بخشی از مقاله
چکیده
برای ارزیابی مواجهه با آلاینده ها در داخل ساختمان و آلودگی تهویه و سیستم های تهویه مطبوع، درک بهتری از رفتار ذرات در کانال های تهویه موردنیاز است. نشست ذرات در کانالهای تهویه تأثیرات زیادی بر توزیع ذرات در ساختمان و در معرض قرار گرفتن افراد برابر ذرات دارد. در این پژوهش بر روی نشست ذرات در کانال های افقی تهویه در محدوده قطر 50 تا 0/01 میکرون بررسی شده است.
شبیه سازی با استفاده از دیدگاه اویلری-لاگرانژی انجام شده است. برای جریان سیال از مدل های تحلیلی کانال ها با جریان توسعهیافته کمک گرفته و کد لاگرانژی که مدل توربولانسی لاگرانژی آن گام زنی گسسته تصادفی است، به کار گرفته شده است. سرعت نشست و مکانیزم های نشست در قطر های مختلف در دیوارهای جانبی، بالایی، زیرین کانال افقی بررسی می شود.
.1 مقدمه
استنشاق ذرات موجود در هوا کوچک تر از 10 میکرومتر ممکن است بر سلامت انسان تأثیر منفی بگذارد. کانالهای تهویه معمولاً مسیر غالب ورود هوای بیرون به ساختمان های بزرگ هستند. هوای داخل ساختمان اغلب از طریق کانال های تهویه با هوای بیرون ترکیبشده، ازلحاظ حرارتی تغییر کرده و به فضای داخل برمیگردد. بیشتر هوای داخل ساختمان های بزرگ حداقل یک بار از کانال های تهویه عبور می کند و مقداری از هوا هم چندین بار از این کانال ها عبور می کند. به محض اینکه هوا از طریق کانال ها جریان پیدا می کند، رسوب به سطوح کانال ها ممکن است توزیع اندازه ذرات موجود در هوا را تغییر دهد و درنتیجه ساکنین ساختمان که در معرض این هوا قرار دارند را تحت تأثیر قرار دهد.
اگر بیوآئروسل ها رسوب کنند، رشد پس از آن یا تحولات بیوشیمیایی می تواند منجر به انتشار انواع آلاینده های هوا در داخل ساختمان از قبیل قارچ و ترکیبات آلی فرار میکروبی درون هوای تهویه گردد. بسیاری از بایو آئروسلها که نگرانی برای سلامت انسان هستند در اندازههای بین 5-1 میکرومتر هستند. برای ارزیابی مواجهه با آلایندهها در داخل ساختمان و آلودگی حرارتی، تهویه و سیستم های تهویه مطبوع - HAVC - ، درک بهتری از رفتار ذرات در کانال های تهویه مورد نیاز است. به دلیل اهمیت آن برای سیستم های متعدد، رسوب ذرات از جریان های آشفته به طور گسترده بهصورت تئوری و آزمایشگاهی موردبررسی قرارگرفته است.
ذرات معلق در هوا از جریان های آشفته توسط مکانیزم های متفاوتی رسوب پیدا میکنند. فاکتورهای شناخته شده برای اثر گذاشتن روی نرخ رسوب شامل اندازه ذرات، درجه آشفتگی هوا، ناهمواری سطح و جهت گیری سطح رسوب با توجه به جاذبه است. اگرچه در مطالعات تعداد بسیار زیادی تحقیقات تجربی روی موضوع کلی رسوب ذرات در جریان های آشفته وجود دارد اما در مورد خاص رسوب در کانال های تهویه، به طور قابل ملاحظه پرداخته نشده است. کف های افقی، دیوارهای عمودی و سقفهای افقی معمولاً با کانالهای مستطیلی رایج می باشند. بسیاری از آزمایش ها در کانال ها با قطرها و سرعت های هوای مشابه با آنچه در مورد سیستمهای HAVC پیدا میشود، فقط رسوبگذاری به کف را اندازهگیری شده است.
شبیهسازی عددی مستقیم - DNS - 1 جریان، در یک عدد رینولدز پایین، در یک کانال عمودی توسط مک لافلین[1] انجام شد. او متوجه شد که نیروی بالابر برشی ناشی از اثرات، بهصورت قابلتوجهی بر تجمع ذرات و نشست در زیر لایه چسبناک اثر میگذارد.
همچنین ماتیدا و همکاران [2] مطالعه شبیهسازی آماری برای پروفیل نشست ذرات پخششده در یک کانال متلاطم که اطلاعات آن را از حل عددی مستقیم استخراج کرده بود. مطالعهی لیو و اگاروال [3] بر روی نشست ذرات با محدودهی قطر 1تا 50 میکرون در کانال با رینولدز9894 و سرعت برشی 0/39 متر بر ثانیه است. این نکته حائز اهمیت است که نشست بهسرعت برشی و نوسانات سرعت نزدیک دیواره وابسته است. هیگسون و همکاران [4] و میرزایی و همکاران[5] آزمایشهای تونل باد را در مورد پراکندگی گازی 8 آلاینده اطراف یک ساختمان انجام دادند.
وودس [6]، هیندس [7]، لی و احمدی[8] ، لی و احمدی[9] ، لی و همکاران[10] و لیو و احمدی[11] جریان هوای آشفته و نشست ذرات از یک منبع نقطه ای در یک مجرای با و بدون موانع را موردمطالعه قراردادند. شبیهسازی عددی مستقیم انتقال و نشست ذرات در جریان مجرای آشفته توسط اونیس و همکاران [12]، ژانگ و احمدی [13] و ژانگ و همکاران[14] موردمطالعه قرار گرفت. تیان و احمدی[15] اثر شرایط مختلف مرزی نزدیک به دیوار، بر نرخ نشست ذرات را موردمطالعه قراردادند.
اثر نوسانات آشفته در پراکندگی و نشست ذرات با استفاده از گام زنی گسسته تصادفی - DRW - 2 و مدلهای لانگوین ساده - CFWN - گنجاندهشده است. دقت و صحت عملکرد دیوار استاندارد و دو مدل لایه منطقهای در پیشبینی میدان جریان در نزدیکی دیوار موردبحث قرار گرفت. آنها نتیجه گرفتند که مدل تنش رینولدز با دو شرط مرزی لایه دقیقتر از مدل تلاطم k- بود. گاوو و همکاران [16] نیز به بررسی تأثیر مدلهای توربولانسی بر روی نتایج نشست در کانال پرداختند و ضرایبی برای اصلاح مدل گام زنی گسسته تصادفی ارائه کردند.
وانگ و جیمز[17] شبیه سازی پخش و نشست ذرات ریز را با یک اصلاح برای ناهمسانگردی مدلهای آشفتگی همسانگرد انجام داد. ورمان و همکاران[18] نیز با استفاده از مدل شبیهسازی گردابه های بزرگ به بررسی کانال حاوی ذرات پرداختهاند. اوسترل و زیاچیک [19] تأثیر مقیاس زمانی لاگرانژی بر روی مدل کردن پخش ذرات در جریانهای برسی آشفته بررسی کردهاند.
کانالها در ساختمانهای تجاری معمولاً از فولاد گالوانیزه ساخته میشوند. این مقاله، آزمایشها را برای بررسی اثر اندازه ذرات، سرعت هوا بر روی نرخ رسوب ذرات در کانالهای HVAC را توصیف می کند.رسوب ذرات بهطور مستقیم در کف، دیوار و سقف سطوح کانال موردبررسی، اندازهگیری شد. ما نتایج نرخ رسوب را در بخشهای افقی کانال گزارش میدهیم جایی که جریان آشفته بهطور کامل توسعه پیداکرده است. از نتایج این آزمایشها، میتوان برای درک مفاهیم وضعیت نهایی ذرات در ساختمانها و ارزیابی در معرض ذرات قرار گرفتن بهکاربرده شود.
.2 مسئله
صورت مسئله
در مطالعه پیشرو پخش و نشست ذرات در لایهمرزی در فضای دوبعدی و سهبعدی موردبررسی قرارگرفته شده است. مسئله بدین صورت در نظر گرفتهشده است که سیال در یک کانال افقی است. خصوصیات سیال و ذرات در جدول 1 ذکرشده است. نتایج بهدستآمده روی لایه مرزی همان صفحه هست. پیش از آغاز تحلیل لازم است تا کد و مدلهای انتخابشده مورد راستی آزمایی قرار گیرند.
برای این منظور از نتایج تجربی مطالعهی لیو و اگاروال [3] استفاده کردیم. این نتایج تجربی که مورداستفاده پژوهشهای عددی پس از آن مانند پژوهش تیان و احمدی [15] که مدل لانگوین را بر روی هندسه دو بعدی با این نتایج بررسی کرد و همچنین پژوهش گاوو و همکاران [16] در هندسه دوبعدی و مدل گام زنی گسسته تصادفی نقش مدل های آشفتگی در نشست داخل کانال را بررسی کرد. جریان در کانال مورد بررسی این پژوهش ها به صورت توسعه یافته و دهانه مربعی به ابعداد 0/02 متر در نظر گرفته شد. در پژوهش حاضر نشست ذرات در همین هندسه به صورت دو بعدی و سه بعدی بررسی شده است .
معادله حرکت ذره
با توجه به اینکه ذره یک فاز گسسته است، معادلات آن باید به صورت جداگانه و در دستگاه مختصات مرجع تحلیل شود. معادله حرکت ذره، همان قانون دوم نیوتن است که بهصورت رابطهی - 1 - نوشته میشود.
اصطکاک مهمترین نیروی موجود در این تحلیل است. در صورت فرض کروی بودن ذره میتوان این نیرو را از رابطهی - 2 - محاسبه نمود.
در رابطهی فوق به ترتیب سرعت نسبی ذره و سیال ، چگالی سیال ، مساحت پیشانی ذره و ضریب نیروی پسا هستند. برای ضریب نیروی پسا روابط گوناگونی وجود دارد که مهمترین آنها در زیر بهصورت رابطهای آورده شده است :
در این رابطه رینولدز نسبی ذره و سیال است که طول مشخصه رینولدز، قطر ذره است.
رابطهی نیروی درگ با توجه به فرض پیوسته بودن سیال بهدستآمده و برای ذرات در حد فاصله آزاد مولکولی باید توسط ضریب باکینگهام اصلاح شود.
که Kn عدد نادسن است.
نیروی گرانش و ارشمیدسی در راستای مرکز زمین به ذره وارد میشوند
