第29卷第2期 2016年6月 海南师范大学学报(自然科学版) Journal of Hainan Normal University(Natural Science) Vo1.29 No.2 Jun.2016 基于标准k-epsilon湍流模型的实验室微环境数值模拟 胡其渺 ,姚宁 ,马青兰 (1.四川农业大学理学院,四川成都611130; 2.太原理工大学环境科学与工程学院,山西太原030024) 摘要:为了研究实验室微环境的气体污染物浓度分布问题,提出了基于标准k—epsilon湍流模 型的数值模拟方法.建立“回”形和“一”形楼道二维简化模型,对其进行网格划分.以浓度为7.73 ppm的NO。作为研究对象,设置不同位置的气体污染物入口,对两种二维模型的风场和NO 浓度场 进行数值模拟和分析.结果表明,“回”形楼道不利于污染物的扩散,各区域都有污染物的分布,浓度 最低区域降幅在87.6%~96.7%;“一”形楼道模型中,inletl0、inlet14和inletl9分别作为入口时,B区 域NO 浓度值很低,monitor5—9浓度接近0.模拟结果符合理论,可以为实验室设计选址提供一定参 考,也可以为污染气体泄露应急预案和事故预报预警机制提供依据. 关键词:k—epsilon;实验室;数值模拟;CFD 中图分类号:X 132 文献标识码:A 文章编号:1674—4942(2016)02—0196—06 A Numerical Simulation Method Based on Standard K-epsilon Model in Laboratory Microenvironment HU Qimiao’,YAO Ning 。MA Qinglan (1.School ofScience,Sichuan Agricultural University,Chendu 61 1 1 30,China 2.School ofEnvironmental Science and Engineering,Taiyuan University f oTechnology,Taiyuan 030024,China) Abstract:A numerical simulation method based on standard k-epsilon turbulence model is proposed to analyze the distil. bution of gas pollutants in laboratory micro environment.A homocentric square corridor 2D model and a I-shaped are estab— lished and divided into many meshes.An air-NO2 mixture contained 7.73 ppm of NO2 is employed and the different posi— tions are set up as inlets of NO2 to investigate the wind ielfd and concentration ifeld in the two 2D models.According to the results,homocentric square corridor has poor effect in gas pollutant diffusion.Each area has the distibutiron of NO2 and the m ̄imum concentration decline is 87.6%-96.7%.In the I-shaped corridor,when inletl0,inletl4 and inletl9 are set as NO2 inlet respectively,NO2 concentration in area B is lOW.NO2 concentrations on monitor 5-9 are close to 0.The simulation re— suhs and theoretical analyses fit wel1.The results can provide reference to laboratory design and site selection.The results can also provide evidences to emergency response plan and early warning system of gas pollutant leakage. Key words:k—epsilon;laboratory;numerical simulation;CFD 随着我国科技的进步和教育的发展,我国高等 学校达到了前所未有的规模,据统计n ,全国共有普 通高等学校和成人高等学校2788所,高校科技创新 越来越被重视.然而,由于我国尚未出台高校实验室 规划标准和实验室建设项目环境影响评价法规,高 校建设项目环评报告多侧重于项目本身的生态影 实验室排污配置各有不同,各高校的实验室管理制 度大相径庭,导致气体污染物泄露事故时有发生 , 因此,实验室气体污染物的研究越来越受到关注. 目前的污染物扩散研究模型主要有以污染源为 基础的经典扩散模型、神经网络与灰色系统为主的 模糊数学模型和CFD计算机仿真 等.经典扩散模型 仅适用于基于污染源的污染物扩散模拟,神经网络 响,忽视了实验室气体污染物的风险和累积[2 ;另外, 收稿日期:2016-03-05 通讯作者 第2期 胡其渺等:基于标准k—epsilon湍流模型的实验室微环境数值模拟 197 和灰色系统则是通过模糊数学的方法预测复杂非线 该模型解决 k一方程模型中舍能’?呙、?氚特征长度由 性关系和信息不完善系统,实现值的预测,却无法模 拟出污染物在空间内的具体分布细节,CFD计算机 经验公式给出的缺点 将特征长度与特征速度带 入涡粘系数公式可得式(1): 仿真软件可以模拟各种流场和复杂下界面条件下污 染物的输送、分布情况,特别是对于流体湍流的模拟 效果较好 】.目前基于CFD的大气污染物扩散研究主 要集中于城市大气污染物扩散 、矿井通风【7 、公路隧 道有毒物质泄露嘲等方面,而对高校实验室微环境的 污染物扩散却鲜有研究. 实验室气体污染物不仅在本实验室内扩散,而 且在同一楼层的其他实验区域和办公区域都有分布 和累积,其潜在危害更大,这些区域的人员长期暴露 于实验室的有毒气体下,其累积效应对于人体健康 具有潜在风险,而且一旦实验室有毒气体泄漏,这些 区域也会受到严重污染,后果不堪设想.本研究主要 模拟两种典型楼道内实验室有毒气体的输送和浓度 分布.大气污染物扩散是湍流问题[9],故采用FLU. ENT软件中自带的标准k-epsilon湍流模型来研究实 验室微环境下气体污染物的扩散问题. 1模型简介 目前常用的湍流模型分为两大类,一类是涡粘 模型,包括零方程模型、一方程模型和双方程模型 等;另一类是基于雷诺应力输运方程的二阶矩封闭 模型,包括雷诺应力模型和代数应力模型等.标准 k-epsilon是在表征湍流脉动动能的k一方程模型基 础上发展起来的双方程模型,具有广泛的适用性.国 内外学者运用标准k-epsilon模型模拟大气污染物扩 散,取得了较好的效果.王东东nol等用GAMBIT软件 建立起公路隧道模型,用标准k-epsilon模型模拟了 特定风向下公路隧道中有毒气体的扩散和分布,通 过不同位置氯气质量分数的比较,分析了稳定纵向 通风条件下,隧道内障碍物和氯气重力效应对扩散 的影响,模拟结果与实际情况相符;傅立新等 用标 准k-epsilon模型,模拟了汽车尾气在二维街道峡谷 流场和湍流场的扩散,与实际测量数据有较好的一 致性;祁志国等 建立起公路收费站的三维模型,采 用标准k-epsilon湍流模型,综合考虑风速、风向、气 温、地形、交通量和收费模式等因素,对收费站区域 内污染物扩散进行数值模拟,以渝黔高速公路某收 费站为例,运用该数值模拟方法计算收费亭附近的 CO浓度,并与实地监测数据相比较,二者吻合较 好.这些都说明标准k-epsilon湍流模型可以适用于 不同类型环境下污染物的运输扩散模拟. : (1) 式中: 一涡粘系数; 一湍流脉动动能; 一湍流耗散 率; 一湍流常数 湍流脉动动能k方程(2): 岳( )+ (1D )= + 期 Ouj( 3uj 2, 湍流耗散率 方程(3): 蒉(ID£)+ ( )= 茜 + c e Ouj( Ouj差]_C2p (3) (2)和(3)式中: 一层流涡粘系数;C , , ,or 一经 验常数. 2模型构建及网格生成 2.1模型构建 本研究建立起两种典型实验室楼道的二维俯视 简化模型,一种为“回”字形楼道,如图1所示,图中 outletl和outlet2表示楼梯处和窗户,inletl—inlet6表 示实验室的典型位置,A—D表示研究区域;另一种为 “一”字形楼道,如图2所示,图中outlet1一outlet3表示 楼梯处和窗户,inletl—inletl9表示实验室的典型位 置,monitorl一9为污染物浓度监视区. 图1“回”字形楼道二维简化模型示意图(单位:mm) Fig.1 A homocentric square corridor 2D model 浓硝酸作为一种常见强氧化剂和强酸,被广泛 适用于各类常规分析实验室和水样预处理实验室, 海南师范大学学报(自然科学版) inlet5 2016正 inletl ■■ 燃■■隧■■ iii釜i● ●● ;i{;i誉黧誉誊 曼篓;t, ,● ■ ●● ^, ,, t{;’it{●●; t篓 ● a 戮麓 篓 l;l兰 inletl4 b d inletl9 e 图6 a—e为inlet1、inlet5、inlet10、inlet14和inlet19分别作为入口时的“一”形楼道风场图(单位:m/s) Fig.6 The wind field of I-shaped corridor when inlet1,inlet5,inlet1 0,inlet1 4 and inlet1 9 are set as inlets _ aB 铀. ‰∞# ,§ ■ bb 臻 露● 0# 2 ≈m ■ 雌 尊 Io , l4 t罅 t卑 舯 l 《雌 4 # e 悱 ■l● ’e 埔 神 l= ̄=iUon(m)a '■b 船 Petition(m)b a 船 ’ 0 50 B ’§ Ja ’‰4aa O ∞ —日aH O -I 龋a0-.∞ O ∞ I # 柑 l霉 ’■ 蚺 I_ 艚 2 尊 尊 ' 塘 l‘ 怫 l# 船 IIion《m,C 曲● 。. p纠-il硒nfm’d monitor1 monitor2 monitor3 monitor4 monitor5 monitor6 monitor7 monitor8 monitor9 a曲 由● 尊eoe,olt O帕n -∞睁 堂 · · 毒 辔 I量,一 樽 lI 糊 Po= ̄nlm}t 图7 a-e为inlet1、inlet5、inletlO、inlet14和inlet19分别作为入口时区域B中NO 浓度分布【ppm) Fig.7 The NO2 concentration field of I-shaped corridor when inlet1,inlet5,inletl O,inlet1 4 and inlet1 9 are set as inlets in area B(ppm) 第2期 胡其渺等:基于标准k—epsilon湍流模型的实验室微环境数值模拟 201 87.6% 96.7%,而对于有狭管效应的“一”字楼道来 说,有些区域甚至没有污染物的积累,这些区域可以 设置为办公室或资料室,所以实验室建筑物在设计 时应该首先考虑采用“一”字型楼道. 4)污染物在楼道中的浓度分布还与实验室和楼 道通风口的位置数量有关,在“回”形楼道中,若在每 条走廊的两端设置类似“一”字楼道的对流通风口, 增加狭管效应,可以加快污染物的输送和稀释;在 “一”字楼道中,位于中间通风口对侧的实验室选址 是最好的,但这势必会造成用房浪费,可以通过在两 侧中间位置均设置通风口的方式来解决. 该研究从数值模拟的角度描述了污染物的运输 和扩散,虽然与理论相符,但与实际情况有一定误 差,可以通过实地实验和监测来修正该方法;该试验 研究了以NO:为代表的实验室微环境污染物扩散问 题,不同气体的密度和涡粘系数不同,具体的湍流情 况也不尽相同,高校建设相关实验室时可以对不同 实验室污染气体做相应的扩散模拟,合理规划实验 用房和公共区域通风口,并可以根据仿真结果制定污 染气体泄露应急预案,建立污染泄露预报预警机制. 参考文献: 【1]中华人民共和国教育部.2013年全国教育事业发展统计公 报[EB/OL].[2014—07—04】.http://www.moe.edu.cn/pub- licfiles/business/htrrdfiles/moe/moe_633/201407/171 144.ht— I1ll [2】吴佳瑛.高校建设项目环境影响评价研究【D】.长春:吉林大 学,2007. 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