基于CFD数值模拟的室内污染物浓度快速预测模型研究

In order to provide realistic ventilation flow rates, it is of great importance to know indoor pollutant concentration field quickly and efficiently resulting from any type of indoor-pollutant-source distribution, further facilitating the design and control of indoor ventilation systems for practical application. The indoor pollutant concentration distribution is strongly influenced by air-flow convection and turbulent diffusion effect. Hence, on the basis of air-flow information from numerical simulation, this project aims at the construction of low-dimensional linear reduced-order ventilation models such that transient pollutant concentration can be accurately predicted. This project is then structured as follows: correcting pollutant concentration transport equation under the influence of several parameters (eg. density differences, temperature or humidity) such that concentration equation can be solved independently from Navier-Stokes equations; obtaining the dominant eigen-modes for the information of air-flow distributions; constructing the reduced-order ventilation models for a particular decay problem and the realistic transient problem. The construction of low-dimensional reduced-order ventilation models will play an important role in the optimizing the building ventilation design and energy conservation.

快速、准确并有效地预测室内污染物浓度分布可以实现室内污染物浓度在线监测，进而对通风系统实施自动调控，同时也有利于实际工程应用中的室内通风系统优化设计。室内气流组织对流和湍流扩散效果对污染物浓度去除有很大影响。本项目基于计算流体力学 (CFD) 数值模拟获得的气流组织信息，构建低维降阶线性通风模型，以此来快速预测室内污染物的瞬时浓度分布。本研究主要分为以下几点内容：探讨在有密度差、温度或者湿度等因素的影响下，浓度扩散方程的修正方案（线性污染物浓度输运方程是建立线性通风模型的前提条件）；室内气流组织有效特征模式的提取；构建基于污染物衰减问题的低维降阶通风模型；构建基于瞬时污染源问题的低维降阶模型。低维降阶线性通风模型研究的成功实施将提供一种室内污染物浓度快速预测的新方法，在通风系统优化设计和建筑节能领域具有重要的理论和实践意义。

CFD在通风系统设计与控制中有两个关键科学问题有待解决：通风模拟中的湍流模型以及边界条件的模拟策略（精度）；CFD作为通风预测手段，模拟难度大、时间成本高，不能满足工程设计需要（速度）。上述问题严重阻碍了CFD在工程中的有效应用。以建筑通风优化设计为目标，项目开展了室内风环境预测与调控的关键基础研究，主要研究成果有：1) 提出了“无量纲时间尺度”的通风设计初期评价指标，快速评估室内通风与污染物扩散的关系，为降低通风系统精细化设计成本与智能化控制复杂度提供了技术依据。“无量纲数通风评价指标”（Ri/α，其中Ri为理查德数，α为质量通量比值）小于临界值10-3，通风设计才能保证室内CO2去除效果。2）改进了通风低雷诺数湍流模型，并提出“自适应壁面流动修正大涡模拟方法”与“动量源法”，提高了室内通风模拟的精度和速度，为通风系统精细化设计提供了技术手段。其中，“动量源”法可用于快速准确模拟室内人员或物体运动工况下的室内环境；“自适应壁面流动修正大涡模拟方法”可以快速预测高雷诺数通风管道流动。3）考虑气流的湍流效应，构建了“低维线性”通风快速预测模型，极大地降低了计算成本，结合机器学习技术，实现了“超实时”室内环境预测，为CFD在通风系统设计与在线监控提供了重要理论基础；4）发现了室内通风量和冷热源系统能耗的非互斥定量化关系，为通风系统与冷热源系统的耦合优化设计及节能控制提供了理论支持。研究成果有助于实现建筑通风系统优化设计与节能控制、室内空气质量实时调控、健康舒适室内环境营造，为推进我国绿色健康建筑的可持续发展和节能减排提供了理论依据和关键技术手段。 近三年以第一或通讯作者发表SCI论文18篇，授权3项实用新型专利。