CN105718688A - 一种室内空气中多氯联苯迁移转化的分析方法 - Google Patents

Abstract

一种室内空气中多氯联苯迁移转化的分析方法，包括：(1)建模。确定模拟场景，设计并建立几何模型。本模拟的几何模型为一长5m宽4.8m高3.2m的居住卧室，内含两个床头柜和大型木质衣柜。(2)构建三维网格。居住卧室内的衣柜、床及床头柜均以木板为材料，将其视为室内空气多氯联苯的主要来源，所以将其作为质量进口。(3)计算求解。设置多氯联苯的物理性质及边界条件，定义求解器并求解监控。(4)结果分析及显示。整理计算结果，查看三维立体扩散速度场和浓度分布场。

Description

一种室内空气中多氯联苯迁移转化的分析方法

(一)技术领域

本发明涉及环境科学领域、健康风险管理技术领域及检测技术领域，具体地提出一种基于CFD技术的室内空气多氯联苯的模拟分析方法。

(二)背景技术

多氯联苯是斯德哥尔摩公约中禁止的12种持久性有机污染物之一，作为一种内分泌干扰物,能损害动物和人类的神经系统、生殖系统和免疫系统。自上个世纪三十年代起，多氯联苯被作为化学添加剂添加至各种工业产品中，环境中多氯联苯的累积量就逐年增加。多氯联苯会通过挥发、泄露等途径进入大气、土壤等环境介质中。而空气尤其是室内空气作为人类日常生活中最直接接触的环境介质，多氯联苯在室内空气中的扩散分布与人体健康更加息息相关。数学模型和计算机数值模拟尤其是计算流体动力学技术的发展，使得利用CFD技术模拟室内空气污染物的扩散分布更加方便直观。

(三)发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种基于CFD技术的室内空气多氯联苯的模拟分析方法，便于分析室内空气污染物多氯联苯的扩散速度场和浓度分布场，且操作过程简单、人工劳动强度小，为预测污染物浓度及其污染控制提供技术参考。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于CFD技术的室内空气多氯联苯的模拟分析方法，包括：

一种室内空气中多氯联苯迁移转化的分析方法，其特征在于，包括：采用计算流体力学软件对室内空气中多氯联苯的扩散分布实现三维计算机模拟，结合房间布局及典型污染源特性、位置等边界信息，分析其扩散速度场和浓度分布场，为预测污染物浓度及其污染控制提供技术参考，所述的计算流体力学软件，包括Fluent、CFX、Phoenics、Flow3d、Flowmaster；具体包括：

步骤1.CFD建模，包括：

11)确定模拟场景，设计并建立几何模型；

根据房间房型及其室内污染源位置、种类，确定模拟的场景和计算域范围，采用GAMBIT、ICEMCFD等前置处理器构建所需模拟的场景构建三维几何实体，并按照需求适当进行简化；

12)设计并划分网格；

采用GAMBIT、ICEMCFD等前置处理器将所构建的三维模型进行全局网格划分，并对不规则的构件进行局部网格细化；

步骤2.CFD计算求解，具体包括：

21)初始设置及边界条件

根据所需模拟的具体场景，选择气体的扩散模型，定义多氯联苯的相关物理性质，设置初始条件和边界条件，将流场初始化；所述的物理性质包括：室内空气粘度、密度、温度变化的影响；

22)迭代运算；

采用Fidap基于有限元方法的求解器，经过相关参数设置后，即可开始迭代运算，系统根据定义的求解目标值的稳定性判断收敛情况；结果收敛则计算停止；

步骤3.CFD结果分析及显示，具体包括：利用模拟软件彩色图形界面菜单系统对运算结果进行分析，获得直观的三维立体浓度示意图，

从而得到室内空气多氯联苯的扩散速度场和浓度分布场。

本发明的优点是：便于分析室内空气污染物多氯联苯的扩散速度场和浓度分布场，且操作过程简单、人工劳动强度小，为预测污染物浓度及其污染控制提供技术参考

(四)附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明中模拟居住卧室的结构示意图；

图3为本发明中模拟居住卧室的网格划分图；

图4为本发明中模拟办公室密闭30min在Y＝0.6m(人躺在床上时的呼吸高度)的室内空气多氯联苯浓度分布图(a)和扩散速度图(b)；

图5为本发明中模拟办公室密闭30min在Y＝1.2m(人坐在床上时的呼吸高度)的室内空气多氯联苯浓度分布图(a)和扩散速度图(b)；

图6为本发明中模拟办公室密闭30min在Y＝1.65m(假设人站立时的平均身高)的室内空气多氯联苯浓度分布图(a)和扩散速度图(b)；

(五)具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例以一间居住卧室为例，用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的附图一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

根据本发明的实施例，如图1-图6所示，提供了一种基于CFD技术的室内空气多氯联苯的模拟分析方法，是基于CFD技术的室内空气质量模拟分析方法。

本发明技术方案的发明目的：

1.本发明涉及一种基于CFD技术的室内空气多氯联苯的模拟分析方法，尤其可应用于办公场所室内空气质量评估。需要先对室内具体结构布置进行三维建模，确定模拟场景，再对模拟场景内的流体构建三维网格，再定义室内气体的物理性质，选择气体流动模型，确定多氯联苯的释放强度，设置初始条件和边界条件。求解后，应用CFD结果分析及显示观察在密闭30min后室内空气中多氯联苯的浓度分布图和扩散速度图。

2.本发明主要包括CFD建模(几何实体的创建，网格划分)、求解器计算(设置相关计算条件，迭代运算)、结果分析及显示(速度场，浓度场)，操作简单快捷，结果清楚直观。

3.本发明属于环境科学领域、健康风险管理技术领域及检测技术领域，特别是提出一种基于CFD技术的室内空气多氯联苯的模拟分析方法，对清楚了解室内空气中多氯联苯的浓度分布和速度扩散有很大帮助，并且在不同通风条件下进行计算机流体力学模拟，对室内通风设计具有指导意义。

本发明技术方案的基本技术方案：

1.一种基于CFD技术的室内空气多氯联苯的模拟分析方法，包括：采用模拟软件实现室内空气多氯联苯扩散的三维计算机模拟，分析不同通风条件下的浓度分布场和扩散速度场。

2.如权利要求1所述的方法，步骤如下：

(1)CFD建模；

1)创建代表计算域的几何实体；

选择模拟的对象，确定计算域范围，根据所需模拟的场景布局图构建三维几何实体，并按照需求适当进行简化。

2)设计并划分网格；

按所构建的三维几何实体划分网格，将不规则构件、狭小间隙及需重点监控的位置进行局部网格细化，对整个室内三维结构空间划分结构化网格。

(2)CFD计算求解；

1)设置相关条件。

根据模拟场景的具体情况，选择气体的扩散模型，定义多氯联苯的相关物理性质，设置初始条件和边界条件，将流场初始化。

2)迭代运算。

经过相关参数设置后，即可开始迭代运算，系统根据定义的求解目标值的稳定性判断收敛情况，达到收敛则计算终止。

(3)CFD结果分析及显示。

即结果分析，利用模拟软件对运算结果进行分析，得到室内空气多氯联苯的扩散速度场和浓度分布场。

本发明技术方案的保护要点：

一种基于CFD技术的室内空气多氯联苯的模拟分析方法，包括以下步骤：

S1：选择模拟的对象，确定计算域范围，根据所需模拟的场景布局图构建三维几何实体，并按照需求适当进行简化；

S2：设定多氯联苯的物理性质；

S3：设置室内流体的边界条件和初始条件；

S4：求解；

S5：结果分析及显示，根据S1-S4的设置求解收敛后，可通过模拟计算出多氯联苯在室内的扩散路径、速度分布、浓度分布等等。

S6：综合判断所有条件设置是否合理，若是，则可确定涉及方案；

S7：若否，则根据预测情况对室内三维模型进行修改调整，重新设置相关条件，并返回步骤S1进行重新建模。

S8:对比从多个设计方案中选出最佳，确定并输出最终方案。

与现有的技术相比本发明的方法具有的优点或有益效果，包括：

1.本发明集建模、求解、结果分析及显示于一体，避免了之前用三种软件分开处理的繁琐流程，节约了很多时间。

2.本发明的网格处理无需进行空间逆向建立流体的三维模型，直接根据计算域内的流体空间生成，节约了很多时间。

3.本发明的结果分析及显示无需逆向思维和空间想象力，流体可与实物结构模型共同展示，清楚直观，通俗易懂。

本发明技术方案的附图情况说明：多氯联苯是一种无色或淡黄色的油状液体，比热大、阻燃性好、绝缘性和介电常数较高、化学性质稳定和热稳定性好的人工合成有机污染物，被广泛应用于绝缘油、涂料、防火剂、粘结剂及燃料分散剂等。居住室内一般装修布置有大型衣柜及储物柜等家具，家具材料以及表面涂料都添加有多氯联苯。一般人们在卧室度过的时间长达8h，所以居住卧室内的空气质量需重点监控。了解并分析室内空气中多氯联苯的浓度分布和扩散速度可以对室内装修、通风设计等提供建议。

1.建模

1.1模型的建立与简化

卧室原始模型不尽相同，本发明的三维模型为一间4.8*5*3.2m的居住卧室，布置有附带两个床头柜的1.8*2.0m的大床以及3*2m的衣柜。由于居住卧室内的家具材料以及表面涂料都添加有多氯联苯为室内空气多氯联苯的主要来源，故将衣柜、床及床头柜表面处理为室内多氯联苯的质量进口。

1.2网格划分条件

选择全局网格划分，网格比例因子为1，最大网格尺寸0.1m。并将不规则构件、狭小间隙及需重点监控的位置进行局部网格细化，对整个室内三维结构空间划分结构化网格。

2.计算求解

2.1初始设置及边界条件

初始条件设置:分析类型为内部流动，排除内部没有流动条件的空腔；重力方向竖直向下Y方向取-9.81m/s²，流体为air和PCBs，室内环境温度为常温25℃，环境压力为标准大气压101325Pa，初始室内空气浓度为：air占100％，PCBs占0。边界条件设置：PCBs的释放强度为6.3×10^-11kg/s，创建门、窗及墙壁为无滑移边界。

2.2模型的选择及计算

本发明选择三维欧拉两相流模型，计算较为稳定。三维欧拉方程组

U+F(U)_x+G(U)_y+H(U)_z＝0其中

$U=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ρ}\\ \mathrm{\ρ}u\\ \mathrm{\ρ}v\\ \mathrm{\ρ}w\\ E\end{array}\right),F\left(U\right)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ρ}u\\ {\mathrm{\ρu}}^2+p\\ \mathrm{\ρ}uv\\ \mathrm{\ρ}uw\\ u(E+p)\end{array}\right),G\left(U\right)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ρ}v\\ \mathrm{\ρ}uv\\ {\mathrm{\ρv}}^2+p\\ \mathrm{\ρ}uw\\ u(E+p)\end{array}\right),H\left(U\right)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ρ}w\\ \mathrm{\ρ}uw\\ \mathrm{\ρ}uw\\ {\mathrm{\ρw}}^2+p\\ u(E+p)\end{array}\right)$

ρ是密度；u，v，w分别是x，y，z方向的速度分量；P是压力；总能量 $E=\mathrm{\ρ}e+\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}(u^2+v^2+w^2),$ 其中e是内能，满足γ＝1.4是绝热比；U为宏观扩散速度，F(U)x为x方向的扩散速度分量，G(U)y为y方向速度分量，H(U)z为z方向速度分量。

3.结果分析

通过计算流体力学模拟软件对办公室室内空气中多溴联苯醚的扩散分布进行模拟，可分析室内空气多溴联苯醚的浓度分布、扩散轨迹和速度分布等。

4.结论

本发明所提供的一种基于CFD技术的室内空气多氯联苯的模拟分析方法可以很好地模拟室内空气多氯联苯的扩散分布，通过结果分析及显示可以直观获得室内空气多氯联苯的浓度分布图和速度扩散图，为优化室内布局和通风设计提供参考。若经分析发现原始设计不佳或室内条件发生改变,可以针对条件或问题进行适当调整,或重新设计。至于重新设计的通风效果究竟如何,则需要进行新一轮的分析验证。

最后应说明的是以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种室内空气中多氯联苯迁移转化的分析方法，其特征在于，包括：采用计算流体力学软件对室内空气中多氯联苯的扩散分布实现三维计算机模拟，结合房间布局及典型污染源特性、位置等边界信息，分析其扩散速度场和浓度分布场，为预测污染物浓度及其污染控制提供技术参考，所述的计算流体力学软件，包括Fluent、CFX、Phoenics、Flow3d、Flowmaster；具体包括：

步骤1.CFD建模，包括：

11)确定模拟场景，设计并建立几何模型；

根据房间房型及其室内污染源位置、种类，确定模拟的场景和计算域范围，采用GAMBIT、ICEMCFD等前置处理器构建所需模拟的场景构建三维几何实体，并按照需求适当进行简化；

12)设计并划分网格；

采用GAMBIT、ICEMCFD等前置处理器将所构建的三维模型进行全局网格划分，并对不规则的构件进行局部网格细化；

步骤2.CFD计算求解，具体包括：

21)初始设置及边界条件

根据所需模拟的具体场景，选择气体的扩散模型，定义多氯联苯的相关物理性质，设置初始条件和边界条件，将流场初始化；所述的物理性质包括：室内空气粘度、密度、温度变化的影响；

22)迭代运算；

采用Fidap基于有限元方法的求解器，经过相关参数设置后，即可开始迭代运算，系统根据定义的求解目标值的稳定性判断收敛情况；结果收敛则计算停止；

步骤3.CFD结果分析及显示，具体包括：利用模拟软件彩色图形界面菜单系统对运算结果进行分析，获得直观的三维立体浓度示意图，从而得到室内空气多氯联苯的扩散速度场和浓度分布场。

2.一种室内空气中多氯联苯迁移转化的分析方法，其特征在于：

步骤11)确定模拟场景，设计并建立几何模型，具体包括模型的建立与简化：卧室原始模型不尽相同，三维模型为一间4.8*5*3.2m的居住卧室，布置有附带两个床头柜的1.8*2.0m的大床以及3*2m的衣柜；由于居住卧室内的家具材料以及表面涂料都添加有多氯联苯为室内空气多氯联苯的主要来源，故将衣柜、床及床头柜表面处理为室内多氯联苯的质量进口；

步骤12)设计并划分网格，具体是：选择全局网格划分，网格比例因子为1，最大网格尺寸0.1米；并将不规则构件、狭小间隙及需重点监控的位置进行局部网格细化，对整个室内三维结构空间划分结构化网格；

2.计算求解

步骤21.初始设置及边界条件,具体是：初始条件设置:分析类型为内部流动，排除内部没有流动条件的空腔；重力方向竖直向下Y方向取-9.81m/s²，流体为air和PCBs，室内环境温度为常温25℃，环境压力为标准大气压101325Pa，初始室内空气浓度为：air占100％，PCBs占0；边界条件设置：PCBs的释放强度为6.3×10^-11kg/s，创建门、窗及墙壁为无滑移边界；

步骤22.迭代运算包括模型的选择及计算，具体有：

选择三维欧拉两相流模型，计算较为稳定；三维欧拉方程组

U+F(U)_x+G(U)_y+H(U)_z＝0其中

$U=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ρ}\\ \mathrm{\ρ}u\\ \mathrm{\ρ}v\\ \mathrm{\ρ}w\\ E\end{array}\right),F\left(U\right)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ρ}u\\ \mathrm{\ρ}{u}^2+p\\ \mathrm{\ρ}uv\\ \mathrm{\ρ}uw\\ u(E+p)\end{array}\right),G\left(U\right)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ρ}v\\ \mathrm{\ρ}uv\\ \mathrm{\ρ}{v}^2+p\\ \mathrm{\ρ}uw\\ u(E+p)\end{array}\right),H\left(U\right)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\ρ}w\\ \mathrm{\ρ}uw\\ \mathrm{\ρ}uw\\ \mathrm{\ρ}{w}^2+p\\ w(E+p)\end{array}\right)$

ρ是密度；u，v，w分别是x，y，z方向的速度分量；p是压力；总能量 $E=\mathrm{\ρ}e+\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}(u^2+v^2+w^2),$ 其中e是内能，满足 $e=\frac{p}{\mathrm{\ρ}(\mathrm{\γ}-1)};$ γ＝1.4是绝热比；U为宏观扩散速度，F(U)x为x方向的扩散速度分量，G(U)y为y方向速度分量，H(U)z为z方向速度分量。