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文献综述
1.1室内环境污染： 从上世纪70年代起，随着科学技术的迅猛发展，人们的生活方式随之发生了翻天覆地的变化，更多人加入到室内进行的劳动之中。建筑设计，土木工程技术进步不仅仅使人们的工作和生活变得更加舒适，而且也使建筑的建造成本大大降低了，但是也造成了室内环境状况的恶化，很多对人体有害的物质在室内不断积蓄并造成污染，浓度甚至比室外的有害物浓度还要高[1]。进入21世纪后，中国开始加紧对环境污染的治理工作，尤其是现在正在进行中的“十二五”计划已经将环境污染的治理提升到了前所未有的高度。目前国家和社会将污染治理的主要目标都集中在了室外的大环境中危害人们健康，破坏生态平衡，阻碍可持续发展的水体、大气和固体废弃物污染上了。然而，不可否认的是室内环境对于人体健康的影响要远远超出人们的想象，因为大多数人将他们生活中的大部分时间都花费在室内活动中。越来越多的实验证据表明，很多种污染物质在室内的浓度通常是高于在室外浓度的[2]。一般意义上的室内环境问题都是由于室内环境空气质量引起的。而室内空气质量（ IAQ）这个概念在这几十年里也由起初的一系列环境污染物的硬性指标逐渐转变成为客观指标与人们主观感受相结合的质量标准。2003年3月，中国第一部《室内空气质量标准》除了规定了包括化学性、物理性、生物性和放射性污染的各项指标，还明确提出了“室内空气应无毒无害，无异常气味”的要求[3]。 1.2颗粒物： 颗粒物是关乎室内空气品质的重要因素之一, 特别是PM5以下的颗粒物更易沉积于人体肺部不易排出，对人体造成一定的伤害。由于病菌、微生物、真菌等生物性致病源往往吸附于颗粒物表面, 这些生物病源对人体健康的危害更大, 可造成人体免疫功能造成不可逆的损伤和产生疾病 [4]。而在通常情况下, 人 80%以上的时间停留在室内, 因此, 室内空气品质中颗粒物对其的影响已引起人们的广泛关注。室外大气中悬浮的颗粒物进入室内后一部分会沉积下来, 而人们在室内的一些活动常常能引起空气波动, 使积聚在墙壁与家具和地面上的灰尘扬起, 导致室内空气品质恶化而影响人体健康。对于普通居民住宅, 室内颗粒物主要源于室内烹饪、吸烟、燃煤取暖或其他活动所产生的气溶胶或微尘[5-6]。由于一般家庭均通过开窗换气改善室内空气品质, 室外颗粒物浓度对室内颗粒物有着直接影响[7]。自然通风换气可以排出与稀释室内烹饪、吸烟等产生的气溶胶及家具散发的挥发性有机气体(VOCs), 对室内空气品质的改善起到重要作用[8]。 随着我国基础设施建设的加大、工业的发展、汽车的增多及土地沙漠化等, 大气总悬浮颗粒物(TSP)呈增加态势, 其中，最重要的一个指标，即PM 2.5颗粒物质量浓度，它虽不高但颗粒数量远大于其他诸如PM10等大粒径颗粒物, 对人体呼吸道的危害也更大, 因此, 室外大气污染物对室内空气品质的负面效应不可忽视[9]。 2 研究概述 为了研究各种因素对室内颗粒物分布影响，需进行数值模拟研究，首先建立流场模型与颗粒物模型。 2.1流场模拟模型 首先是对流场的模拟，由空气流动对颗粒产生的作用力以及颗粒自身重力决定了颗粒的运动方式 ,因此准确地模拟室内空气流场是模拟颗粒运动和分布的前提和关键。 李勋栋[10]等采用4种不同低雷诺数k-ε湍流模型, 包括Abid模型、Launder-Sharma模型、Abe-Kondoh-Nagano模型和Chang-Hsieh-Chen模型, 对矩形房间内空气流动的速度特性和湍流强度进行了数值研究其中Launder-Sharma k-ε模型能更好的预测速度特性, 而其他3种模型能较好的预测湍流强度。 Chen与Yu[11]等人开发一种新的CFD模型，以模拟通风室内环境中的气流模式，气溶胶颗粒的传输，分布和沉积，他们采用了漂移-通量模型的简化形式，应用半经验粒子沉积模型来获得朝向壁的粒子沉积通量，该模型适用于在通风的模型室中模拟颗粒的分布和沉积，并保持恒定的污染物颗粒供应。评估和分析沉积速率，浓度场和混合时间。 2.2颗粒物运动模拟模型 杨彩青[12]等介绍了两种室内颗粒物运动分布模拟方法:欧拉法和拉格朗日法。欧拉法将颗粒相看作连续相来求解颗粒的守恒方程；拉格朗日法是将空气相看作连续相来求解时均 N-S方程, 而将颗粒相看成离散相,通过求解颗粒的动量方程得到单个颗粒的运动轨道。 拉格朗日法可追踪单个颗粒的运动轨迹, 但是需要花费较多的计算时间, 比较适用于颗粒相稀疏的气固两相体系。一般而言, 采用自然通风方式房间内的灰尘浓度较低, 因此, 采用拉格朗日法的随机轨道模型对颗粒的运动轨迹进行追踪。空气与灰尘可分别处理为连续相与分散相[13] 通常来说, 由于灰尘粒径较小且浓度较低, 连续相对分散相有重要的影响, 而灰尘颗粒对连续相的影响可以忽略, 因此采用拉格朗日法的单相耦合计算方法。 2.2.1拉格朗日模型 拉格朗日方法不是把粒子当作一个连续体来处理，而是计算大量单个粒子的运动并得到它们的轨迹。颗粒在流场中受到的力有：流体曳力、热泳力 、巴赛特力 、虚拟质量力、布朗运动力、压力、Saffman 提升力等。对于细小的颗粒, 由Zhang等人的分析可知，颗粒所受的巴赛特力、压力 梯度力和虚拟质量力与所受的流体曳力相比非常小,可以忽略不计，而 Saffman 提升力相对比较大,不能忽略不计[14]。颗粒所受的曳力由斯托克斯曳力定律求得。 当颗粒到达空气入口或出口时,将从入口或出口离开, 结束颗粒轨道;当到达壁面时 ,一般情况是粘附到壁面上结束颗粒轨道 ,因为通常颗粒不能积攒足够的能量来克服壁面的黏附力[15] 。粒子运动由公式： 确定up和u分别是粒子和空气的速度；rho;p和rho;分别是粒子和空气的密度g是引力，F是附加力，如萨夫曼升力[15]。 颗粒对流体的作用：流体(空气)与颗粒之间的作用是单向耦合, 因为颗粒的数量较少 , 所以认为颗粒对流体的作用可以忽略不计。当流场收敛后开始跟踪颗粒轨迹同时记录颗粒在各个时间步长时的位置。 2.2.2 滑移通量模型 滑移通量模型是一种只考虑颗粒重力沉降的，简化的欧拉模型，它将颗粒物当做和连续流体介质一样的连续物质来看待。其边界条件与传统单相流动模拟的初始条件类似，即给出初始时刻域内颗粒物浓度分布情况即可[16] 欧拉方法假设粒子相是一个连续介质，遵循标量输运方程： 其中t是时间，C是颗粒浓度；r是空气密度！u是雷诺时均模型的平均风速分量和大涡模拟在三个方向上的过滤风速分量；G是粒子的有效扩散系数！v为颗粒沉降速度，Sc为颗粒源项。 滑移通量模型将颗粒视作连续相，是组分运输模型的改进，既考虑了不同粒径的差别以及颗粒沉降作用引起的颗粒通量对空气输运质量流的影响，又不用使用双流体模型。与组分输运模型相比，颗粒浓度控制方程附加了由于空气与颗粒之间的滑移引起的“滑移通量项”。 3 文献总结 通过阅读上述文献，简单了解目前国内外研究人员通风或不通风环境下对室内环境污染问题研究现状，颗粒物在室内的运动与沉积的模型问题，在不同湿度，不同的空间尺寸的环境中颗粒物的分布影响问题，已进行了大量的研究。不同粒径的颗粒，可以选择不同的颗粒相模型。但以往研究者们对于环境温度对室内颗粒物分布影响与颗粒不同颗粒直径，环境温度等影响因素对颗粒沉积过程问题研究并不多见。所以，本课题旨在通过建立合适的物理模型探究不同的环境温度下，室内颗粒物的分布特性，三维室内颗粒的运动规律，分析虑颗粒直径、颗粒密度等因素对颗粒运动过程的影响，分析不同温度条件下的颗粒沉积过程。 |
毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： |
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本课题围绕环境温度对室内颗粒物分布影响环境温度对室内颗粒物分布影响进行研究。首先是通过流体数值模拟软件Fluent模拟研究三维室内颗粒的运动规律，其次是用模拟软件模拟分析颗粒直径、颗粒密度等因素对颗粒运动过程的影响，最后是模拟不同温度条件下的颗粒沉积过程，并用相应的图像处理软件对产生的数据进行系统分析。
通过阅读相应的国内外文献，了解环境温度对室内颗粒物分布影响的研究进展，并了解其他诸如颗粒物尺寸密度等的影响因素对颗粒物分布的影响。学习并掌握Fluent流体数值模拟软件，学会通过相应的图像处理软件进行系统分析。 （2）实验方法 利用流体数值模拟软件Fluent研究室内颗粒运动过程，通过控制变量的方法，系统的研究颗粒尺寸、密度和环境温度等对颗粒运动及沉积过程的影响
（3）数据分析 利用相应的图像处理软件，得出不同情况下三维室内颗粒物的分布规律，颗粒直径、颗粒密度等因素对颗粒运动过程的影响，分析不同温度条件下的颗粒沉积过程等特征。并用相应绘图软件直观的表示出不同因素对室内颗粒物分布与颗粒运动与沉积过程的影响。总结数值分析结果并撰写和分析相应的影响总结报告。 参考文献： [1] 赵新宇. 室内环境污染问题现状研究[J]. 环境科学与管理. 2014, 39(6):184-187. [2］冯爱明，侯德鑫，叶树亮，et al.一种室内环境监测系统：中国， CN201716041U[P］．浙江省杭州市下沙高教园区 学源街，2011－01－19:12． [3]崔媛.室内环境学体系构建的研究[D］.东北师范大学，2006. [4]LI Hong, ZENG Fangang, SHAO Longyi, et al.Current status of study on the human health effects of inhalable particulate [J].Journal of Environment amp;Health, 2002, 19(1):85-87. [5]ZHANG Ying, ZHAO Bin, LI Xianting.Sources and characteristics of indoor particulate matter :a review [J].Heating Ventilating amp;Air Conditioning, 2005, 35(9):30-36. [6]MORAWSK L , HE C , HITCCHINS J, et al.The relationship between indoor and outdoor airborne particles in the residential environment [J]. Atmospheric Environment , 2001, 35(20):3463-3473. [7]ZHAO Bin, CHEN Jiujiu, LI Xianting,, et al.Source, effect and distributionof indoor particulate matter[J].Journal of Environment amp;Health, 2005, 22(1):6568. [8]TUNG T C W, CHAO C Y H , BUMETT J.A methodology to investigate the particulate penetration coefficient through building shell [J].Atmospheric Environment , 1999, 33(6):881-893. [9]CHAO C Y H , WAN M P, CHENG E C K .Penetration coefficient and deposition rate as a function of particle size in non-smoking naturally ventilated residences [J].Atmospheric Environment , 2003, 37(30): 4233-4241. [10]李勋栋,邓保庆,陆丽,王静.采用不同低雷诺数k-ε湍流模型模拟室内空气流动的研究[J].曲阜师范大学学报(自然科学版),2012,38(01):59-62. [11]Fangzhi Chen,Simon C.M. Yu,Alvin C.K. Lai. Modeling particle distribution and deposition in indoor environments with a new drift–flux model[J]. Atmospheric Environment,2005,40(2). [12]杨彩青,赵彬,杨旭东,刘双科.三种室内颗粒运动分布模拟方法的比较. 暖通空调.2007.37(4):7-11 [13]韩云龙, 胡永梅, 钱付平, 陈光.自然通风室内颗粒物分布特征. 安全与环境学报.2013, 19(2):116-120. [14]Bin Zhao,Ying Zhang,Xianting Li,Xudong Yang,Dongtao Huang. Comparison of indoor aerosol particle concentration and deposition in different ventilated rooms by numerical method[J]. Building and Environment,2003,39(1). [15]Alvin C. K. Lai,William W. Nazaroff. MODELING INDOOR PARTICLE DEPOSITION FROM TURBULENT FLOW ONTO SMOOTH SURFACES[J]. Journal of Aerosol Science,2000,31(4). [16]张锦. 室内超细颗粒扩散与通风稀释的数值模拟研究[D].南华大学,2010. |
