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作者：張毅

大量的流行病學(xué)研究表明曝露于室外顆粒物下和死亡率存在著必然聯(lián)系，即使室外污染物濃度較低時(shí)也會(huì)對(duì)城市發(fā)病率和死亡率產(chǎn)生影響�，F(xiàn)有研究表明顆粒物對(duì)人體的呼吸系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)危害較大，較低的顆粒物濃度能夠明顯增加人的生命長度預(yù)期。20世紀(jì)曾發(fā)生了多次與顆粒物有關(guān)的環(huán)境污染事件，造成巨大危害，見表1 。

  現(xiàn)代人一生中有80%以上的時(shí)間處于室內(nèi)環(huán)境，鑒于顆粒物對(duì)于人體的危害以及室內(nèi)外顆粒物存在必然聯(lián)系，近些年研究室外顆粒物對(duì)于室內(nèi)環(huán)境的影響越來越多，其中對(duì)于室外懸浮顆粒對(duì)物建筑物穿透過程的研究較為重要。

  穿透系數(shù)P( Penetration Factor)是指隨滲透風(fēng)通過建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入室內(nèi)的顆粒物的比例，是室外懸浮顆粒物建筑物穿透過程機(jī)理最相關(guān)參數(shù)。

  國內(nèi)外研究者進(jìn)行了大量關(guān)于穿透系數(shù)的研究，Vette等、Zhu等、Thatcher等、Long等和陳淳等研究人員分別在真實(shí)房間內(nèi)進(jìn)行了有關(guān)穿透系數(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)粒徑0.1 um到1um之間的顆粒物穿透系數(shù)最大，這一段粒徑的穿透系數(shù)接近1，有的甚至大于1，Liu和Nazaroff、Mosley等和Lewis等分別用實(shí)驗(yàn)艙對(duì)顆粒物通過縫隙的穿透過程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖然和真實(shí)房間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所不同，但也反應(yīng)出一些相似的規(guī)律，較大的顆粒物和較小的顆粒物都容易被建筑縫隙濾除，即穿透系數(shù)較小。而0.1—1um的顆粒物可以很順利的穿透縫隙。一般認(rèn)為，顆粒物穿透過程中，當(dāng)粒徑小于0.1 um時(shí)，顆粒物受到布朗力的影響，且粒徑越小作用越明顯。粒徑大于1um時(shí)，顆粒物主要受重力作用，粒徑越大越容易沉降在建筑縫隙內(nèi)部。粒徑處于0.1~1um的顆粒物受2種力的影響都較弱，所以顆粒物的穿透系數(shù)較大。

由于實(shí)驗(yàn)研究存在真實(shí)房間內(nèi)的室內(nèi)源、儀器精度、顆粒物與顆粒物之間和顆粒物與氣體之間的相互作用等不確定因素，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果難于分析。研究者嘗試通過數(shù)值模擬對(duì)穿透系數(shù)進(jìn)行研究，田立偉、陳淳等都進(jìn)行了這類研究，發(fā)現(xiàn)穿透系數(shù)與建筑縫隙的深度反相關(guān)和縫隙的高度正相關(guān)，縫隙兩端的壓差越大，顆粒物的穿透系數(shù)越大。雖然不同的研究獲得的結(jié)果存在一定差異，但不難發(fā)現(xiàn)，縫隙的幾何特征顯著影響著顆粒物的穿透過程。目前關(guān)于不同形狀的建筑縫隙模型的模擬研究尚不充分，本研究中著重考慮縫隙兩個(gè)表面存在一定夾角的楔形縫隙模型。

1  建筑縫隙內(nèi)的空氣速度

1.1  氣流在平直縫隙的空氣流速

平直縫隙中空氣流量Q和縫隙兩端壓差A(yù)P之間的關(guān)系，可表示為：

式中：Z為縫隙深度，m;w為縫隙長度，m；h為縫隙高度，m；u為空氣動(dòng)力粘滯系數(shù)，kPa．s。

縫隙內(nèi)氣流的平均流速u與空氣流量、縫隙尺寸之間的關(guān)系：

將式(2)帶入式(1)，同時(shí)將常溫T=293 K下，空氣的密度p。=1. 205 mg/m3，u= 18.1×10-6kg/( m2．s)帶人式中，可以得到氣流速度和壓差、縫隙深度和高度之間的關(guān)系：

1.2氣流在楔形縫隙內(nèi)的空氣流速

楔形縫中的空氣流動(dòng)可以等同于如圖1中所示的固定不動(dòng)的漸縮斜平板間的縫隙流動(dòng)�？諝饬髁亢蛪翰钪�間的關(guān)系見式(4)。

式中：h為楔形縫隙入口處的高度，m；a為縫隙兩邊之間的夾角。

假設(shè)空氣在流過楔形縫隙時(shí)是流量恒定，由此將(2)式代入(4)中同樣可以得到壓差A(yù)P，縫隙內(nèi)氣流的平均流速u與縫隙尺寸（w，h，f）之間的關(guān)系見式(5)。

由此可以計(jì)算出不同壓力條件下，不同楔形縫隙的氣流速度，見表3。

2數(shù)值模擬

  一般建筑縫隙的長度要遠(yuǎn)大于縫隙的深度和高度，因而在本研究中的數(shù)值模擬采用二維模型。在數(shù)值模擬中，首先對(duì)縫隙內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)行模擬計(jì)算，然后利用離散相模型( Discrete Particle Model，DPM)對(duì)于顆粒物的縫隙穿透過程進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1穎粒物的在氣流中的受力情況及相關(guān)假設(shè)

  根據(jù)此前的一些研究中對(duì)于顆粒物運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力分析，本研究認(rèn)為顆粒物在縫隙內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程考慮布朗力、曳力以及重力的影響，忽略壓力梯度力、附加質(zhì)量力、saffman升力和熱泳力對(duì)顆粒物的作用。

  根據(jù)以上受力分析，假設(shè)如下：

  1)顆粒為光滑剛性球形顆粒，在運(yùn)動(dòng)過程中穩(wěn)定不發(fā)生任何變化；

  2)顆粒物在氣流中足夠分散，空氣在縫隙內(nèi)的流動(dòng)不受顆粒相的影響，且顆粒物之間的相互作用力可以忽略，顆粒物在入口處的速度等于氣流速度；

  3)溫度恒定，忽略空氣和顆粒之間的傳熱。

2.2顆粒物流體動(dòng)力模型的建立

2.2.1  流動(dòng)模型

  通過第二節(jié)中縫隙內(nèi)空氣流速計(jì)算中獲得的雷諾數(shù)，可以看到，縫隙內(nèi)空氣流動(dòng)的雷諾數(shù)遠(yuǎn)小于臨界雷諾數(shù)2 000，所以縫隙內(nèi)的流體流動(dòng)為層流。所以對(duì)于縫隙內(nèi)的流動(dòng)模擬采用層流模型。

2.2.2顆粒物受力模型

DPM模型中顆粒物的作用力平衡方程在笛卡爾坐標(biāo)的形式（x方向）為：

式中：F，是附加加速度（力／單位顆粒物質(zhì)量）項(xiàng)；由此前的受力分析可知，式(6)可直接寫為

式中：p。為空氣密度，mg/m3；u。為空氣流速，m/s；v。為顆粒速度，m/s,C。為曳力系數(shù)；C。為

Cunningham滑移修正系數(shù)；盯為Stefan-Boltzmann常數(shù)，取5. 67 x10“W/( m2．K4)；At為顆粒的時(shí)間步長；T為空氣溫度，K。

2.2.3  顆粒物軌道方程

  顆粒軌跡方程以及描述顆粒質(zhì)量／熱量傳遞的附加方程都是在離散的時(shí)間步長上逐步進(jìn)行積分運(yùn)算求解的。對(duì)式(6)進(jìn)行積分就得到顆粒物軌道上每個(gè)位置上的顆粒速度：

  沿著每個(gè)坐標(biāo)方向求解此方程就得到了離散相的軌跡。

2.2.4邊界條件

在模擬過程中的邊界條件如表4。

2.3  實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文引用Liu＆Nazaroff的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與本文模擬模擬方法獲得的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。Liu＆Nazaroff在其研究中充分考慮各種顆粒物檢測(cè)設(shè)備對(duì)于不同粒徑范圍的顆粒物的測(cè)量精度和檢測(cè)限，獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確可信�？p隙深度為9.4 cm高為1mm．兩端壓差為10 Pa的平直縫隙，構(gòu)成縫隙邊壁的材料為光滑鋁板，可認(rèn)為內(nèi)表面是不存在摩擦力的。用這組數(shù)據(jù)和相同條件下的平直光滑的縫隙模型的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見圖2，結(jié)果顯示模擬預(yù)測(cè)的結(jié)果與文獻(xiàn)[26]中實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的較好。說明本研究使用的模擬方法是較為準(zhǔn)確的。

3  結(jié)果與分析

由圖3和圖4可見，楔形縫隙與平直縫隙的穿透系數(shù)有明顯的不同。楔形縫隙的穿透系數(shù)明顯小于同樣入口高度的平直縫隙的穿透系數(shù)，大于縫隙高度更小的平直縫隙的穿透系數(shù)。從圖中可以看到，粒徑為0.3um到0.4 um的大氣懸浮顆粒物的建筑穿透性最強(qiáng)�？赡苁怯捎�，這個(gè)粒徑段的顆粒物在氣流中的運(yùn)動(dòng)中，受到的布朗力和重力都比較微弱，因而容易通過建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的縫隙，進(jìn)入室內(nèi)。同時(shí)從圖3和圖4中看到，對(duì)于相同入口高度的楔形縫隙而言，隨著縫隙夾角的增大，顆粒物的穿透系數(shù)降低。從圖中分析，楔形結(jié)構(gòu)降低了顆粒物穿透過程中的有效高度，導(dǎo)致無論是主要受布朗力作用的小顆粒物，還是重要受重力作用的大顆粒物，顆粒物的穿透系數(shù)都有明顯的下降。同時(shí)，從表2和表3中的速度可以看到，空氣在楔形縫隙內(nèi)的速度隨著夾角的增大而減小，在縫隙深度一定時(shí)，明顯增加了顆粒物在縫隙內(nèi)的停留時(shí)間，也有利于顆粒物被縫隙過濾。

4結(jié)論

在實(shí)際建筑中建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的縫隙的形狀種類有很多，此前的一些研究已經(jīng)涉及到平直縫隙和含有彎角的L形縫隙和S形縫隙。尚無對(duì)于楔形縫隙的研究，本文通過數(shù)值模擬方法對(duì)于0. 01~100um粒徑范圍內(nèi)的37個(gè)分粒徑顆粒物的楔形縫隙穿透過程進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示當(dāng)入口高度一定時(shí)，顆粒物的穿透系數(shù)隨著夾角的增大而減小。同時(shí)顆粒物的穿透系數(shù)的一般規(guī)律在楔形縫隙中也是適用的，比如穿透系數(shù)最大的粒徑范圍也在0.1—1um之間；粒徑大于30um時(shí)的顆粒物100%被縫隙過濾。本文對(duì)于楔形縫隙的模擬研究，為建筑縫隙的進(jìn)一步研究提供了一些參考。

5[摘要]室外環(huán)境對(duì)于室內(nèi)環(huán)境的影響受到了廣泛的重視。在密閉條件下，室外污染一般通過建筑縫隙滲透到室內(nèi)。利用數(shù)值模擬手段，研究楔形縫隙等不同縫隙形狀下，室外懸浮顆粒物建筑縫隙穿透過程的影響。研究結(jié)果表明，楔形縫隙夾角對(duì)于粒徑小于0.1um和大于1um的顆粒物穿透過程影響較為明顯，同時(shí)在楔形縫隙人口高度相同時(shí)，透系數(shù)隨著夾角的增大而減小。