲醛擴(kuò)散 數(shù)值模擬</p><p>　　Ventilation for indoor harmful gas purifying effect</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The stand or fall of indoor

9、 air quality are closely related to human health. New building materials, decoration materials and household chemical materials to promote the use, cause indoor air pollution, indoor air pollution and hazards of formalde

10、hyde is the most serious and most common is one of contaminants.Effective ventilation of indoor formaldehyde concentration can be controlled so that it is easy to meet the design requirements.</p><p>　　This

11、paper uses the Fluent software to simulate the flow in the form of three-dimensional air-conditioned indoor air, studied the wood floors and air velocity only place sofa, distribution on single bedroom closet distributio

12、n of indoor air concentrations of formaldehyde, and in the Fluent software and the Tecplot in an intuitive way of showing a picture of formaldehyde concentration distribution field under various airflow and air velocity

13、program. By contrast, only the wooden floor to get the </p><p>　　Key words: indoor; air supply velocity; formaldehyde diffusion; numerical simulation</p><p><b>　　目錄</b></p>&l

14、t;p><b>　　1緒論1</b></p><p><b>　　1.1選題背景1</b></p><p>　　1.2國內(nèi)外對室內(nèi)污染的研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3本文主要的研究內(nèi)容3</p><p>　　2室內(nèi)甲醛散發(fā)數(shù)值模擬理論5</p><p>

15、;　　2.1室內(nèi)甲醛散發(fā)模擬的基本原理5</p><p>　　2.2湍流流動的Reynolds時均方程5</p><p>　　2.3 湍流封閉模型6</p><p>　　2.4氣態(tài)物質(zhì)的散發(fā)和分布模擬7</p><p><b>　　3 模型的建立9</b></p><p>　　3.1 室

16、內(nèi)空氣流動模型的建立9</p><p>　　3.2幾何模型的建立10</p><p>　　3.3網(wǎng)格的劃分11</p><p>　　3.4 邊界條件12</p><p>　　3.5迭代的SIMPLE算法12</p><p>　　4 方程的求解及結(jié)果的后處理14</p><p>　　4

17、.1 Fluent里面的設(shè)置14</p><p>　　4.2數(shù)值模擬的結(jié)果及比較16</p><p>　　4.3數(shù)值模擬結(jié)果16</p><p>　　4.3.1不同風(fēng)速下y=0截面甲醛濃度分布16</p><p>　　4.3.2不同風(fēng)速下z=0.2截面甲醛濃度分布20</p><p>　　4.3.3放置沙發(fā)立

18、柜不同風(fēng)速下y=0截面甲醛濃度分布22</p><p>　　4.3.4放置沙發(fā)立柜不同風(fēng)速下z=-0.3截面甲醛濃度分布24</p><p><b>　　5結(jié)論29</b></p><p><b>　　5.1結(jié)論29</b></p><p><b>　　5.2展望29</b

19、></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p><b>　　致謝31</b></p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　1.1選題背景（每一部分都應(yīng)該有相應(yīng)的參考文獻(xiàn)）</p><p>　　隨著國民經(jīng)

20、濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對自己的居住條件要求也不斷提高。然而室內(nèi)建材及建筑裝修材料散發(fā)出大量的揮發(fā)性有機(jī)化合物嚴(yán)重惡化了室內(nèi)空氣品質(zhì)，甲醛就是其中常見的一種揮發(fā)性有機(jī)污染源，已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織確定為致癌和致畸形物質(zhì)，成為室內(nèi)空氣污染中人們所關(guān)注的焦點(diǎn)。</p><p>　　甲醛是最簡單、最常見的醛類物質(zhì)，其理化性質(zhì)為：無色具有強(qiáng)烈刺激性氣味，沸點(diǎn)- 1915℃ 比重1106，易溶于水、醇和醚，是一種溶解

21、度很大、揮發(fā)性很強(qiáng)的有毒物質(zhì)[1]。當(dāng)空氣中的甲醛濃度超過0.6mg/m3時，人的眼睛會受到刺激，咽喉會感到不適和疼痛，在含甲醛10ppm的空氣中停留幾分鐘，眼睛就會流淚不止。長期接觸低劑量甲醛可以引起慢性呼吸道疾病、女性月經(jīng)紊亂、妊娠綜合癥，引起新生兒體質(zhì)降低、染色體異常，甚至引起鼻咽癌。高濃度甲醛對神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、肝臟等都有毒害。甲醛還有致畸、致癌的作用，據(jù)流行病學(xué)調(diào)查，長期接觸甲醛的人，可以引起鼻腔、口腔、鼻咽、咽喉、皮膚和消

22、化道的癌癥[2]。</p><p>　　據(jù)調(diào)查，新裝修的房間甲醛的超標(biāo)率達(dá)60 %～100 %[3]。來自室內(nèi)裝修和裝飾材料。用作室內(nèi)裝飾的膠合板、細(xì)木工板、中密度纖維板的刨花板等人造板材，因為使用的膠粘劑以甲醛為主要成份的脲醛樹脂，板材中殘留的和末參與反應(yīng)的甲醛會逐漸向周圍環(huán)境釋放，是形成室內(nèi)空氣中甲醛的主體。含有甲醛成分并有可能向外界散發(fā)的其他各類裝飾材料，比如貼墻布，貼墻化纖在地毯、泡沫塑料、油漆和涂料等。

23、甲醛已成為室內(nèi)空氣污染物的主要成分[4]。</p><p>　　甲醛在室內(nèi)的濃度變化主要與室內(nèi)污染源的釋放量和釋放規(guī)律有關(guān)，也與使用年限、室內(nèi)溫度、濕度及通風(fēng)強(qiáng)度等因素有關(guān)，其中通風(fēng)的影響最為重要。[5]</p><p>　　所以把室內(nèi)污染物定為極有代表性的甲醛，凈化方式定為影響最大的方式——自然通風(fēng)。</p><p>　　1.2室內(nèi)污染物擴(kuò)散的研究現(xiàn)狀（）半角全角

24、標(biāo)點(diǎn)</p><p>　　由于通風(fēng)房間室內(nèi)空氣流動多為湍流流動（Turbulent Flow），而人們對湍流機(jī)理的認(rèn)識至今還不完全，在工程應(yīng)用方面，目前多為半經(jīng)驗的、唯像的模擬，所以對湍流的模擬始終成為室內(nèi)空氣數(shù)值模擬的一個主要研究方向。限于目前的計算機(jī)能力，工程中最常采用的是渦粘系數(shù)模型EVM（eddy viscosity model）中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型或其變形。而k-ε模型對于等溫流動情形能模擬得很好，鑒于模

25、擬室內(nèi)污染物的擴(kuò)散多在等溫條件下，不考慮熱傳導(dǎo)，故采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε二方程模型就能夠滿足需求。近年來國內(nèi)一些學(xué)者對于室內(nèi)污染物擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果如下：</p><p>　　付小平通過數(shù)值模擬，得出了室內(nèi)氣體污染物濃度隨通風(fēng)時間的變化，并利用數(shù)值模擬結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)證明：標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型和組分輸運(yùn)模型能較好地模擬室內(nèi)上送下回的通風(fēng)方式稀釋室內(nèi)污染物的過程[6]。</p><p>　　吳猛等

26、采用Fluent6.1計算軟件，用大渦模擬方法（LES）對整套住宅在自熱通風(fēng)時室內(nèi)空氣污染物排放過程進(jìn)行了模擬，根據(jù)不同的房間類型及通風(fēng)口布置方式設(shè)置兩種工況，得到流場和污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)場數(shù)據(jù)[7]。</p><p>　　張俊杰等利用計算流體力學(xué)（CFD）方法模擬了不同通風(fēng)方式和不同送風(fēng)速度下室內(nèi)污染物的濃度分布，模擬和分析結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)乃惋L(fēng)速度可以有效降低室內(nèi)污染物的濃度[8]。 </p><

27、;p>　　劉娣等用CFD方法模擬了空調(diào)臥室內(nèi)制冷制熱運(yùn)行時3種不同的住宅空調(diào)模式(包括普通窗式空調(diào)器、分體機(jī)及具有引入新風(fēng)的熱回收裝置的窗式空調(diào)器)分別位于高位置和低位置時室內(nèi)空氣溫度及流速、有機(jī)污染物(甲醛)濃度及CO2的分布，并進(jìn)行比較．結(jié)果表明，空調(diào)器的類型、位置及新風(fēng)量對空氣環(huán)境影響較大。夏季制冷運(yùn)行時，帶熱回收裝置的窗式空調(diào)器置于低位置時可以獲得良好的室內(nèi)流場分布，稀釋和攜帶走室內(nèi)的CO2和污染物；而該裝置置于高處時，流

28、場結(jié)構(gòu)不合理；其它空調(diào)模式下由于沒有引入新風(fēng)，產(chǎn)生室內(nèi)污染物堆積。冬季制熱運(yùn)行與夏季制冷運(yùn)行時的結(jié)論相同[9]。</p><p>　　張牛牛等利用計算流體力學(xué)(CFD)中的Fluent6.2軟件，模擬了兩種氣流組織形式分別在3種通風(fēng)速度下室內(nèi)氣流組織的速度場和甲醛的濃度場分布。對得出的速度場和濃度場進(jìn)行分析：每種氣流組織形式的速度場和濃度場都有較好的耦合性;其中下側(cè)進(jìn)上出的通風(fēng)方式能更好的排除污染物；另外，適當(dāng)增

29、大送風(fēng)速度能更好的降低污染物濃度[10]。</p><p>　　馬飛等對建筑室內(nèi)香料污染物擴(kuò)散的控制方法進(jìn)行了研究。分析了香料污染物產(chǎn)生的根源和擴(kuò)散特性，制定了分區(qū)控制、先收集后處理的控制策略。設(shè)計了排氣柜排風(fēng)系統(tǒng)，基于數(shù)值模擬優(yōu)化了排風(fēng)系統(tǒng)參數(shù),確定了最優(yōu)風(fēng)道流速5.6-6.0 m/s實測結(jié)果表明，采用分區(qū)控制污染源，利用排氣柜收集污染物是控制香料污染物擴(kuò)散的有效方式,香料污染物收集率達(dá)90%以上[11]。&l

30、t;/p><p>　　胡平放等以計算流體力學(xué)和傳熱學(xué)為基礎(chǔ)，利用FLUENT軟件建立了四種典型氣流組織形式的物理及數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用k-ε模型對室內(nèi)氣流組織進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。對各種氣流組織形式下建筑物室內(nèi)的流場、溫度場及濃度場的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析比較。結(jié)果表明:置換通風(fēng)在溫度場、速度場、污染物濃度場、通風(fēng)效率及人體熱舒適性等方面均優(yōu)于混合通風(fēng)的幾種氣流組織形式[12]。</p><p>　　數(shù)

31、值模擬法是通過計算機(jī)數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。它可以模擬室內(nèi)空氣中氣流的運(yùn)動狀態(tài)和污染物在空氣中的分布狀況，使研究人員更深刻地認(rèn)識室內(nèi)污染物的分布規(guī)律。本次畢業(yè)設(shè)計旨在利用Fluent數(shù)值模擬室內(nèi)污染物（簡化為甲醛）在不同空調(diào)送風(fēng)形式下擴(kuò)散的濃度分布，并對其結(jié)果進(jìn)行分析，選擇出有利于甲醛擴(kuò)散的氣流形式，希望對理論研究起到一定的輔助作用。</p><p>　　1.3

32、本文主要的研究內(nèi)容</p><p>　　人們現(xiàn)在都非常重視環(huán)境問題，因為環(huán)境直接影響人類的生存與發(fā)展。環(huán)境問題包含兩個方面：室內(nèi)環(huán)境與室外環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計人們有80％的時間生活工作都在室內(nèi)，隨著社會發(fā)展和人們生活水平的提高，工作居住環(huán)境不斷改善，許多建筑物都進(jìn)行了高級裝修，而這些高級裝修建材中就含有大量的有毒物質(zhì)，它們種類繁多，分布廣泛，其中含量最多的、最有代表性的是甲醛[13]。所以本文就對一般室內(nèi)裝修中含有的甲醛

33、進(jìn)行最有效的通風(fēng)處理，運(yùn)用Fluent軟件對通風(fēng)條件下甲醛的濃度進(jìn)行精確有效的分析。</p><p>　　選取單居室作為研究的對象，考慮到釋放甲醛的家具有很多，比如沙發(fā)、立柜、木質(zhì)地板、粉刷的墻壁。就采取先單個研究然后再綜合研究的策略。具體實施的步奏如下：</p><p>　　（一）建立三維實物模型，選擇合適的湍流封閉模型和基本微分方程的求解方法。主要講解多相流模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。&

34、lt;/p><p>　　（二）使用Fluent軟件采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程和多相流混合模型進(jìn)行求解</p><p>　?、偾蠼庠陲L(fēng)速為1m/s時，木質(zhì)地板散發(fā)的甲醛的濃度分布</p><p>　?、谇蠼庠陲L(fēng)速為2m/s時，木質(zhì)地板散發(fā)的甲醛的濃度分布；</p><p>　　③求解在風(fēng)速為3m/s時，木質(zhì)地板散發(fā)的甲醛的濃度分布；</p>

35、<p>　　④求解在風(fēng)速為1m/s時，木質(zhì)地板、沙發(fā)、立柜散發(fā)的甲醛的濃度分布；</p><p>　?、萸蠼庠陲L(fēng)速為2m/s時，木質(zhì)地板、沙發(fā)、立柜散發(fā)的甲醛的濃度分布；</p><p>　　⑥求解在風(fēng)速為3m/s時，木質(zhì)地板、沙發(fā)、立柜散發(fā)的甲醛的濃度分布；</p><p>　　（三）比較上述不同情況下，室內(nèi)甲醛氣體的濃度分布，得出有利于室內(nèi)甲醛擴(kuò)散的

36、比較好的風(fēng)速。</p><p>　?。ㄋ模┳詈螅瑢Ρ疚牡难芯抗ぷ鬟M(jìn)行總結(jié)、歸納，并提出需要進(jìn)一步研究的工作。</p><p>　　2室內(nèi)甲醛散發(fā)數(shù)值模擬理論</p><p>　　2.1室內(nèi)甲醛散發(fā)模擬的基本原理</p><p>　　室內(nèi)甲醛擴(kuò)散模擬技術(shù)的兩大理論核心是計算流體動力學(xué)和數(shù)值分析方法，它是使用一組微分方程描述空間中流體的流動情況，

37、首先對計算區(qū)域進(jìn)行離散，在此基礎(chǔ)上將微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程，求解出微分方程組的數(shù)值解，然后再獲得流場的相關(guān)性質(zhì)。</p><p>　　2.1.1湍流流動的Reynolds時均方程</p><p>　　無論湍流是多么復(fù)雜，其流動過程仍然由連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的幾個基本方程控制。如果忽略大氣的可壓縮性、溫度變化因素以及砌體力的作用，則這些基本方程包括連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程[5]，即

38、</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中(i=1,2,3)為方向的速度分量，為壓力，為空氣密度，為氣流的運(yùn)動粘性系數(shù)，波紋符“～”表示瞬時量。</p><p>　　連續(xù)性方程（2-1）是由鈍體空氣動力學(xué)的質(zhì)量守恒方程，

39、假定空氣密度為常數(shù)得到的，它反映了大氣流動的質(zhì)量守恒原理。</p><p>　　由于流體內(nèi)部不同尺度渦旋的隨機(jī)運(yùn)動是造成湍流的一個重要特點(diǎn)，所以湍流運(yùn)動過程中，在空間任一點(diǎn)的速度和壓力都隨時間不斷的無規(guī)則的變化著。對給定系統(tǒng)的任何兩次測量都不可能是相同的，但是湍流量的統(tǒng)計平均卻有確定性的規(guī)律可循，平均值在各次試驗中是可重復(fù)實現(xiàn)的。因此Reynolds首先提出將各瞬時量、分解成平均量(用大寫字母表示)和脈動量(用小

40、寫字母表示)之和[6]，</p><p><b>　　（2-3）</b></p><p>　　將式(2-3)代入到方程(2-1)、(2-2)中，并對方程中的每一項作平均化運(yùn)算可得到平均量的控制方程：</p><p>　　這就是湍流流動的Reynolds時均方程，方程中除了脈動量的二階關(guān)聯(lián)量以外，其余在形式上與方程(2-1)、(2-2)完全相同。

41、二階關(guān)聯(lián)項也稱Reynolds應(yīng)力，它代表了脈動速度對平均流動的影響。但是Reynolds應(yīng)力是時均方程組中新出現(xiàn)的未知量，從而使方程的未知量數(shù)目超過了方程數(shù)，這就使得方程不封閉。而解決這一問題的基本方法是對Reynolds應(yīng)力作出假設(shè)，即建立湍流封閉模型。把未知的更高階的時間平均值表示成較低階在計算中可以確定的函數(shù)，從而求解平均方程[14]。</p><p>　　2.1.2 湍流封閉模型</p>

42、<p>　　建立湍流封閉模型的方法，大致可分為兩大類：一類是建立在布辛涅斯克渦粘性系數(shù)模型，另一類稱為Reynolds應(yīng)力方程模型(Reynolds Stress Model，即RSM)，它直接建立以Reynolds應(yīng)力為因變量的方程式并通過?；刮闪髌骄骺刂品匠探M封閉。</p><p>　　對于布辛涅斯克渦粘性系數(shù)法，首先引入了Boussinesq假設(shè)，仿照層流運(yùn)動應(yīng)力，湍流脈動所造成的附加應(yīng)力也可

43、以同時均的切應(yīng)變率關(guān)聯(lián)起來，湍流脈動所造成的應(yīng)力可以表示為：</p><p><b>　　（2-4）</b></p><p>　　式中，是紊流渦粘性系數(shù)，k為紊流動能，表示單位質(zhì)量流體紊流脈動動能的平均值。</p><p>　　由三維非穩(wěn)態(tài)的方程可導(dǎo)出?；蟮膋方程與方程：</p><p><b>　　(2-5

44、)</b></p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　時均化的連續(xù)性方程，方程和模型化了的k方程(2-5)、方程(2-6)以及Reynolds應(yīng)力的渦粘性系數(shù)表達(dá)式(2-4)組成了標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型的封閉的控制方程組[15]。</p><p>　　2.1.3氣態(tài)物質(zhì)的散發(fā)和分布模擬</p>

45、<p>　　利用數(shù)值模擬的方法確定污染物散發(fā)主要基于VOC分子從材料中進(jìn)入空氣的兩個過程：①由于濃度差的存在，在材料內(nèi)部的VOC分子擴(kuò)散；②材料跟空氣接觸表面的蒸發(fā)過程。對于地毯等“干”性材料，第一個過程其決定作用；而對于剛剛涂刷的油漆涂料等材料等，初試階段的VOC散發(fā)由第二種過程起決定作用。由于純粹實驗的復(fù)雜性，短期的VOC散發(fā)性能研究可以通過實驗與模擬結(jié)合來進(jìn)行，主要利用實驗得到的數(shù)據(jù)，結(jié)合通過數(shù)值模擬得到的空氣流速、溫度

46、、濕度等狀態(tài)參數(shù)，共同確定VOC散發(fā)的某些特征參數(shù)，如VOC在材料內(nèi)部的初試濃度、擴(kuò)散系數(shù)等。將這些參數(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于數(shù)值模擬之中，可以對材料在各種外界條件下的中長期散發(fā)特性做出預(yù)估[16]。</p><p>　　圖2.1污染物散發(fā)模型示意圖</p><p>　　國外學(xué)者已近建立了污染物內(nèi)部和材料表面污染物的擴(kuò)散模型。如圖2.1所示，其中假定污染物在室內(nèi)空氣中分布均勻，通過空氣邊界層將材料內(nèi)

47、外耦合。經(jīng)實驗獲得污染源（如地毯、油漆本身）內(nèi)部的初始濃度、污染物內(nèi)部的擴(kuò)散系數(shù)和兩相（污染源本身固體和室內(nèi)氣體）結(jié)合面處兩個濃度的平均系數(shù)K（目前都是假定相界面處兩側(cè)的濃度成線性關(guān)系）。這幾個參數(shù)的獲得一般通過實驗的多次采樣和結(jié)合一定假設(shè)作為初始條件，對數(shù)學(xué)模型迭代求解。</p><p>　　VOC散發(fā)模型通?；谌缦录僭O(shè)：</p><p>　　材料內(nèi)部組成均勻，初始時刻各處濃度相同。

48、 </p><p>　　材料內(nèi)為一維擴(kuò)散物質(zhì)。</p><p>　　材料的擴(kuò)散系數(shù)為常數(shù)。</p><p>　　在固體壁面處，VOC的濃度服從亨利定律。 </p><p><b>　　數(shù)學(xué)表達(dá)式為：</b></p><p><b>　　(2-7)</b></p&

49、gt;<p>　　， (2-8)</p><p><b>　　(2-9)</b></p><p><b>　　(2-10)</b></p><p><b>　　(2-11)</b></p><p

50、>　　式中，為VOC在材料內(nèi)部的濃度（μg/m3）；為VOC在室內(nèi)空氣中的濃度（μg/m3）；為材料內(nèi)部的VOC分子擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）；K為界面處的VOC濃度的平衡系數(shù)；為固體壁面處的傳質(zhì)量（μg/m2.s）[17]。</p><p><b>　　3 模型的建立</b></p><p>　　3.1 室內(nèi)空氣流動模型的建立</p><p>

51、;　　根據(jù)熱工理論基礎(chǔ)，可認(rèn)為室內(nèi)空氣滿足氣體狀態(tài)方程，即</p><p><b>　　P=ρPT</b></p><p>　　式中，P為空氣壓力（Pa）；ρ為空氣密度（kg/m）；R為空氣常數(shù)，約為287(kgK)；T為空氣熱力學(xué)溫度（K）。</p><p>　　其次，通?？蓪⑹覂?nèi)空氣流動的壓力視為常數(shù)，于是可得：</p>&

52、lt;p><b>　　ρT=常數(shù)</b></p><p>　　另外，常見的室內(nèi)環(huán)境中空氣流動基本為低速流動，流速常在10~20m/s以下，因此可將室內(nèi)空氣當(dāng)作不可壓流體看待，即</p><p>　　而且，通風(fēng)房間內(nèi)空氣和污染物氣體溫度變化不大，也即密度變化不大，因此可認(rèn)為室內(nèi)氣體流動符合Boussinesq假設(shè)：密度變化并不顯著改變流體性質(zhì)，動量守恒中，密度的變

53、化對慣性力項、壓力差項和粘性力項的影響可忽略不計，而僅考慮隨質(zhì)量力項的影響。綜上所述，除了隨質(zhì)量力項的考慮之外，室內(nèi)空氣物性都可以當(dāng)作常物性看待[15]。</p><p>　　最后，室內(nèi)空氣的粘性不可忽略，必須用粘性流體動力學(xué)的理論來研究。進(jìn)一步而言，室內(nèi)空氣流動通常都是湍流流動，需要相應(yīng)的湍流理論來模擬。而且，室內(nèi)空氣流動往往是自然對流和強(qiáng)迫并存的混合對流，或者是輻射換熱影響的自然對流。當(dāng)然，也存在通風(fēng)時的等溫

54、強(qiáng)迫對流動[18]。針對本文，為了簡化模型，僅僅考慮等溫下是自然對流。</p><p>　　綜上所述，室內(nèi)氣體流動的物理模型可總結(jié)如下：</p><p>　　常溫、低速、密度不變、不可壓流體流動；</p><p>　　符合氣體狀態(tài)方程的等壓流動；</p><p>　　符合Boussinesq假設(shè)；</p><p>　　

55、自然對流下的湍流流動。</p><p>　　3.2幾何模型的建立</p><p>　　選擇較為常見的一個長為6米，寬為4米，高為3米的房間，左邊墻壁開了一個1米×1.5米的窗，距離地面1米高，右邊開了一扇2米×1.5米的門，挨著地。模型如下圖3-1所示</p><p>　　圖3.1標(biāo)準(zhǔn)單間幾何模型設(shè)計圖</p><p>　

56、　圖3.2是放置了沙發(fā)立柜的三維立體房間圖。</p><p>　　圖3.2放置沙發(fā)、立柜幾何模型設(shè)計圖</p><p><b>　　3.3網(wǎng)格的劃分</b></p><p>　　在GAMBIT確定了要進(jìn)行計算的幾何區(qū)域以后，接下來的工作是把這個幾何區(qū)域進(jìn)行離散化，即進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分可以先對邊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后是面，再是體；也可以直接對體或

57、者面進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是一項很重要的工作，網(wǎng)格的質(zhì)量往往決定著Fluent模擬的成敗或者收斂的快慢。下圖是直接對房間這個體劃分網(wǎng)格的，本文設(shè)置的interval size 為0.05，足以保證網(wǎng)格足夠細(xì)。</p><p>　　圖3.3標(biāo)準(zhǔn)單間幾何模型網(wǎng)格圖</p><p>　　圖3.4放置沙發(fā)、立柜幾何模型網(wǎng)格圖</p><p><b>　　3.4 邊

58、界條件 </b></p><p>　　在沒有沙發(fā)和立柜的房間中，把木質(zhì)地板設(shè)置為甲醛散發(fā)源其邊界條件設(shè)為質(zhì)量進(jìn)口(mass flow inlet)，密閉和通風(fēng)兩種狀態(tài)的釋放強(qiáng)度均為7.2×10-11kg/s[20]，并且不隨時間變化，其它壁面無甲醛釋放。也可以根據(jù)質(zhì)量流量與密度的轉(zhuǎn)換關(guān)系m=ρVnA，可以根據(jù)質(zhì)量流量求得速度，因此亦可設(shè)置污染物為速度入口邊界。假定木質(zhì)地面甲醛的釋放速度為0.

59、01m/s。然后就是設(shè)置窗口為風(fēng)的速度入口邊界（intlet），門為速度出口邊界（outlet），其他墻壁均為wall。</p><p>　　在放置沙發(fā)和立柜的房間中，設(shè)置沙發(fā)和立柜的每個表面為散發(fā)源，密閉和通風(fēng)兩種狀態(tài)的釋放強(qiáng)度均為 7.2×10-11kg/s，并且不隨時間變化，其它壁面無甲醛釋放。然后就是設(shè)置窗口為進(jìn)風(fēng)的速度入口邊界（intlet），門為速度出口邊界（outlet），其他墻壁均為wa

60、ll。</p><p>　　3.5迭代的SIMPLE算法 </p><p>　　迭代求解：在對室內(nèi)空氣流動控制方程進(jìn)行離散得到代數(shù)方程后，需要對其求解以獲得流場各物理量的分布信息。常見的求解方法有兩種：一、直接求解法。二、迭代解法。本文所采用的方法為迭代解法，下面就詳細(xì)講解迭代解法的原理及過程：</p><p>　　通過前面的講解可知，控制流體流動和傳熱的微分方程都

61、是非線性的，離散方程的系數(shù)本身就是所求解變量的函數(shù)，因此求解過程本身就是迭代性質(zhì)的：先假定一個未知量場，據(jù)此計算離散方程的系數(shù)，然后求解方程獲得改進(jìn)值，利用改進(jìn)值再計算離散方程系數(shù)，再計算獲得新的改進(jìn)值，如此反復(fù)循環(huán)，直至獲得最終的收斂值。</p><p>　　而實際的流場和壓力、溫度（非等溫）以及湍流參數(shù)等有關(guān)系，它們是互相影響的，因此計算時需要耦合求解。為此，形成了一系列算法，而最具代表性、應(yīng)用的最為廣泛的就

62、是SIMPLE算法了。而對控制體的連續(xù)方程利用有限容積法離散，會出現(xiàn)速度場和壓力場不連續(xù)的情況。為了解決這個問題，Spalding和Patankar等人提出了交錯網(wǎng)格（Staggered Grid）的概念，就是對于動量方程，其控制體比其他方程的控制體錯移半個網(wǎng)格，也就是對于速度變量U、V、W，其控制體比其他變量的控制體（溫度、濃度等）在該速度方向上錯移半格。</p><p>　　SIMPLE算法：壓力修正后，就可

63、以對動量方程進(jìn)行迭代求解了，從而也就可以求解其他變量的方程?；趬毫π拚乃惴ň褪侵腟IMPLE算法了：壓力耦合的半隱式。SIMPLE算法的步驟如下：</p><p><b>　　假定壓力場；</b></p><p>　　求解動量方程得到速度場；</p><p>　　求解壓力修正方程，得到修正的壓力；</p><p>

64、;　　修正壓力場和速度場；</p><p>　　求解其他影響流場的變量，如溫度、濃度或湍流動能等；</p><p>　　判斂，如果收斂則停止迭代，否則以更新后的壓力場為新的假設(shè)的壓力場，跳到（2）繼續(xù)計算，直至收斂；</p><p>　　求解與速度無關(guān)的其他量。</p><p>　　據(jù)以上算法，再結(jié)合前述的代數(shù)方程求解方法，就可以對室內(nèi)空氣流

65、動和換熱、傳熱的離散方程進(jìn)行求解，獲得需要的場分布情況[19]。</p><p>　　本文中，利用SIMPLE算法進(jìn)行迭代求解。</p><p>　　4 方程的求解及結(jié)果的后處理</p><p>　　4.1 Fluent里面的設(shè)置 </p><p><b>　?。?）計算器的設(shè)置</b></p><p

66、>　　表4.1 Fluent里面計算器的設(shè)置</p><p>　?。?）氣體參數(shù)的設(shè)置</p><p>　　表4.2 Fluent里面氣體參數(shù)的設(shè)置</p><p><b>　?。?）多相流的設(shè)置</b></p><p>　　表4.3 Fluent里面多相流混合模型的設(shè)置</p><p>　

67、?。?）運(yùn)行條件的設(shè)置</p><p>　　表4.4 Fluent里面運(yùn)行條件的設(shè)置</p><p>　　（5）計算精度的設(shè)置</p><p>　　表4.5 Fluent里面計算精度的設(shè)置</p><p>　?。?）邊界條件的設(shè)置</p><p>　　表4.6 Fluent里面邊界條件的設(shè)置</p>&l

68、t;p>　　4.2數(shù)值模擬的結(jié)果及比較</p><p>　　影響甲醛分布的因素有很多，包括送回風(fēng)口的形式、位置、規(guī)格、數(shù)量；送風(fēng)口的風(fēng)速、風(fēng)量、入口溫度、室內(nèi)熱源、房間幾何形狀以及具體房間的功能等等，本節(jié)主要研究影響臥室內(nèi)通風(fēng)速度的主要因素：不同風(fēng)速的改變對甲醛濃度場的影響?？紤]到在Fluent三維場的分布中具體甲醛濃度的分布難以清晰地定量顯示，本文首先截取y=0來顯示房間內(nèi)甲醛在立面的濃度分布；再截取z=

69、-0.3（距離地面1.2m高，恰好為人坐姿時的呼吸高度）、z=0.2（距離地面1.7m高，為人站立時的呼吸高度）來顯示甲醛在兩個水平面的濃度場的分布情況，來反應(yīng)甲醛對人體的危害程度大小，并通過對比，選出較好的凈化風(fēng)速。</p><p><b>　　4.3數(shù)值模擬結(jié)果</b></p><p>　　本文主要以Fluent中計算出的結(jié)果，用圖片的方式來清晰直觀的展示數(shù)值模擬

70、的結(jié)果，經(jīng)過對圖片進(jìn)行仔細(xì)認(rèn)真的分析得出所要的結(jié)果。由于Fluent軟件對計算出來的結(jié)果的處理有限，本文還使用了工程圖片處理器Tecplot。 </p><p>　　4.3.1不同風(fēng)速下y=0截面甲醛濃度分布</p><p>　　圖4-1風(fēng)速為1m/s時 y=0截面甲醛濃度分布</p><p>　　圖4-2 風(fēng)速為2m/s時 y=0截面甲醛濃度分布</p

71、><p>　　圖4-3風(fēng)速為3m/s時 y=0截面甲醛濃度分布</p><p>　　從以上圖中可以看出，甲醛濃度集中于較低的高度，也很直觀的看出隨著風(fēng)速的增大，下部分甲醛整體濃度都是在下降的，其中當(dāng)風(fēng)速由1m/s增加至2m/s時，甲醛濃度下降的很明顯，當(dāng)再增加到3m/s時，下降的程度是很小的。特別的對于風(fēng)口以上區(qū)域，在風(fēng)速3m/s時，甲醛整體濃度都高于風(fēng)速為2m/s。</p>&

72、lt;p>　　4.3.2不同風(fēng)速下z=-0.3截面甲醛濃度分布 </p><p>　　圖4-4風(fēng)速為1m/s 時z=-0.3截面甲醛濃度分布</p><p>　　圖4-5風(fēng)速為2m/s 時z=-0.3截面甲醛濃度分布</p><p>　　圖4-6風(fēng)速為3m/s 時z=-0.3截面甲醛濃度分布&l

73、t;/p><p>　　圖4-7 (YOZ，y=0，z=–0.3)沿X軸各點(diǎn)甲醛濃度比較</p><p>　　圖4-4、4-5、4-6這些圖是甲醛分布的等值線圖，圖上也很清楚的標(biāo)注著每立方米甲醛濃度的數(shù)值。整體來看甲醛濃度都較低，在風(fēng)速由1m/s增至2m/s甲醛濃度都是降低的。在風(fēng)速增大至3m/s時，上下兩邊的甲醛濃度都是在顯著增高的。圖4-7是在YOZ，y=0，z=–0.3)沿X軸方向的線圖。

74、可以看出在風(fēng)口位置，隨著風(fēng)速的增大，帶動著甲醛濃度的降低。</p><p>　　4.3.3不同風(fēng)速下z=0.2截面甲醛濃度分布</p><p>　　圖4-8風(fēng)速為1m/s時 z=0.2截面甲醛濃度分布</p><p>　　圖4-9風(fēng)速為2m/s時 z=0.2截面甲醛濃度分布</p><p>　　圖4-10風(fēng)速為3m/s時 z=0.2截面甲醛濃

75、度分布</p><p>　　圖4-11 (YOZ，y=0，z=0.2)沿X軸各點(diǎn)甲醛濃度比較</p><p>　　圖4-8、4-9、4-10這些圖片是甲醛分布的等值線圖，圖上也很清楚的標(biāo)注著每立方米甲醛濃度的數(shù)值。整體來看甲醛濃度都較高，相比Z=0.3截面來說高出了很多，也很容易理解，甲醛是從地板釋放的，在較低的高度濃度會比較高。在風(fēng)速由1m/s增至2m/s甲醛濃度都是降低的。在風(fēng)速增大至

76、3m/s時，上下兩邊的甲醛濃度都是在顯著增高的。圖4-11是在YOZ，y=0，z=0.2)沿X軸方向的線圖?？梢钥闯鲈陲L(fēng)口位置，隨著風(fēng)速的增大，帶動著甲醛濃度的降低。</p><p>　　通過上面的圖和分析可以知道在只有木質(zhì)地板釋放甲醛的情況下，甲醛在三個不同的截面，不同風(fēng)速下的濃度分布情況。</p><p>　　對于y=0截面來說，都是最底下濃度最高，往上面是呈逐漸遞減的趨勢。1米每秒風(fēng)

77、速下甲醛濃度還是很高，在2米每秒風(fēng)速下，甲醛濃度下降的比較厲害，在3米每秒風(fēng)速下，甲醛濃度還是有稍微的下降，但是很不明顯。</p><p>　　對于z=-0.3截面來說，是人站立的高度1.7米，在以上三種風(fēng)速下，甲醛濃度總體是比較低的，從圖4-4和圖4-6可以看出，甲醛濃度有比較集中的區(qū)域。在圖4-5中甲醛濃度是最低的，而且沒有明顯的集中區(qū)域。并且。在風(fēng)速增大至3m/s時，上下兩邊的甲醛濃度都是在顯著增高的。&l

78、t;/p><p>　　對于z=0.2截面來說，在風(fēng)速為1米每秒的情況下甲醛濃度大體來說都是較低，不過在最右邊區(qū)域有很明顯的集中。在風(fēng)速為2米每秒和3米每秒的情況下，可以比較得出，在2米每秒風(fēng)速下甲醛濃度較低。</p><p>　　綜合以上三個截面的情況來看，在只有木質(zhì)地板釋放甲醛的情況下，2米每秒的風(fēng)速為最佳的選擇。</p><p>　　4.3.5放置沙發(fā)立柜不同風(fēng)速下

79、y=0截面甲醛濃度分布</p><p>　　圖4-12放置沙發(fā)立柜風(fēng)速為1m/s 時y=0截面甲醛濃度分布</p><p>　　圖4-13放置沙發(fā)立柜風(fēng)速為2m/s 時y=0截面甲醛濃度分布</p><p>　　圖4-14放置沙發(fā)立柜風(fēng)速為3m/s 時y=0截面甲醛濃度分布</p><p>　　從以上圖中可以看出，甲醛濃度相比只有木質(zhì)地板散發(fā)

80、甲醛的情況高很多，也很直觀的看出隨著風(fēng)速的增大，甲醛濃度都是在逐漸下降的。同時也出現(xiàn)了右上角的濃度局部集中。</p><p>　　4.3.6放置沙發(fā)立柜不同風(fēng)速下z=-0.3截面甲醛濃度分布</p><p>　　圖4-15放置沙發(fā)立柜風(fēng)速為1m/s 時z=-0.3截面甲醛濃度分布</p><p>　　圖4-16放置沙發(fā)立柜風(fēng)速為2m/s 時z=-0.3截面甲醛濃度分

81、布</p><p>　　圖4-17放置沙發(fā)立柜風(fēng)速為3m/s 時z=-0.3截面甲醛濃度分布</p><p>　　圖4-18 (YOZ，y=0，z=–0.3)沿X軸各點(diǎn)甲醛濃度比較</p><p>　　圖4-15、4-16、4-17這些圖片是甲醛分布的等值線圖，圖上也很清楚的標(biāo)注著每立方米甲醛濃度的數(shù)值。整體來看甲醛濃度分布很不均勻，從每立方米0.1mg到每立方米0

82、.9mg。在風(fēng)速由1m/s增至2m/s再到3m/s甲醛濃度都是降低的。圖4-18是在YOZ，y=0，z=–0.3)沿X軸方向的線圖。我們可以看出在風(fēng)口位置，隨著風(fēng)速的增大，帶動著甲醛濃度的降低。</p><p>　　4.3.7放置沙發(fā)立柜不同風(fēng)速下z=0.2截面甲醛濃度分布</p><p>　　圖4-19放置沙發(fā)立柜風(fēng)速為1m/s 時z=0.2截面甲醛濃度分布</p><

83、;p>　　圖4-20放置沙發(fā)立柜風(fēng)速為2m/s 時z=0.2截面甲醛濃度分布</p><p>　　圖4-21放置沙發(fā)立柜風(fēng)速為3m/s 時z=0.2截面甲醛濃度分布</p><p>　　圖4-22 (YOZ，y=0，z=0.2)沿X軸各點(diǎn)甲醛濃度比較</p><p>　　圖4-22 (XOZ，x=0，z=-1)沿Y軸各點(diǎn)甲醛濃度比較</p>&l

84、t;p>　　從圖4-19、4-20、4-21整體來看甲醛濃度分布都較高。在風(fēng)速由1m/s增至2m/s再到3m/s甲醛濃度都是降低的。圖4-18是在YOZ，y=0，z=–0.3)沿X軸方向的線圖。我們可以看出在風(fēng)口位置，隨著風(fēng)速的增大，帶動著甲醛濃度的降低。不過本文也截取了 圖4-22 (XOZ，x=0，z=-1)沿Y軸各點(diǎn)甲醛濃度比較，從圖中可以看到在風(fēng)速為2m/s時，甲醛濃度時最低的。</p><p>　

85、　通過以上放置沙發(fā)立柜的房間中的數(shù)值模擬圖和分析可以看出，三個截面不同風(fēng)速的條件下，甲醛濃度的分布情況。</p><p>　　比較三種截面三種風(fēng)速的條件下，不難發(fā)現(xiàn)甲醛的濃度都是比只有木質(zhì)地板釋放甲醛的情況要高得多，整體分布也更復(fù)雜。不管是哪個截面甲醛濃度都是隨著風(fēng)速的增大而降低，可以得出結(jié)論，在放置沙發(fā)立柜的房間中，甲醛濃度較高，3m/s的風(fēng)速是較好的選擇。</p><p><b&

86、gt;　　5結(jié)論</b></p><p><b>　　5.1結(jié)論</b></p><p>　　本文運(yùn)用Fluent 軟件對房間里地板以及沙發(fā)立柜甲醛污染物的散發(fā)進(jìn)行了數(shù)值模擬，首先建立物理模型，研究了各種不同風(fēng)速條件下地板、沙發(fā)立柜散發(fā)甲醛的影響，確定了影響甲醛在室內(nèi)擴(kuò)散的一些因素，對今后室內(nèi)氣流組織的研究和設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。</p>

87、<p>　　全文得出的主要結(jié)論如下：</p><p>　?。?）在甲醛散發(fā)點(diǎn)比較少濃度相對來說低的情況下，風(fēng)速在2米每秒為宜，如果甲醛散發(fā)點(diǎn)較多濃度比較高可以選擇3米每秒的風(fēng)速，但也不宜過大。</p><p>　?。?）由于地板散發(fā)的甲醛向上蔓延的特征，在同種氣流組織形式下，采用過小的送風(fēng)速度時，由于不足以對甲醛形成足夠強(qiáng)度的阻隔作用，致使甲醛氣體向較高平面擴(kuò)散；而采用過大的送風(fēng)

88、速度時，氣流的較大的擾動和攜帶作用，導(dǎo)致了甲醛氣體向上涌動，致使較高平面上甲醛濃度的增大，加大了對人體的危害性。因此，消除地板散發(fā)的污染物時，不宜采用過大或過小的送風(fēng)速度。建議在2米每秒和3米每秒之間。</p><p><b>　　5.2展望</b></p><p>　?。?）本文對室內(nèi)環(huán)境做了很多簡化，只考慮地板、沙發(fā)和立柜作為污染源，其實還有比如墻體粉刷擠也是污染

89、源。另外對污染物也做了很大程度的簡化，只考慮了甲醛氣體，而且控制了其密度不變、散發(fā)速度不變。而實際室內(nèi)的污染物種類繁多、狀態(tài)變化大，相互之間擾動和作用力較大。在以后的研究中，可以把室內(nèi)環(huán)境考慮得更為細(xì)致，再加入幾種污染物；同時，可以嘗試模擬污染物濃度隨時間的變化規(guī)律。</p><p>　?。?）為了便于觀察研究結(jié)果，本文忽略了考慮單居室，以后可以采用新型的幾何外形比較復(fù)雜的房間及室內(nèi)布置來進(jìn)行研究，比如兩室一廳和

90、三室一廳的居民房；而且，還有溫度的變化可以研究熱流對甲醛擴(kuò)散的影響。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 夏元詢.化學(xué)物質(zhì)毒物全書[M].上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1991. </p><p>　　[2] 郭曉，張朝飛.試論甲醛對人體的危害及預(yù)防措施[J].河南農(nóng)業(yè)出版社

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