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风速对室内纳米粉尘扩散影响的数值模拟*
宋成早
（首都经济贸易大学安全与环境工程学院,北京 100070）
摘 要：纳米材料目前广泛应用于很多行业,而纳米材料在生产过程中造成的粉尘经扩散对人体有一定的伤害.本文以纳米二氧化钛粉尘为例,以对人体伤害浓度下限为起点,研究在不同风速下室内粉尘扩散情况.研究通过对室内环境参数的实际测量,建立合适的物理模型与数学求解方法,用GAMBIT进行网格划分和边界设置,使用FLUENT等软件进行迭代求解和结果处理,结果发现通风对于粉尘扩散的影响较大,而且风速越大粉尘浓度降低得越快.此模型在风速2m/s时粉尘浓度下降稳定,且在粉尘出现区域绝大部分浓度均低于人体伤害最低浓度下限.
关键词：纳米粉尘；风速；人体伤害浓度下限；纳米材料
中图分类号：TD714+.43 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2017.03.029
纳米材料由于其卓越的性能,在各个生产生活领域都有着不俗的表现.尤其是纳米二氧化钛（TiO2）,其在医疗、环境、卫生、能源等各个方面都有着广泛的应用.但是纳米材料尤其是纳米TiO2对于人体的危害也是不容小觑的.实验室人员在作业工程中吸收一定量的纳米TiO2,会经血液留存于身体大部分主要器官,进而产生各种疾病.因此纳米材料实验室内的粉尘浓度与堆积情况需要引起足够重视.本课题主要研究不同通风情况下纳米颗粒粉尘扩散的一般规律,探究在有效时间内室内粉尘浓度降低到安全浓度的合理风速,对实际生产应用具有一定的指导意义.
1 研究过程与方法
1.1 物理建模
研究以首都经济贸易大学化学实验室内纳米粉尘的扩散为对象,通过实地测量获得实验室的尺寸为10.5 m（x） × 9.8 m（y） × 4 m（z）,室内的南墙离地面0.6 m高处分别有2 个 2.5 m（y） × 2.8 m（z） 的窗户,东墙有一扇 3.4 m 宽、2.8 m 高的门,室内（x等于5.20 m,y等于6.25 m,z等于0 m）处有一半径为 1.5 m,高2 m 的圆柱体,其侧面四周为排放源,以TiO2为示踪颗粒物,颗粒物的源强为 2×10-8 kg/s. 其正上方有一个4.8 m（x）×4.4 m（y）的排风扇（见图1）.
1.2 网格划分
将图1所示的物理模型划分成692 464个体
元,140 780个面元,一共是121 551个节点.最小体元的体积是2.430 602×10-6 m3,最大体元的体积是2.540 880×10-3 m3,总体积是 4.112 102×102 m3,最小面元的面积是2.975 656×10-4 m2,最大面元的面积是3.977 657×10-2 m2.
1.3 数学模型
1.3.1 湍流控制方程
雷诺数计算公式为
式中：ρ,v,u分别为流体的流速、密度与黏性系数；d为一特征长度.
本课题的物理模型是实验室,研究的是实验室内纳米粉尘的扩散及浓度问题.流体是空气,空气在常温下的密度为1.29 kg/m3,运动黏度是 14.9 ×10-6 m2/s,室内空气运动速度的量级一般在 10-1～1之间,特征长度在 1～10之间,由此可以算出实验室内空气流动的雷诺数的量级大于实验室内空气流动的临界雷诺数的量级 10-3,实验室内空气的流动属于湍流.
由此需要考虑动量守恒定律、质量守恒定律、湍流运输方程与能量守恒定律.忽略空气、壁面以及纳米粉尘间的热量交换,可将实验室内的空气流动看作等温运动,没有热浮力效应,不考虑能量守恒方程,因此将实验室内空气当作不可压缩的流体处理.
那么该连续方程可以简化为
1.3.3 对数学模型的求解方法
本研究采用有限体积法中的SIMPLE 算法.首先假定一个速度分布,通过这种假设来计算动量离散方程中的常数项和系数项；然后再假设一个压力场,并以此求解动量方程.接着修正压力值,并以这个压力值为参考改进速度大小.从而速度场会发生改进,接下来就可以用改进后的速度场来求解速度场和通过源项物性等耦合的Φ变量.若Φ变量对于流场的影响有限,这时应该在速度场收敛后求解.最后利用改进后的速度场重算动量离散方程的系数,并将新的压力场作为下一层次迭代的初值.重复以上步骤,直到得出收敛的解.
1.4 边界条件
主要常见的进出口边界条件有：速度入口、压力入口、质量入口、压力出口、无穷远压力边界、自由出流、进口通风、进口风扇、出口通风、排气扇、对称边界、周期性边界、固壁边界.本研究采用速度入口、压力出口和固壁边界.
颗粒的边界处理：本课题研究的颗粒为纳米TiO2,颗粒粒径很小,并且以粉尘对人体伤害浓度下限（0.15 mg/m3）为研究基准.所以颗粒物的浓度也不高,颗粒的体积分数不高于10%,即属于稀疏流动.所以颗粒间的相互作用力,以及颗粒体积分数对于连续相的改变都可以忽略.颗粒速度在近壁区采用的是无滑移条件,法向速度和切向速度均忽略,颗粒运动完全受制于流体.
2 不同风速对于降低粉尘有害浓度的影响
第31页图2、第32页图3分别是风速在1 m/s与2 m/s时室内粉尘扩散随时间变化的效果图.
由图1与图2可得相同排风口位置、各风速下颗粒扩散集中浓度范围、最高浓度范围与时间的相关性（见第32页表1、表2）.
TiO2纳米粉尘在室内空间运动过程中,既有因空气流动而导致的扩散运动,也有因自身重力及其他因素导致堆积情况的发生.当扩散运动的规模量超过堆积所产生的粉尘量时,TiO2纳米粉尘的浓度指标就会上升.反之,当堆积所产生的粉尘量超过粉尘因扩散而产生的规模量时,TiO2纳米粉尘的浓度指标就会下降.
表1为不同风速下,排风扇位于对面时粉尘集中浓度范围变化情况,可以发现当风速为1 m/s时,9 min时室内TiO2纳米粉尘的集中浓度范围值与
1 min时相比较是在增大的.17 min时室内TiO2纳米粉尘的集中浓度范围值与9 min时相比较基本不变.25 min时室内TiO2纳米粉尘的集中浓度范围值与17 min相比较又是在增大的.
依据上述数据可以得出：在风速为1 m/s时,TiO2纳米粉尘在室内空间运动的1 min到25 min内,室内TiO2纳米粉尘的集中浓度范围值是一个先增加后不变再增加的过程.在1 min到9 min这个时间段室内粉尘堆积所产生的粉尘量低于粉尘因扩散而产生的规模量,进而导致TiO2纳米粉尘集中浓度范围值在这一时段出现上升的现象.而在
9 min到17 min这个时间段堆积所产生的粉尘量与粉尘因扩散而产生的规模量持平,进而导致TiO2纳米粉尘集中浓度范围值在这一时段出现不变的现象.最后在17 min到25 min这个时间段堆积所产生的粉尘量低于粉尘因扩散而产生的规模量,进而又导致TiO2纳米粉尘集中浓度范围值在这一时段又再次出现上升的现象.
当风速在2 m/s时,9 min时室内TiO2纳米粉尘的集中浓度范围值与1 min时相比较是持平的.17 min时室内TiO2纳米粉尘的集中浓度范围值与
9 min时相比较是增大的.25 min时室内TiO2纳米粉尘的集中浓度范围值与9 min时相比较是减小的.
依据上述数据可以得出：在风速为2 m/s时,TiO2纳米粉尘在室内空间运动的1 min到25 min内,室内TiO2纳米粉尘的集中浓度范围值是一个先不变后增大最后减少的过程.在1 min到9 min这个时间段,室内粉尘堆积所产生的粉尘量基本等同于粉尘因扩散而产生的规模量,进而导致TiO2纳米粉尘集中浓度范围值在这一时段出现变化不大的现象.在9 min到17 min这个时间段,室内粉尘堆积所产生的粉尘量低于粉尘因扩散而产生的规模量,进而导致TiO2纳米粉尘集中浓度范围值在这一时段出现升高的现象.而在17 min到25 min这个时间段,室内粉尘堆积所产生的粉尘量高于粉尘因扩散而产生的规模量,进而导致TiO2纳米粉尘集中浓度范围值在这一时段出现降低的现象.
表2为不同风速下,排风扇位于对面时粉尘 最大浓度范围变化情况,可以发现风速为1 m/s时,9 min时室内TiO2纳米粉尘的最大浓度范围值与
1 min时相比较是增大的.17 min时室内TiO2纳米粉尘的最大浓度范围值与9 min时相比较是基本不变的.25 min时室内TiO2纳米粉尘的最大浓度范围值与9 min时相比较又是在增大的.
依据上述数据可以得出：在风速为1 m/s时TiO2纳米粉尘在室内空间运动的1 min到25 min内,室内TiO2纳米粉尘的最大浓度范围值是一个先增加到不变再增加的过程.在1 min到9 min这个时间段,室内粉尘堆积所产生的粉尘量低于粉尘因扩散而产生的规模量,进而导致TiO2纳米粉尘最
大浓度范围值在这一时段出现上升的现象.而在
9 min到17 min这个时间段,堆积所产生的粉尘量基本等同于粉尘因扩散而产生的规模量,进而导致TiO2纳米粉尘最大浓度范围值在这一时段出现不变的现象.最后在17 min到25 min这个时间段,堆积所产生的粉尘量低于粉尘因扩散而产生的规模量,进而又导致TiO2纳米粉尘最大浓度范围值在这一时段又再次出现上升的现象.
表2为不同风速下,排风扇位于对面时粉尘 最大浓度范围变化情况可以发现,在风速为2 m/s时,9 min时室内TiO2纳米粉尘的最大浓度范围值与1 min时相比较是基本不变的.17 min时室内TiO2纳米粉尘的最大浓度范围值与9 min时相比较是增大的.25 min时室内TiO2纳米粉尘的最大浓度范围值与9 min时相比较是减小的.
依据上述数据可以得出：在风速为2 m/s时,TiO2纳米粉尘在室内空间运动的1 min到25 min内,室内TiO2纳米粉尘的最大浓度范围值是一个先不变后增加最后减少的过程.在1 min到9 min这个时间段室内,粉尘堆积所产生的粉尘量等于粉尘因扩散而产生的规模量,进而导致TiO2纳米粉尘最大浓度范围值在这一时段出现基本不变的现象.在9 min到17 min这个时间段堆积所产生的粉尘量低于粉尘因扩散而产生的规模量,进而导致TiO2纳米粉尘最大浓度范围值在这一时段出现升高的现象.而在17 min到25 min这个时间段堆积所产生的粉尘量高于粉尘因扩散而产生的规模量,进而导致TiO2纳米粉尘最大浓度范围值在这一时段出现降低的现象.
综合比较表1与表2,可知风速为1 m/s时粉尘集中浓度范围量级在10-7,最大浓度范围量级 在10-6.而风速为2m/s时粉尘集中浓度范围量级在10-8,最大浓度范围量级在10-7.很明显,风速为 2 m/s时实验室内的粉尘扩散效果要优于风速为
1 m/s时的扩散效果.
由此可得出,同等外在条件下,风速越大室内通风除尘的效果越明显.
3 结论与展望
本研究发现风速为1 m/s的情况下降低粉尘浓度的效果不是很理想,高于有害浓度下限的粉尘浓度分布区域大小变化不明显,且一定时间内依旧会有粉尘堆积的情况出现.而风速在2 m/s 情况下降低粉尘浓度的效果比较明显,高于有害浓度下限的粉尘浓度分布区域大小变化比较显著,粉尘浓度的分布也比较均匀.但在实际生产中,风速越大,对于生产作业的干扰也越明显.所以在本次课题模型中,利用通风从有害浓度下限降低粉尘浓度的最理想风速设定为2 m/s.实际问题中,不同风向、不同物理模型、不同粉尘源,排放速度以及温度、湿度对于降低粉尘浓度也会产生一定的影响,这也是将要继续探讨的问题.
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