2017, Vol. 45
某些特定场所需要保证隔离状态，其内部环境与外界环境的气体交换量应尽可能少，从而保证室内人员的健康安全.例如，核电厂主控制室在事故状况下，将会切断外部送风口，使控制室进入隔离状态，防止外界受污染的气体进入，从而为室内人员提供安全的工作环境.然而, 在人员进入过程中，外界未经过滤的空气，伴随着门和人员的运动，从门洞中侵入到室内环境.这部分空气有可能携带污染物(辐射粒子、有毒气体或致病菌等)，从而危害室内人员的安全，因此需要重视人员进入过程中内侵入气体[1-3].
内侵入量专指从外界进入到室内的气体体积.虽然在人员进入动态过程中，室内气体和外界气体会相互交换，但是计算中仅考虑从外界进入并留在室内的气体体积量，并以m3为单位.如在美国核电标准[4]中就限定，核电厂事故状态时，每小时的开关门内侵入气体总量不能超过17 m3.李冰等[5]对室内的辐射水平进行计算时发现，当考虑开关门内侵入时，有效照射剂量提高了1.6倍，甲状腺照射剂量提高了10.1倍.这说明人员进入的内侵入量对控制室内工作人员的安全极其重要，但是国内外目前尚未有实验和相关计算得到该准确值.
不仅人员进门会对室内环境造成影响，物体移动或人员活动也会对空间内的气流运动有一定影响.目前已有一些研究者们使用计算流体力学(CFD)方法来研究人员移动对室内气流和污染物扩散的影响.如Kalliomäki等[6]比较了推拉门和平开门在开门过程中对门洞空气交换量的影响，并认为推拉门可以有效减少空气交换量.Villafruela等[7]研究了在手术室内人员活动对室内气流的影响，并利用超声波风速仪验证了室内速度场.Lee等[8]发现了开门过程中气体交换量主要取决于室内外温差和门开关的运动时间.Choi等[9]使用了大涡模型(LES)计算了人员跨房间行走时的气体交换量.Poussou等[10]使用了数值计算的方法研究了飞机客舱中人员行走对污染物传播扩散的影响.
本文研究了人员进门过程中污染气体从走廊侵入到隔离室的动态过程和侵入量.数值计算采用了雷诺时均N-S模型，通过动网格技术实现门和人员的运动，利用示踪气体监测气体的侵入过程.
1 数值模拟方法 1.1 几何模型CFD方法中使用的几何模型由两部分组成：隔离室和安全走廊.隔离室作为重点保护对象，需要防范内侵入的污染气体，而安全走廊是唯一可以进入隔离室的通道.如图 1所示，隔离室尺寸为长2.55 m、宽2.11 m、高2.55 m，安全通道尺寸为长5.40 m、宽2.00 m、高2.55 m.
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图 1 几何模型示意图(单位:m) Fig.1 Simulation model(unit: m) |
安全通道和隔离室之间有一道平开门，高2.00 m，宽1.00 m.初始时，人员站在安全走廊内，与门保持一定距离.为了模拟计算方便，将人体几何模型简化为长方体，尺寸为长0.50 m、宽0.20 m、高1.75 m.
1.2 动网格计算理论动网格模型可以用来模拟流场形状由于边界运动而随时间改变的问题.边界运动形式可以是预先定义的运动，即可以在计算前指定其速度或角速度.该模型可建立刚性物体的位置变化与流场形态变化之间的关联性，根据当前时刻的边界位置，确定下一时刻的边界位置，然后在移动边界附近的局部区域对网格进行调整或重新划分网格，以消除畸变的单元[11-12].在移动边界上任意一个控制体V中，广义标量ϕ的积分守恒方程为
| $ \frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}\int\limits_V {\rho \phi } {\rm{d}}V + \int\limits_{\partial V} {\rho \phi } \left( {\mathit{\boldsymbol{u}}-{\mathit{\boldsymbol{u}}_g}} \right) \cdot {\rm{d}}\mathit{\boldsymbol{A = }}\int\limits_{\partial V} {D\nabla \phi \cdot {\rm{d}}\mathit{\boldsymbol{A}}} + \int\limits_V {{S_\phi }} {\rm{d}}V $ | (1) |
式中：ρ为流体密度，kg·m-3；u为流体速度矢量，m·s-1；ug为移动网格边界的运动速度，m·s-1；D为扩散系数；Sϕ为标量ϕ的源项；əV为控制体V的边界; A为移动网格运动方向上的截面，m2.
方程(1)中的时间导数项可以用一阶向后差分格式写成
| $ \frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}\int\limits_V {\rho \phi } {\rm{d}}V = \frac{{{{\left( {\rho \phi V} \right)}_{n + 1}}-{{\left( {\rho \phi V} \right)}_n}}}{{\Delta t}} $ | (2) |
式中：n和(n+1)表示当前和紧接着的下一时间步的数值.第(n+1)步的体积
| $ {V_{n + 1}} = {V_n} + \frac{{{\rm{d}}V}}{{{\rm{d}}t}}\Delta t $ | (3) |
对于复杂的多体相对运动，只能采用非结构化网格来进行模拟，非结构化的动网格技术一般采用网格弹性变形和网格再生技术来实现计算域的变形[13].网格弹性变形根据弹性近似原理实现网格变形来适应边界运动，网格拓扑始终不变，无需插值，保证了计算精度，但不能模拟有较大变形的计算域[14].因此，对于弹性变形过大或过小的网格，必须采用网格再生技术，采用插值方法在计算区域内重新生成网格，以适应计算区域的变化[15].对于开关门这种绕轴旋转运动，因计算过程中门旋转运动区域较大，采用网格弹性变形和网格再生技术相结合的动网格技术，对在指定范围内的网格采用弹性变形以适应计算域的变化，当网格大小超出指定范围时采用网格再生技术来适应计算[16-17].
1.3 示踪气体方法在本模拟中，将六氟化硫(SF6)作为示踪气体来标记内侵入气体[18].安全走廊将保持有一定浓度的SF6，而隔离室中则为纯净的空气.由于隔离室除了开关门之外，没有其他途径与安全走廊接触，所以一旦隔离室中出现了SF6，则一定是在开关门过程中伴随着气流而侵入的.假如安全走廊始终保持稳定浓度的SF6，内侵入体积流量则可以通过侵入的SF6质量流量计算得到，如下所示：
| $ \frac{{{q_{{\rm{tg}}}}}}{{{c_{{\rm{out}}}}}} = {q_{{\rm{in}}}} $ | (4) |
式中：qtg为通过门框的SF6质量流量，mg·s-1；cout为安全走廊的SF6质量浓度，mg·m-3；qin为通过门框的外界气体侵入体积流量，m3·s-1.
关门之后，可以通过隔离室的SF6的总量，求得内侵入量.内侵入量计算如下所示：
| $ {V_{{\rm{in}}}} = \frac{{\iiint\limits_{隔离室} {{c_{{\rm{in}}}}\left( {x, y, z} \right){\rm{d}}x{\rm{d}}y{\rm{d}}z}}}{{{c_{{\rm{out}}}}}} $ | (5) |
式中：Vin为内侵入体积，m3；cin为安全走廊的SF6质量浓度，mg·m-3.
空气与SF6混合气体使用的是组分输运模型，其描述如下所示：
| $ \frac{\partial }{{\partial t}}\left( {\rho {Y_i}} \right) + \nabla \cdot \left( {\rho \mathit{\boldsymbol{v}}{Y_i}} \right) =-\nabla {\mathit{\boldsymbol{J}}_i} + {R_i} + {S_i} $ | (6) |
式中：ρ为流体密度，kg·m-3；Yi为i组分的质量浓度分数; v为流体速度矢量，m·s-1；Ri和Si分别为组分i的化学反应生成率和源项的散发率，由于在模拟过程中，不再产生新的SF6，也不涉及化学反应，因此这2项为零；Ji是组分i扩散通量，kg·s-1.Ji可以表示如下：
| $ {\mathit{\boldsymbol{J}}_i} =-\left( {\rho {D_{i, {\rm{m}}}} + \rho {D_{i, {\rm{t}}}}} \right)\nabla {Y_i} $ | (7) |
式中：Di, m为i组分的分子扩散系数，对于SF6取值为2.88×10-5 m2·s-1; Di, t为i组分的湍流扩散系数，m2·s-1，其计算方式为Di, t=μt/ρSct，其中μt为湍流黏度，Pa·s，Sct为施密特数，对于各类气体的湍流扩散运动，Sct可以作为经验常数, 取值0.7[19-20].
1.4 人员和门的运动过程描述人员通过平开门进入的过程非常复杂.人员直行向前，而门旋转打开并关闭，并且人员和门的运动配合得非常紧密.多次观察后，对进门过程进行了适当简化，并作了如下假设:
(1) 人员以恒定速度向前移动，在行走过程中不停顿，达到人停位置后停止移动.
(2) 门以恒定角速度旋转打开，当门全开时，马上以相同角速度反向旋转关闭，不作等待.
(3) 在运动过程中，可以通过4个关键位置来描述人和门的相对位置，如图 2所示.
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图 2 人员和门运动过程中的4个关键位置(单位:m) Fig.2 Four positions during the movements of the door and the person(unit: m) |
初始位置：在门转动之前，人站在安全走廊中，距门0.55 m.当人开始向前移动，同时门开始转动.
全开位置：此时门全部打开，与门框成90°.人已步行至门侧，人侧面与门面平行.
人停位置：在门全开之后，人继续向前，并停止在门后1.20 m.此时门仍然在关闭旋转过程中.
结束位置：此时门完全关闭，而人仍然在门后1.20 m.
(4) 从初始位置到结束位置，所用的时间称作进门用时T，作为描述运动最重要的变量.
根据以上简化和假设，在表 1中，选择T=2.0~8.0 s 7个案例进行模拟计算后，门角速度、人员行走速度和行走用时均可根据选定的进门用时T而确定.小于2.0 s和大于8.0 s的案例，由于现实状况中难以出现，故不予考虑.
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下载CSV 表 1 不同进门用时算例设置 Tab.1 Seven cases on different entrance times |
计算域网格数为250万，并经过网格独立性验证，若继续加密该网格，对计算结果影响很小.由于几何模型较为复杂，且动网格技术要求高，模型中使用四面体网格.边界层最小网格长度为0.008 m，核心区域最大网格长度取0.05 m.计算步长设置为0.005 s，记录数据间隔为0.05 s.
采用ANSYS Fluent 16.0进行计算，使用雷诺时均N-S模型.湍流模型使用了RNG k-ε方法.为提高精度，所有变量均采用二阶离散格式.流体介质采用不可压缩空气.压力速度耦合采用SIMPLE算法.为保证计算结果收敛，质量、能量和示踪气体浓度的残差应该分别小于1.0× 10-3、1.0×10-6、1.0×10-6.
初始条件：t=0时，安全走廊内SF6质量浓度是705 mg·m-3，隔离室内质量浓度为零.隔离室与安全走廊压力相等，为1个大气压.
边界条件：围护结构、门和人体等各个表面均为绝热面.隔离室与安全走廊不设置进风口和出风口.
2 结果与分析 2.1 内侵入过程分析经过模拟计算后，以案例7(T=8.0 s)为例，分析其内侵入过程.监测通过门框处的内侵入气体体积流量，如图 3所示.虽然在门框界面上，两侧气体都在相互交换，但是模拟中只监测带有SF6的内侵入气体.当流量为正时，表明带有SF6的气体从安全走廊侵入隔离室内.同时计算内侵入流量对时间积分后的内侵入累积量，如图 4所示.
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图 3 案例7(T=8.0 s)的内侵入体积流量 Fig.3 Air intruding flowrate for case 7(T=8.0 s) |
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图 4 案例7(T=8.0 s)的内侵入气体累积体积 Fig.4 Air intruding cumulative volume for case 7(T= 8.0 s) |
同时将案例7(T=8.0 s)中各个时刻的SF6浓度场结果可视化(见图 5)，并将高1.0 m平面的速度矢量场结果可视化(见图 6).
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图 5 案例7(T=8.0 s)各个时刻的SF6浓度场 Fig.5 SF6 concentration distribution at different times for case 7(T=8.0 s) |
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图 6 案例7(T=8.0 s)1.0 m高处各个时刻的速度场 Fig.6 Velocity distribution with the height of 1.0 m at different times for case 7(T=8.0 s) |
通过内侵入流量的变化，可以将整个内侵入过程分为如下4个阶段：
阶段一(t=0~T/4)：门刚刚开始转动，将走廊内气体吸引进室内.如图 5a和6a所示，内侵入气流是由门向内转动所致，同时人也在向前运动，推动了内侵入气体运动.气流速度方向也是指向门面，门洞处流速为0.32 m·s-1.
阶段二(t=T/4~T/2)：人员牵引气体进入.如图 5b所示，人员开始经过门框，此时门框被人员阻挡，内侵入体积流量突然下降到零附近.当人员经过了门框(见图 5c)，身后气体被大量牵引至室内，流量马上又回复到极大值.当人员离门框原来越远，体积流量也逐渐减小.从图 6c可以发现, 人身后跟随了较多速度矢量箭头通过门洞, 最大值为0.45 m·s-1.
阶段三(t=T/2~7T/8)：门在关闭过程中，阻挡内侵入气流.如图 5d所示，门不仅挡住了人员身后牵引产生的内侵入气流，而且由于门关闭产生的向外速度，也阻碍了内侵入气流.从图 3可以看出，体积流量逐渐减少，甚至在t=6.0 s时，体积流量变为零.图 6e中, 人已停止行走，门洞处的内侵入气流更加微弱.
阶段四(t=7T/8~T)：在最后一刻，将门和门框周围气体挤压入隔离室内.图 3中t=7.5 s时，门与门框之间有示踪气体气流侵入，造成了高侵入体积流量.从图 6f可以发现, 门和门框之间有大量速度箭头指向室内，其速度达到0.70 m·s-1.
2.2 内侵入气体体积结果7个案例的内侵入气体体积结果见图 7.可以发现，随着进门用时增加，内侵入气体体积显著增加.当T=8.0 s时，内侵入气体体积为1.352 m3; 当T=2.0 s时，内侵入气体体积仅为0.479 m3.
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图 7 T=2.0~8.0 s时内侵入气体体积 Fig.7 Air intrusion volume at T=2.0~8.0 s |
本文模拟将平开门的旋转开关门运动与人员行走运动相结合，利用动网格重现了复杂的人员进门活动.利用示踪气体，重点监视由外到内的气体内侵入过程并计算内侵入体积.对于不同进门用时对内侵入气体体积的影响进行了研究.
受到人员和门运动的牵引，外界气体侵入隔离室的过程可以分为4个阶段：一是门旋转时气体被牵引至室内, 二是人员进门时身后的气体被牵引至室内, 三是关门运动阻碍了侵入过程, 四是关门前挤压过程会形成最后一次的侵入.可以发现，随着进门用时增加，内侵入气体体积显著增加.当T=8.0 s时，内侵入气体体积最大为1.352 m3.因此，缩短进门时间是控制侵入气体体积的有效措施.严格控制进门时间，对隔离室的安全至关重要.
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