【摘要】本文运用数值模拟软件Fluent对以甲醛为代表的污染物的稀释净化进行了模拟研究。垂直送风速度分别取3.4 m/s,4 m/s，6 m/s和8 m/s，记录各风速下的流场并分析污染物净化的效果，用以将模拟结果应用到今后的工程实践当中。
【关键词】体育馆；污染物；净化；数值模拟
0引言
随着现代体育项目的发展，与体育相关的建筑类型逐渐增多，并且使用功能也越来越强大。现代化体育场馆不仅要求外形美观，馆内各种体育设施齐全，还要求室内环境舒适、卫生，即较为合适的室内空气温湿度、风速和噪声等要求。鉴于体育馆的结构比较特殊，不仅要满足观众席人员的舒适性，还必须考虑比赛人员和比赛项目所要求的温湿度和风速等参数。进行大球（排球、篮球等）比赛时，比赛人员活动量较大，比赛场地的风速一般要求不大于0.5m/s，而观众席附近区域的风速一般应控制在0.3m/s左右；而对于小球（乒乓球、羽毛球等）的比赛，则更应严格控制比赛区域的风速大小，一般要求不大于0.2m/s，否则会将球吹偏，影响比赛的顺利进行[1]。
室内空气污染物按其物理性质可以分为固态颗粒污染物与气态污染物，其在空气中的分布是由其自身的形成过程和外界环境决定的。而在体育馆等公共建筑内，室内空气污染物的分布及浓度情况直接影响到场馆内人员的身体健康。表1是体育馆内污染物浓度的标准限值。
表1体育馆卫生标准[2]
先前的学者在体育馆等高大空间的问题上，偏重于对其内部热湿环境以及气流组织的研究，而对馆内装饰材料的污染物散发情况和空调系统的净化效果却鲜有研究。因此，了解和掌握体育馆内污染物的分布、通风空调对污染物的稀释以及空气净化器的净化效果，并采取相应措施来保证体育馆内观众和运动员的健康，具有十分重要的意义。
1数值模拟
1.1模型建立
该体育馆建筑面积13281平方米，本文主要针对地上部分的比赛大厅以及观众席进行数值模拟，因此取模型尺寸为62.8m×62.8m×18m（长×宽×高）。馆内固定看台和活动看台共设3966个座位，本文全部简化为相同型式。馆内空调气流组织形式采用上送和侧送下回，送风口包括650mm×250mm、500mm×250mm两种尺寸，分别位于侧墙和顶部，回风口有2400mm×1600mm、1600mm×1200 mm两种，布置于看台下方。
本文使用Gambit建模，由于模型较大，网格数太多会直接影响计算的速度和效率。同时，从平面图上可以看出，模型上下对称，而左右不对称。因此，取该模型的一半进行研究，然后作对称处理可以简化计算，处理后模型如图1。
图1体育馆数值模拟模型（对称）
1.2方程组的建立
对于三维模型，在稳定状态下，方程如下：
连续性方程：■+■+■=0（1）
动量方程：■+■=■+■?滋■-■?籽■（2）
方程（2）中，i=l，2，3。ui、uj(i，j=1，2，3)分别表示x、y、z方向的速度分量，凡是某项中一个角坐标重复出现两次时(不论角坐标在什么位置)，都表示对该角标求和，例如，i=l表示x方向，j=l，2，3分别表示x、y、z三个方向，则有：
■=u■■+u■■+u■■（3）
μ为动力粘滞系数（μ=μi+μj），ρ为流体密度，对于不可压缩的流体，可视其密度是常数。方程（1）、（2）、（3）为求解污染物速度场、浓度场的本构方程，但因为其不是封闭的，所以仍需要补充其他的方程，然后联立，才能求解。对于脉动项的处理本文使用k-ε方程法[3]。
1.3边界条件和参数设置
模拟过程做出以下假设：
1）移除观众席中所建的小台阶，只保留基本的大台阶构造；
2）移除送风管道，只保留风口，并保持高度、尺寸不变；
3）忽略照明设备、人员等散热对污染物扩散的影响；
4）忽略门窗的渗透风量的影响；
5）流体做低速不可压缩流动，温度变化不大，密度为常数；
6）忽略能量方程中由于粘性作用引起的能量耗散；
7）污染物的散发对室内气流无影响。
本文只是对体育馆气流组织影响较小的物体进行简化，而整个体育馆大空间主要部分都予以保留，这样在降低计算机性能要求的同时，也能最大限度的保证模拟的准确性。
本课题为了简化污染源的模型，取室内地板中央大小为24m×44m的表面为甲醛污染源，对称模型中大小为24m×22m。由于看台观众高度都在2.5m以上，因此，主要模拟研究比赛区的污染物浓度分布情况，并重点监测人员的呼吸高度，即z=1.5m。
表2给出了本文计算中的参数设置。
表2模拟参数设置
1.4结果讨论
为了讨论不同风速对污染物净化效果的影响，同时找出较为合理的送风速度，该数值模拟分别取风速为3.4m/s 、4m/s、6m/s和8m/s.为了是结果更为明显，取模拟出的四组参照风速中3.4m/s和8m/s下产生的速度分布进行对比，如图2和图3所示。
从以上两组送风速度下馆内的模拟流场来看，随着送风速度的增加，馆内涡流越来越小，排风量越来越大，由此可知对污染物的净化作用越来越好。当送风速度小于4m/s时，馆内存在较多上升气流，形成涡流区，对于比赛区的污染物分布，稀释作用与排风作用相当；当速度增加到8m/s时，涡流区减小，上升气流减弱，排风强度增加，这是因为随着送风速度的增加，射流气流到达地面时与地面的接触面减小，导致反弹角度减小，相对风口的反弹气流互相碰撞减小，从而涡流减小。当速度继续增加后，涡流几乎消失，气流的净化作用增强。此时，观众区污染物很少，比赛区内污染物的扩散也被抑制，并慢慢被稀释并排出。
本文也将四组风速下污染物浓度随时间的变化做了综合图标，这样能够更加直观的比较不同风速对该场馆内污染物浓度的影响，结果如图4。
从图4可以看出，在送风开始阶段，污染物浓度是逐渐增加的。随着送风速度的增加，相同时刻的浓度开始逐渐降低，说明增加送风速度还是有一定的作用。但到后期，污染物浓度几乎处于不变，散发与净化的速度达到平衡。
2结论
垂直送风状态下，送风速度越大对室内空气污染物的净化效果越好。但是当风速增大到一定程度后，对于场馆内污染物的净化已处于稳态时，净化效果就不明显了。因此，一味的增大风速只会增加能耗，而选择一个合适的送风速度才最关键。
【参考文献】
［１］邹月琴,贺绮华.体育建筑空调设计[M].中国建筑工业出版社,1991.
［２］GB9668-1996 体育馆卫生标准[S].
［３］李先庭,李晓锋.一种求解湿空气温度和相对湿度的 CFD 算法[J].暖通空调,2000,30(2):66-68.
［责任编辑：王洪泽］
