室内空气温度梯度和湿度梯度对有机污染物扩散的耦合影响

摘要

随着社会的发展和生活水平的日益提高，建筑内环境的建造和装饰越来越奢华，但随之而来的问题就是室内各种材料所释放的挥发性有机化合物(Volatile OrganicCompoundS，VOCs)对室内空气的污染越来越严重，更有甚者会危及人们的生命安全。因而，研究和掌握室内各种污染物的迁移和扩散规律对改善室内空气质量具有重大意义，可为工程实际提供理论依据。 室内温度和湿度对空气中VOCs的扩散均有显著影响，但以往的研究大多局限于单一因素对VOCs扩散的影响。本文采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，着重研究和探讨了室内空气温度梯度和湿度梯度同时存在时两者对VOCs扩散的耦合影响。 本文以非平衡统计热力学和不可逆过程热力学理论为依据，建立了同时存在温度梯度和湿度梯度时，考虑多浮升力和多场交叉耦合作用的情况下室内VOCs传递的数学模型，对理论分析中提出的控制方程进行了无量纲化，并用有限元法对控制方程进行了离散和求解。 通过对大量工况的计算和分析，得出了多物理场(温度、湿度和VOCs浓度)共存时多浮升力共同作用下传热传质交叉耦合扩散效应的基本影响规律，展示了流场、温度场、水蒸气和VOCs浓度场随热瑞利数Ra、综合浮力比N、刘易斯数Lec等的变化规律，探讨了热附加扩散准则数STC、扩散附加热准则数DCT和质附加扩散准则数GHC等耦合扩散效应无量纲准则数对VOCs扩散的影响。根据平衡态不可逆热力学理论，从机理上分析无量纲索瑞特准则数、杜弗尔准则数和质附加扩散准则数的正负对传热传质加强或削弱的关系。 求解结果表明，当温度梯度和湿度梯度较大时，耦合扩散效应索瑞特效应、杜弗尔效应和质扩散效应对VOCs分布和传递有着重要影响，其影响大小和趋势与综合浮力比N的大小密切相关。综合浮力比N表示了VOCs浓度浮升力与热浮升力与水蒸气浓度浮升力之和的对比关系。在多浮升力共同驱动时，VOCs浓度浮升力可能对热浮升力与水蒸气浓度浮升力起加强或削弱作用，并可能主导整体流动。本文详细分析了不同综合浮力比N时，耦合扩散效应各无量纲准则数对流动传热传质的影响及其机理。 建立起了可控制温度梯度、湿度梯度和有机污染物浓度梯度的多组分扩散实验小室，以实验观察确定温度梯度和湿度梯度存在时污染物的分布以及传递特征。经过几种工况的测量，确定了测量面上温度、湿度和VOCs浓度的分布。从实验结果可以看出，温度、湿度和VOCs浓度的分布趋势与数值模拟结果较为一致，为理论分析奠定了坚实的实验基础。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:符号表

声明

第1章绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状及发展动态

1.3本文的研究内容

第2章温度及湿度梯度同时存在时VOCS扩散的机理和数学模型

2.1热质传递的交叉耦合扩散效应

2.2多梯度驱动时传热传质耦合扩散效应的数学模型

2.3数学模型的求解方法

第3章室内VOCS多场耦合扩散效应的数值模拟方法

3.1控制方程的无量纲化

3.2计算区域与控制方程的离散

3.3本文离散求解方法

第4章考虑多场耦合效应的室内VOCS扩散数值模拟

4.1水平温度梯度、浓度梯度导致多浮升力自然对流机理分析

4.2热瑞利数Ra、综合浮力比N以及刘易斯数Lec对流动和传热传质的影响

4.3索瑞特效应对流动和传热传质的影响

4.4杜弗尔效应对流动传热传质的影响

4.5质附加扩散效应对流动传热传质的影响

第5章室内VOCS扩散多场耦合效应的实验研究

5.1实验系统及实验方案

5.2实验测试

5.3实验结果与分析

第6章结论与展望

6.1主要结论

6.2存在的不足

参考文献

后记

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况