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自然通风条件下高层居住建筑周围空气污染物扩散研究

作　者: 王建辉
导　师: 李百战；牛建磊
学　校: 重庆大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 高层居住建筑风洞试验示踪气体污染物传播和扩散数值模拟
分类号: TU834.1
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,随着城市化的高度发展,城市大气环境问题日益严重。在现代社会中,人们在室内度过的时间高达80~90%,室内空气污染物对人体的危害变得不可忽视,特别是突发空气性传播疾病的爆发和传播,严重威胁着城市居民的工作和生活。2003年春天的非典型性肺炎、2006年夏天的禽流感和2009年初夏的甲型H1N1流感等流行性疾病的发生,给城市居民带来了巨大的安全隐患甚至是生命威胁,同时也引起了人们对流行性疾病的恐慌和恐惧。受室外风环境和建筑外形构造的综合影响,空气污染物在高层居住建筑周围的流动和扩散变得极其复杂。因此研究空气污染物在建筑微环境中的传播和扩散机理对改善城市建筑通风设计以及采取非常情况下的紧急预防举措都有着非常重要的现实意义。本论文以香港典型高层居住建筑为研究对象,利用风洞试验技术和数值模拟相结合的研究方法,分析空气污染物在建筑周围的流动和传播特性。本文试验研究在风洞大气边界层中完成,采用示踪气体技术进行空气污染物的扩散研究。为了全面研究建筑周围的污染物扩散特性,作者建立了两个物理模型,模型1的几何比例为1:150,该模型代表高度为100米、层数为33层的高层居住建筑;模型2的几何比例为1:30,该模型代表高度为30米、层数为10层的高层居住建筑。分别对建筑表面分压系数进行了测试和研究;在不同单元层的建筑外窗口位置,空气污染物的浓度利用快速粒子燃烧检测仪进行了测试,并给出了无量纲浓度的分布特性研究。通过对不同源项位置、不同风向试验对比,分析了不同室外风环境下空气污染物的传播和扩散特性。本论文通过对建筑外表面的风压系数分布和示踪气体浓度分布,全面系统地分析了自然通风条件下空气传播性污染物在建筑周围的扩散过程和扩散特性。在风洞高速段完成了模型1建筑外表面风压系数及周围污染物的扩散研究。模型1为一个实体模型,即建筑外表面没有任何外开窗。此模型研究的目的在于探寻高层居住建筑外流场的流动特性,并在此基础上研究空气传播性污染物在建筑天井中可能的扩散路径。通过对模型1的研究,清晰的量化了建筑外表面的风压系数分布,明确了建筑外流场的正压区和负压区。研究发现示踪气体不仅能沿着建筑外表面进行垂直方向的传播和扩散,还可以沿着建筑外表面进行水平方向的传播和扩散。污染物沿着建筑立面垂直方向在建筑天井内传播和扩散时,同时既可以向建筑上层扩散,又可以向建筑下层扩散。这说明当突发空气传播性疾病爆发时,整个建筑的居民都有被感染的风险。试验数据还可以用来对数值模型进行标定,采用了k ?ε湍流模型研究建筑外表面的风压系数、流场和浓度场。研究结果发现,所采用的k ?ε湍流模型均可以很好地计算和预测建筑外表面的风压系数分布;对于浓度场的预测,模拟结果和试验结果有一定的偏差。对模型修正后,数值模拟结果亦可以达到接受的范围并用来计算和预测建筑天井内的污染物浓度分布特性。在风洞低速段完成了模型2建筑天井内污染物的扩散研究。模型2为一个较大比例的建筑模型,与建筑原型相对的窗口位置均装有可开启的建筑外开窗,建筑外开窗可以通过控制手段实现建筑的关窗和开窗。模型2的研究目的在于对比分析在建筑开关窗的工况下建筑外流场和浓度场的分布特性。研究发现,污染源项的位置和来流风向的不同对建筑天井内的浓度分布有着重要的影响。通过对比建筑开关窗的情况发现,在开窗情况下的无量纲浓度分布普遍比开窗工况下低1个数量级,无量纲浓度的波动特性也较关窗工况下明显,但浓度场的分布仍比较相似。在本论文研究中,作者还对建筑天井内的无量纲浓度的波动特性进行了分析和研究,以深入分析和探寻无量纲浓度的波动特性。另外,作者根据风险评判方法,提出了可以预测和评价室内外空气污染物交叉感染的被动感染风险评价模型,实现了对不同时刻以及不同位置建筑单元的定量化风险感染评价。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-10
1 绪论  10-18
  1.1 研究背景、目的及意义  10-15
    1.1.1 研究背景  10-14
    1.1.2 研究目的及意义  14-15
  1.2 研究内容及方法  15-17
    1.2.1 问题的提出  15-16
    1.2.2 研究内容  16
    1.2.3 研究方法  16-17
  1.3 论文结构  17-18
2 文献综述及理论基础  18-44
  2.1 室内空气污染物  18-21
    2.1.1 生物性污染物  18-19
    2.1.2 室内生物性污染物来源  19-21
    2.1.3 生物性污染物对人体健康的影响  21
  2.2 自然通风与空气品质  21-25
    2.2.1 建筑周围流场  23-24
    2.2.2 建筑外表面风压系数  24-25
    2.2.3 建筑周围污染物传播与扩散  25
  2.3 大气边界层特性  25-31
    2.3.1 大气边界层  25-27
    2.3.2 大气边界层内的风速特性  27-29
    2.3.3 大气边界层内的湍流特性  29-31
  2.4 风洞试验在建筑环境研究中的应用  31-36
    2.4.1 风洞试验的引入  31
    2.4.2 相似理论  31-33
    2.4.3 相似准则数  33
    2.4.4 用于建筑风场研究  33-34
    2.4.5 用于建筑外表面风压系数的研究  34-35
    2.4.6 用于建筑周围污染物扩散的研究  35-36
  2.5 数值模拟在建筑环境研究中的应用  36-40
    2.5.1 控制方程和湍流模型  36-39
    2.5.2 用于自然通风和污染物扩散的研究  39-40
  2.6 空气污染物风险评价  40-44
    2.6.1 单项评价法  40-41
    2.6.2 累积浓度评价法  41
    2.6.3 模糊数学评价法  41-44
3 研究方法及方案设计  44-72
  3.1 风洞试验方法  44-52
    3.1.1 风洞试验室简介  45-46
    3.1.2 香港高层居住建筑特点  46-49
    3.1.3 建筑模型的选择  49-50
    3.1.4 来流大气边界层特征  50-52
  3.2 风洞试验方案设计  52-64
    3.2.1 建筑外表面风压试验方案设计  52-55
    3.2.2 模型1 浓度试验方案设计  55-57
    3.2.3 模型2 浓度试验方案设计  57-60
    3.2.4 污染物浓度的测量及无量纲化表示方法  60-64
  3.3 数值分析及湍流模型  64-70
    3.3.1 湍流模型  64-67
    3.3.2 CFD 模拟数值求解  67-68
    3.3.3 计算区域与网格划分  68-70
    3.3.4 入口边界条件及求解  70
  3.4 本章小结  70-72
4 建筑外表面风压系数分布特性研究  72-82
  4.1 建筑外表面平均风压系数分布  72-77
    4.1.1 风洞试验结果分析  72-75
    4.1.2 与模拟结果对比分析  75-77
  4.2 风压差系数分布对自然通风的影响  77-80
  4.3 本章小结  80-82
5 建筑周围浓度场分布特性研究  82-98
  5.1 污染源项位置对污染物扩散的影响  82-87
    5.1.1 污染源位于建筑下部  82-84
    5.1.2 污染源位于建筑中部  84-85
    5.1.3 污染源位于建筑顶部  85-87
  5.2 来流风向对污染物扩散的影响  87-91
  5.3 风洞试验与数值模拟对比分析  91-94
    5.3.1 结果对比  91-93
    5.3.2 分析讨论  93-94
  5.4 被动式感染风险评价模型  94-96
  5.5 本章小结  96-98
6 可开窗建筑周围污染物扩散特性研究  98-112
  6.1 关窗工况下建筑天井内污染物浓度分布特性  98-102
    6.1.1 垂直风向下天井内浓度场分布特性  98-100
    6.1.2 其他风向下天井内浓度场分布特性  100-102
  6.2 开窗工况下建筑天井内污染物浓度分布特性  102-105
    6.2.1 垂直风向下天井内浓度场分布特性  102-104
    6.2.2 其他来流风向下的浓度场分布特性  104-105
  6.3 无量纲浓度场波动特性分析  105-109
    6.3.1 无量纲浓度波动特性分析  105-107
    6.3.2 无量纲浓度累积分布效应分析  107-109
  6.4 被动式感染风险评价模型  109-110
  6.5 本章小结  110-112
7 结论与展望  112-116
  7.1 结论  112-114
  7.2 论文创新点  114
  7.3 展望  114-116
致谢  116-118
参考文献  118-130
附录  130-152
  A. 攻读博士期间发表的论文  130
  B. 攻读博士期间参加的科研课题  130-152

自然通风条件下高层居住建筑周围空气污染物扩散研究

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