【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 選取單居室作為研究的對(duì)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(gè)研究然后再綜合研究的策略。具體實(shí)施的步奏如下： （一）建立三維實(shí)物模型，選擇合適的湍流封閉模型和基本微分方程的求解河南理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 通風(fēng)對(duì)室內(nèi)有害氣體凈化效應(yīng) 4 方法。主要講解多相流模型和標(biāo)準(zhǔn) kε湍流模型。 （二）使用 Fluent軟件采用標(biāo)準(zhǔn)的 kε方程和多相流混合模型進(jìn)行求解 ① 求解在風(fēng)速為 1m/s時(shí)，木質(zhì)地板散發(fā)的甲醛的濃度分布 ② 求解在風(fēng)速為 2m/s時(shí)，木質(zhì)地板散發(fā)的甲醛的濃度分布； ③ 求解在風(fēng)速為 3m/s時(shí)，木質(zhì)地板散發(fā)的甲醛的濃度分布； ④ 求解在風(fēng)速為 1m/s時(shí)，木質(zhì)地板、沙發(fā)、立柜散發(fā)的甲醛的濃度分布； ⑤ 求解在風(fēng)速為 2m/s時(shí)，木質(zhì)地板、沙發(fā)、立柜散發(fā)的甲醛的濃度分布； ⑥ 求解在風(fēng)速為 3m/s時(shí)，木質(zhì)地板、沙發(fā)、立柜散發(fā)的甲醛的濃度分布； （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)散的比較好的風(fēng)速。 （四）最后，對(duì)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。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 通風(fēng)對(duì)室內(nèi)有害氣體凈化效應(yīng) 5 2 室內(nèi)甲醛散發(fā)數(shù)值模擬理論 室內(nèi)甲醛擴(kuò)散模擬技術(shù)的兩大理論核心是計(jì)算流體動(dòng)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(dòng)情況，首先對(duì)計(jì)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(chǎng)的相關(guān)性質(zhì)。 Reynolds 時(shí)均方程 無(wú)論湍流是多么復(fù)雜，其流動(dòng)過(guò)程仍然由連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的幾個(gè)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 NavierStokes方程 [5]，即 0~ ???iixu （ 21） ????????????????????????iiijjiji xuxx pxuutu~~~~~ 1?? （ 22） 式中 iu (i=1,2,3)為 zyx 、 方向的速度分量， p 為壓力， ? 為空氣密度， ? 為氣流的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，波紋符 ―～ ‖表示瞬時(shí)量。 連續(xù)性方程（ 21）是由鈍體空氣動(dòng)力學(xué)的質(zhì)量守恒方程，假定空氣密度 ? 為常數(shù)得到的，它反映了大氣流動(dòng)的質(zhì)量守恒原理。 由于流體內(nèi)部不同尺度渦旋的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)是造成湍流的一個(gè)重要特點(diǎn)，所以湍流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在空間任一點(diǎn)的速度和壓力都隨時(shí)間不斷的無(wú)規(guī)則的變化著。對(duì)給定系統(tǒng)的任何兩次測(cè)量都不可能 是相同的，但是湍流量的統(tǒng)計(jì)平均卻有確定性的規(guī)律可循，平均值在各次試驗(yàn)中是可重復(fù)實(shí)現(xiàn)的。因此 Reynolds首先提出將各瞬時(shí)量 iu 、 p 分解成平均量 (用大寫字母表示 )和脈動(dòng)量 (用小寫字母表示 )之和 [6]， 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 通風(fēng)對(duì)室內(nèi)有害氣體凈化效應(yīng) 6 ii uUu ??~ pPp ??~ （ 23） 將式 (23)代入到方程 (21)、 (22)中，并對(duì)方程中的每一項(xiàng)作平均化運(yùn)算可得到平均量的控制方程： iii r e fjj=0+ = + ( ) + ( ): ( )= ( )iijjijjHj j p jjjct j j jUUUUUU Pu u T Tx x x x x xhUhHu h St x x c xCUC u Cu c Sx x c x???? ?? ?????????????? ? ? ?? ? ? ? ? ? ??? ? ?? ? ?? ? ? ??? ? ?? ? ? ?? ? ? ?ij連 續(xù) 方 程 ：動(dòng) 量 方 程 ： （ u ） +能 量 方 程組 分 方 程 ：ijjix g t 這就是湍流流動(dòng)的 Reynolds 時(shí)均方程，方程中除了脈動(dòng)量的二階關(guān)聯(lián)量 jiuu? 以外，其余在形式上與方程 (21)、 (22)完全相同。二階關(guān)聯(lián)項(xiàng) jiuu? 也稱 Reynolds應(yīng)力，它代表了脈動(dòng)速度對(duì)平均流動(dòng)的影響。但是 Reynolds 應(yīng)力是時(shí)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(guò)了方程數(shù)，這就使得方程不封閉。而解決這一問(wèn)題的基本方法是對(duì) 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(shí)間平均值表示成較低階在計(jì)算中可以確定的函數(shù)，從而求解平均 SN? 方程 [14]。 湍流封閉模型 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(guò)?；刮闪髌骄骺刂品匠探M封閉。 對(duì)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(dòng)應(yīng)力，湍流脈動(dòng)所造成的附加應(yīng)力也可以同時(shí)均的切應(yīng)變率關(guān)聯(lián)起來(lái)，湍流脈動(dòng)所造成的應(yīng)力可以表示為： iji jjitji xUxUuu ??? 32????????? ??????? （ 24） 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 通風(fēng)對(duì)室內(nèi)有害氣體凈化效應(yīng) 7 式中， t? 是紊流渦粘性系數(shù)， k為紊流動(dòng)能，表示單位質(zhì)量流體紊流脈動(dòng)動(dòng)能的平均值。 由三維非穩(wěn)態(tài)的 SN? 方程可導(dǎo)出?；蟮?k方程與 ? 方程： ??????? ? ???????????? ?????????? ?????????jijijjjj xUuuxCxxUt 2 (25) ?????????? ???2212 CxUuuCxCxxUt j ijijjjj ???????????? ?????????? ?? ??????? (26) 時(shí)均化的連續(xù)性方程， SN? 方程和模型化了的 k方程 (25)、 ? 方程 (26)以及Reynolds應(yīng)力的渦粘性系數(shù)表達(dá)式 (24)組成了標(biāo)準(zhǔn) kε雙方程模型的封閉的控制方程組 [15]。 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(gè)過(guò)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(guò)程。對(duì)于地毯等 ―干 ‖性材料，第一個(gè)過(guò)程其決定作用；而對(duì)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(guò)程起決定作用。由于純粹實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，短期的 VOC 散發(fā)性能研究可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)合來(lái)進(jìn)行，主要利用實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，結(jié)合通過(guò)數(shù)值模擬得到的空氣流速、溫度、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(duì)材料在各種外界條件下的中長(zhǎng)期散發(fā)特性做出預(yù)估 [16]。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 通風(fēng)對(duì)室內(nèi)有害氣體凈化效應(yīng) 8 圖 污染物散發(fā)模型示意圖 國(guó)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 所示，其中假定污染物在室內(nèi)空氣中分布均勻，通過(guò)空氣邊界層將材料內(nèi)外耦合。經(jīng)實(shí)驗(yàn)獲得污染源（如地毯、油漆本身）內(nèi)部的初始濃度 0C 、污染物內(nèi)部的擴(kuò)散系數(shù) mD 和兩相（污染源本身固體和室內(nèi) 氣體）結(jié)合面處兩個(gè)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(gè)參數(shù)的獲得一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)的多次采樣和結(jié)合一定假設(shè)作 為初 始條件，對(duì)數(shù)學(xué)模型迭代求解。 VOC 散發(fā)模型通?；谌缦录僭O(shè)： 1) 材料內(nèi)部組成均勻，初始時(shí)刻各處濃度相同。 2) 材料內(nèi)為一維擴(kuò)散物質(zhì)。 3) 材料的擴(kuò)散系數(shù)為常數(shù)。 4) 在固體壁面處， VOC 的濃度服從亨利定律。 數(shù)學(xué)表達(dá)式為 ： 22( , ) ( , )1mmC x t C x tx D m t????? 00x L, (27) 22 0mCx? ??， 0,xt? 0 (28) , , 0maC K C x L t??= (29) ( ( ) )mm m a a X L cCD h C t C Jx ??? ? ? ?? x = L|| (210) 0 , 0 , 0mC C x L t? ? ? ? (211) 式中， mC 為 VOC 在材料內(nèi)部的濃度（ μg/m3）； a C 為 VOC 在室內(nèi)空氣中的濃度（ μg/m3）； mD 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)； cJ 為固體壁面處的傳質(zhì)量（ μg/） [17]。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 通風(fēng)對(duì)室內(nèi)有害氣體凈化效應(yīng) 9 3 模型的建立 室內(nèi)空氣流動(dòng)模型的建立 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=ρPT 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287J/ (kgK)； T 為空氣熱力學(xué)溫度（ K）。 其次，通常可將室內(nèi)空氣流動(dòng)的壓力視為常數(shù)，于是可得： ρT=常數(shù) 另外，常見(jiàn)的室內(nèi)環(huán)境中空氣流動(dòng)基本為低速流動(dòng)，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 0U?? 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(dòng)符合 Boussinesq 假設(shè)：密度變化并不顯著改變流體性質(zhì)，動(dòng)量守恒中，密度的變化對(duì)慣性力項(xiàng)、壓力差項(xiàng)和粘性力項(xiàng)的影響可忽略不計(jì)，而僅考慮隨質(zhì)量力項(xiàng)的影響。綜上所述，除了隨質(zhì)量力項(xiàng)的 考慮之外，室內(nèi)空氣物性都可以當(dāng)作常物性看待 [15]。 最后，室內(nèi)空氣的粘性不可忽略，必須用粘性流體動(dòng)力學(xué)的理論來(lái)研究。進(jìn)一步而言，室內(nèi)空氣流動(dòng)通常都是湍流流動(dòng)，需要相應(yīng)的湍流理論來(lái)模擬。而且，室內(nèi)空氣流動(dòng)往往是自然對(duì)流和強(qiáng)迫并存的混合