FLUENT气溶胶扩散模拟简单案例
气溶胶是以气体介质（如空气）为连续相，以微粒（particle）为分散相组成的胶体体系，具有胶体的性质，不少传染病如SARS等均会通过气溶胶传播病毒。根据气溶胶运动理论，普通气溶胶在室内运动的受力主要包括以下几种：（1）拖拽力，当颗粒与周围空气之间存在相对运动的时候，粒子就会收到气体介质所施加的阻力，即受到拖拽力的影响，该作用力将减弱粒子的相对运动。（2）重力，粒子的密度大于空气是，重力对气溶胶粒子具有很大影响，微生物气溶胶的密度一般在1000kg/m3。（3）热泳力，如果在空间内存在温度梯度，微生物气溶胶粒子将向低温方向移动。（4）压力梯度力，空气压力梯度力就是当颗粒存在于一个压力分布不均匀的空间内时，由于颗粒相对表明处在不同的压力下而产生的力。（5）附加质量力，是由于要使颗粒周围流体加速而引起的附加作用力。（6）Basset力，该力是由于相对速度随时间的变化而导致颗粒表面附面层发展滞后所产生的非恒定气动力，由于该力大小与颗粒的运动经历有直接关系，所以该力又称为“历史”力。（7）Saffman力，由于风的剪切力作用导致颗粒受到一个垂直于主流方向的力。当环境速度近似为0时，该力可以忽略不计。（8）布朗力，由于流体分子撞击而产生的粒子速度变化的随机力，当粒子直径小时，该力的作用明显。 对于颗粒粒径范围0.01~10μm，密度为1000kg/m3的微生物，当空气密度为1.2kg/m3时，所受各种力的大小量纲近似如下，可以看出，颗粒物所受的拖拽力、重力和布朗力最为显著。本案例将做一个简单的气溶胶扩散模拟，无实际意义。 建立一个长宽高分别为5600mm、3600mm和2300mm房间模型，顶部有尺寸为610mm×610mm的送风口和排风口。送风速度分别设置0.01m/s和0.4m/s，前者用于模拟房间几乎不通风的情况，送风温度25摄氏度，房间初始温度26℃。 在房间中心位置，高度1.5m有个锥形（cone）喷射源，用以模拟人的口部咳嗽喷出的颗粒。喷射源半径0.011m，锥形角度30°，初始速度25m/s，温度32℃，喷射量6.7×10-6kg/s，喷射时间0.2s，颗粒直径2μm。 本案例我们只考虑颗粒和气体的单向耦合，即气流影响颗粒运动，颗粒运动不影响气流，在计算时先稳态求解流场，收敛结果作为粒子运动瞬态模拟的初始条件。采用标准k-e湍流模型，开启能量方程和重力加速度。打开离散型（DPM）模型，进行如下设置，其他默认。 在通风房间中，气溶胶可以大多可以贴附于壁面上，因为他们无法累计足够的力量来反弹。因此，当颗粒遇到刚性壁面时，随机被捕捉（trapped），多数研究人员按这种方式处理。在本案例中，为更好地说明通风对气溶胶传播的影响，赞不考虑壁面的捕捉，房间壁面DPM边界设置为reflect（反弹） 瞬态计算时间步长0.1s（计算资源够的话可以设置得更小），总计算时间步300，即模拟时长30s。 送风速度0.01m/s时，30s后的颗粒分布如下。 送风速度0.01m/s时，30s后的颗粒数量，质量和平均浓度如下。送风速度0.4m/s时，30s后的颗粒数量，质量和平均浓度如下。相比送风速度0.01m/s的情况，颗粒含量减少了19.2%。[1]刘树森,口腔散发微生物气溶胶在室内传播和运动规律的研究[D].天津大学[2]陈小明,空调室内生物气溶胶扩散分布的数值模拟[D].南华大学[3]贺启滨等,应用CFD方法模拟室内气溶胶的传输与沉积[J].建筑热能通风空调
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首次发布时间：2023-07-05
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