1 绪论
1.1 课题背景
随着经济的发展，环境问题越来越被人们所关注，在提升经济发展的同时，高质量的生活环境同样也是人们所追求的，目前我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾，因此，提升人民居住的室内环境显得尤为重要。近年来，城市道路中的粉尘悬浮颗粒物排放量越来越多，由于缺乏补救措施和控制技术，城市空气质量日渐下降[1,2]。无论是室外还是室内，空气质量一直是我们所关心的问题。在日常生活中，我们常在室内活动，包括学习、办公、运动和休息等，有研究表明，人类有 80%的时间是在室内度过，所以室内环境与人的健康密切相关[3]。
室内微细颗粒物是影响室内环境的主要因素[4]之一，颗粒物又名气溶胶，是悬浮在空气中的液态或固态粒子的总称。长期暴露在室内空气中的颗粒物会对居住者的健康产生不良影响[5]，一方面粒径小于 10μm 的颗粒容易被人体吸入，引起呼吸道疾病、心血管疾病等健康问题[6]；另一方面由于病毒、微生物、真菌等生物性致病源往往易附着在颗粒物表面，从而进入人体，使人患病甚至引发严重疫情。因此国内外对室内微细颗粒物的危害逐渐重视，但由于颗粒物运动机理的复杂性，以及其容易受到环境因素的影响，目前的研究程度还比较有限。人们的大部分时间都在室内环境中度过，日常室内环境中的颗粒物存在于空气中以及各种表面上，使得颗粒物容易直接影响到人体的健康。所以，获知室内微细颗粒物的运动沉积规律进而对保护人体健康寻求解决之道显得尤为重要和紧迫。通过研究颗粒物的运动沉积规律能更好地进行室内环境的优化，有切实的方法控制室内污染程度，提高室内空气清洁度，为人们提供一个健康舒适的生活、工作和学习环境。
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1.2 “Black Magic Dust”现象
冬季采暖时期，北方用户一般供暖房间的门窗经常是关闭的，除了门窗缝隙中少量的空气渗透，室外空气几乎不会影响室内空气的流动。对于相对封闭的室内空间，颗粒的影响因素主要是人员活动、地暖散热器等采暖方式，其中散热器在北方大部分用户中都存在，因此散热器对室内微细颗粒的影响研究是室内颗粒物研究的重要部分。而散热器影响下的颗粒危害主要有两种，一种是颗粒的二次悬浮[7]，使得颗粒在室内空气中的浓度增加，另一种是颗粒二次悬浮造成颗粒在各种表面上的沉积。研究者就空气中可吸入颗粒物对人体健康的危害进行了大量研究[8,9]，对颗粒沉积的研究较少，但颗粒沉积所造成的物品或人体损害等也不容小觑。室内环境中的“Black MagicDust”现象就是典型的例子，这种现象是由于散热器等近壁热源的作用使得靠近热源墙壁附近的颗粒碰撞近壁面从而沉积在近壁面上，使得近壁墙面上逐渐产生污渍[10]。
“Black Magic Dust”现象早在 20 世纪 80 年代末就引起了人们的注意，调查发现，受影响住宅的墙壁、天花板面及家具的表面在采暖期会突然出现黑色污点[11,12]。类似的例子也出现在德国以外的地方。经研究得出，92%的“Black Magic Dust”现象都发生在采暖期，且很大一部分黑色污迹出现在散热器上方的后墙和天花板区域，而且这些黑色污渍主要是由颗粒沉积造成的[10]。可见，近壁热源空气对流产生的颗粒沉积是造成近壁热源上方后墙和天花板污渍的主要原因。颗粒沉积现象十分普遍，并且在一些场所非常明显，这些现象涉及各个领域，不仅影响环境的美观、在视觉上影响甚至危害人的心理健康，降低了人们的生活品质，而且还在电子设备、机械设备、化工设备、文物保护和人居环境等方面有着一系列的影响，例如图 1.1 为颗粒沉积不良影响的实例。因此了解近壁热源空气对流对颗粒物分布及沉积的影响，掌握热源近壁面上的颗粒运动分布规律以及沉积现象的形成机理，对找寻避免或减弱这些沉积现象的方法十分必要。
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2 气固两相数值模拟平台的搭建
2.1 物理模型的选择与建立
如图 2.1 所示，因为实际中室内房间尺寸相对较大，仿真计算量巨大，所以本文借鉴文献陈曦[40]和 Chen[20]中的迷你小室模型来建立物理模型。模型室内尺寸为0.8m×0.4m×0.4m，模型由四周墙壁、地面、天花板、散热器、入口和出口构成。其中入口距上表面 0.02m，出口距离下表面 0.02m；散热器采用四片，单片尺寸为0.0275m×0.03m×0.112m，散热器片间距选用四种规格，分别为 0m、0.01m、0.02m、0.03m；散热器后表面距散热器近墙 0.01m，下表面距地面 0.02m。
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2.2 数学模型的建立
本文对颗粒相的跟踪计算采用基于拉格朗日框架下的离散元 DEM 方法。模型假设所有颗粒为球形固体颗粒，考虑颗粒碰撞反弹，忽略颗粒的传热，采用软球模型，利用软件 EDEM 中的考虑表面力的 JKR（Johnson,Kendall and Roberts）黏附接触模型[74]来考虑颗粒与壁面之间的作用黏附力。本研究中，颗粒主要受空气曳力、热泳力、Saffman 升力、重力以及静相力颗粒与颗粒、颗粒与墙壁之间的范德华力、静电力等。其中布朗力相对于颗粒的其他受力，比重很小，所以不考虑。
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3 近壁热源作用下颗粒运动分布规律模拟...............................25
3.1 室内空气流场特性规律.................................25
3.1.1 不同散热器温度下空气速度场和温度场规律........................................25
3.1.2 不同散热器片间距下空气速度场和温度场规律....................................30
4 近壁热源作用下微细颗粒物沉积规律...................................64
4.1 测量区域的确定.....................................64
4.2 散热器作用下近壁墙面处颗粒沉积分析...........................65
4 近壁热源作用下微细颗粒物沉积规律
4.1 测量区域的确定
因为散热器周围的颗粒在散热器作用下会向散热器上空及近壁墙附近运动，颗粒的近壁面沉积效应主要集中在散热器近墙和散热器正上空天花板附近。因此为了减少计算量，更加细致的研究颗粒的沉积分布，本文取沿 X、Z 方向房间的两个壁面，如图 4.1，分别命名为天花板面和散热器近壁墙面，面积根据第 2 章中的物理模型所示都为 0.32m2，本章主要在天花板面和散热器近壁墙面研究室内微细颗粒的沉积规律及分布。
由于 CFD-DEM 耦合模拟计算量巨大的原因，本文所采用的室内模型体积较小，模拟的工况时间短，导致了颗粒在室内表面上的沉积数量较少。所以本文引入在颗粒沉积浓度的概念，能更直观的表现出不同工况下颗粒沉积分布及其变化的区别。颗粒的沉积浓度：单位平方米内的颗粒数：个/m2。
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结论与展望
本文针对近壁散热器影响下室内微细颗粒运动分布及沉积，通过查阅相关文献和资料，本文建力了气固两相流的数学模型，对比分析了不同散热器温度、散热器片间距下室内空气流场及不同粒径颗粒运动及近壁面上沉积的规律，其研究的主要结果如下：
（1）散热器作用下，在散热器垂直正上空区域和天花板附近区域存在较大的气体速度及较高温度。同种工况下，随着散热器温度升高，散热器附近的气流速度增大，室内的温度梯度也增多。随着散热器片间距的增大，散热器附近的气流速度增小，但气流范围增大，温度梯度减小。
（2）散热器作用下，受室内空气流动的影响，室内微细颗粒主要分布在散热器近墙及天花板附近的区域；并且沿着室内高度，颗粒上升速度表现出逐渐增大的趋势，在受到天花板阻碍而转变运动方向后，其速度逐渐变小；散热器温度的升高，颗粒向上运动的速度加大，并在运动中逐渐向散热器近墙靠近；随着颗粒粒径的增大，散热器上空所形成的颗粒束越来越细；散热器片间距的增大，使得散热器上部空间的颗粒浓度表现出逐渐减少的变化规律。
（3）散热器作用下，室内微细颗粒在壁面上的沉积主要集中在散热器近墙壁面和天花板面上，散热器之间缝隙和散热器两侧边的上方沉积更加显著。同种工况下，随着散热器温度的升高，颗粒在近散热器壁面颗粒沉积浓度表现逐渐增大的变化规律；颗粒粒径小于 10μm 时，近散热器壁面颗粒沉积浓度表现出随着颗粒粒径增大而增大的规律；颗粒粒径大于 10μm 时，近散热器壁面颗粒沉积浓度表现出随着颗粒粒径增大而减少的规律；随着散热器片间距的增大，颗粒在近散热器壁面颗粒沉积浓度表现出逐渐减小的规律。
（4）散热器作用下，室内微细颗粒在天花板面上的沉积主要集中在散热器垂直正上方区域，随着颗粒粒径的增大，天花板面上的颗粒沉积浓度表现出逐渐减小的规律，颗粒在天花板面上沉积区域的面积也在不断缩小。
参考文献（略）