本文是一篇土木工程论文，本论文针对牛奶厂灌装间，建立了长×宽×高分别为 23×14×7m 的模型，运用计算流体力学(CFD)的方法研究了在矢流送风方式和上送下回方式下改变不同条件对高大空间厂房内污染物的分布控制，研究结论分为以下几点：1) 在矢流送风和上送下回两类送风方式下，距离地面越高，污染物浓度越小，距离地面越低，污染物浓度越大。当换气次数与污染源种类均相同时，增大污染源强度，室内各个截面处污染物平均浓度值均增大。当污染源强度与污染源种类均相同时，增大换气次数，室内各个截面处污染物平均浓度值均减小。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着近些年“绿水青山就是金山银山”的经济模式在人们生活中的不断磨合适应，人们更加青睐“绿色经济”状态下健康的生活方式[1]。高速的发展必然会带来恶劣的影响，而且人们对生活和物质上的品质要求越来越高。空调系统不仅给人们带来了舒适的室内环境[2]，也达到了为室内通风排除污染物的目的，给人类生活和工作提供了一个健康舒适的环境。基于健康和节能，专家学者通过实验和模拟等方式研究不同送风方式，提出新的观点和结论，为人们健康的生活环境做出贡献。
现在建筑业蓬勃发展，许许多多的新型建筑装饰材料以及一些家具表面涂层均会散发一些污染物及挥发性物质，更有一些工厂会直接散发大量的污染物与粉尘。所以这些污染物随着室内通风不断地流动，这不仅影响了室内空气品质，而且对人们生命安全造成威胁[3]，以至于阻碍了人们正常的生产和生活状态。建筑能耗占到了建筑总能耗的 20%~30%[4]，然而建筑能耗 50%以上都发生在建筑物的空调系统中[5]，因此为避免空调系统产生过多的能量消耗，需要对建筑物的保温密闭性进行完善与增强。进入室内的新鲜空气稀少，使得可呼入的颗粒污染物在室内造成积聚，污染物难以被及时带出室外，从而影响了室内空气品质，导致室内空气品质变差，这样恶劣的环境给工作或者生活的人员带来不良反应，引发疾病。对于这样的病发症状，一些专家学者们将其定义为“病态建筑综合症”。相关研究发现大部分人们生产生活的空间都在室内[6]，而且人体的发病率与空气中所含的颗粒污染物浓度存在联系，所含颗粒污染物浓度低则人体患病的相对几率就低，反之则相对较高[7]。而近年来随着一些高大空间建筑的增多，室内污染物得不到有效控制，对于这类建筑内污染物分布控制的研究成了热点问题。
建筑物的大空间定义可以从高度和面积上分别说明。从高度上可以理解为超过5m 高的空间建筑；从面积上可以理解为单层空间超过 2000m2的空间建筑[8]，有着昌盛发展的国家经济的支持，社会上出现许许多多的这种大空间建筑，大空间构筑物的洁净室在当今也为人们的生产、生活提供了诸多便利，比如不少食品和药品加工厂洁净室的生产车间都是大空间布局。但在绿水青山就是金山银山的绿色经济发展模式下，公众的自我保护与环保意识也在不断加强，对于大空间洁净室内环境污染问题的研究也逐步成为近年来的热点问题。因此大空间洁净室内的污染物分布控制就显得尤为重要，而气流组织则成为影响室内污染物浓度的一个重要条件。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 污染物研究现状
早期人们只追求空调房间的温湿度，而现在不仅追求房间的舒适度，人体健康受到室内空气品质的威胁也在重点考虑范围之内。发达国家特别看重建筑物空调系统相关的室内空气品质，尤其体现在室内空气置换效率、洁净度、温湿度、设备功耗等[11,12]。但是对于不同送风方式下室内污染物的研究还较少且也不深刻全面，主要集中研究室内污染物随气流的流动特性及室内空气的速度和温度分布特点的数值模拟。
在九十年代末，Yaghoubi 通过使用计算动力学的研究方式，改变室内污染源和热源的位置，模拟了在不同的气流组织下室内空气中悬浮颗粒污染物的分布规律[13]。Weizhen Lu 和 A. T. Howarth 等则将散热器的温度场和速度场通过数值模拟和实验相结合的方法进行分析，得出热壁面射流程度不同，导致建筑物内的流场分布、温度场分布和污染物浓度场分布均不同[14]。
在 20 世纪初期，N. P. GAO 研究了室内封闭环境中颗粒物的分散与沉积，采用三种典型的通风方式分析了沉积速度随颗粒粒径变化的曲线。结果表明：通风方式对微小颗粒的沉积速率影响不大，而对大颗粒粒子的沉降作用就比较明显[15]。Zhao等人对比了在混合通风和置换通风两种送风方式下室内污染物的分布运动。通过对比研究发现，两种送风方式对污染物运动规律的影响截然不同，在相同情况下，置换通风的气流组织形式比混合通风更有利于减少室内污染物[16]。而 Lin 等人同样对比了混合通风和置换通风，不过是针对房间墙壁装修产生的污染物分布规律，同样得出置换通风排污效果最佳，且室内空气龄也小[17]。
而在 2006 年，Zhang 和 Chen 运用计算流体力学的方法研究了通风室内粒子的扩散情况和浓度分布，通过模拟与实验相结合，得出室内污染物的扩散及浓度分布规律。通过多次测验与模拟比较得出，不同的送风方式下室内颗粒物浓度分布及运动规律大不相同。尤其地板送风方式相比顶板送风和侧送风方式可以将污染物更好的排至室外，但是这一送风方式的缺点在于会产生二次扬尘，对室内空气品质产生坏的影响[18]。Pereira 则在 2008 年，针对办公大楼不同的工作站，选择了上送上回、上送下回、地板送风和分体空调以实验的方法解释了这四种送风方式下室内污染物分布的不同及对污染物的排除效果的不同[19]。
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第 2 章 污染物与洁净室
2.1 室内污染物
污染物指的是大气中小液滴与固体颗粒物的混和物，根据空气动力学当量直径将颗粒物可分为三类，分别为总悬浮颗粒物、可呼吸颗粒物和细颗粒物。室内颗粒物的粒径一般介于 0.01μm 到 100μm 之间[58]，一般指的是可呼吸颗粒物，即 PM10。为便于对此三大类的颗粒物属性进行更直观的理解，分别从颗粒物的产生、颗粒物浓度影响以及对人体侵害方面进行介绍分析。
(1) 室内污染物的来源 室内污染物由两部分组成，分别为室外传入的污染物和室内自身产生的污染物。室外传入的污染物主要包括外界的污染物通过建筑物的门窗缝隙、低过滤性的通风空调等方式进入室内；除了外界污染物进入室内，还存在室内人体自身活动产生的污染物。图 2-1 可以生动形象来描述造成室内环境空气品质较差的成因。但是，污染物不会一直悬浮在室内空气中，污染物通过建筑物围护结构的渗透及被暖通空调系统过滤而消失。
图 2-1 室内污染物的来源分布图
从 1980 年开始，西方国家对室内污染物的来源进行了大量研究，文献[59]分析了纽约州 ERDA 研究的部分数据，得出若室内污染源强度低，则室内污染物主要来自室外。但是如果家庭成员中有吸烟的人员，烟气则成为了室内最主要的污染源。文献[60,61]研究表明，若室外空气污染严重时，室内增加换气次数，则室内的污染物浓度跟室外被污染的空气浓度越接近，所以在有雾霾的天气中减少新风量会对室内空气品质有所改善。
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2.2 污染物的基本性质
污染物产生于人们生活和工作中，其性质包含 Chemical property（化学性质）、Physical property（物理性质）以及 Geometric property（几何性质）等，这些属性主要表现在颗粒物的大小、污染物的密度、污染物的吸湿性以及颗粒物之间的所带的正负电荷。
污染物粒径决定了污染物的大小，要确定污染物的大小就要知道污染物的粒径值。一般情况，污染物颗粒的形状不是规则的，大部分都是奇形怪状的，因此通常用 Physical equivalent diameter（物理当量直径）表示污染物的大小。物理当量直径指的是同一个物理量中与污染物颗粒一致时的球体颗粒粒径。在实际工程中，物理当量直径在不同的场合有不同的应用，需要结合具体情况具体分析，选择合适的物理当量直径。在全球污染物治理中，为了避免人们在工作和生活中得尘肺病同时对污染物浓度的控制，研究污染物是一个必要的课题。因此，选择物理当量直径中的空气动力学直径来等效替代大气污染物颗粒物的大小是值得肯定的。
在十九世纪六十年代，L·巴士特鲁等人发现久放在空气中的新鲜食物会被微生物进行分解，食物内的分子结构被破坏，使得食物发生变质腐烂现象。这一发现启发了 J·理斯利用碳酸稀释的溶液为受伤的患者进行消毒处理。而到十九世纪后期，便衍生出了高温灭菌、紫外线消毒等高效的消毒处理方式，保证室内的无菌环境，在手术过程中降低病人的细菌感染率，这是当时人们发现的最早的“洁净室”[70]。二战期间，枪支武器的需求大大增加，为了提高作战武器的稳定性，美国原子能委员会利用高精度的空气过滤装置安装在车间送风口，以此减少生产武器车间内的污染物，为今后现代化洁净室的建设打下了基础。
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第 3 章 数值模拟理论及数值模型建立······················19
3.1 数值模拟原理 ························19
3.1.1 动力学控制方程 ······················19
3.1.2 湍流模型 ···················21
第 4 章 高大灌装间洁净室污染物分布数值模拟及分析················27
4.1 改变污染源强度 ······················27
4.2 改变换气次数 ·························33
第 5 章 矢流送风的节能性分析····
