摘要：研究气溶胶粒子在管道中的沉积规律，对改善室内空气质量和病态建筑综合症有理论指导作用。本文主要对通风管道影响尘粒沉积的因素，如尘粒粒径、送风风速和管壁粗糙度等进行了探讨。
关键词：气溶胶颗粒；空调管道；沉降速度
引言
气溶胶颗粒是由固体颗粒、液体颗粒或液体及固体颗粒悬浮于气体介质中形成的均匀分散体系，其自然沉降速度极小，可长时间悬浮于空气中。空调系统风管内沉积灰尘不但会严重污染室内的空气，而且会增加风管系统阻力，使空调系统的风量下降。此外风管内空气的温度和湿度非常适宜细菌的生长和繁殖，因此空调风管系统本身就可能是一个污染源[1]。研究表明，由于设计不科学或运行维护管理不良，通风空调系统不仅可能成为污染物传输的途径和动力来源，本身还可能成为污染物发生源，对室内空气品质造成极为不利影响。
1 选取模型
本文中数学模型的建立是以气体中粒子向竖直壁面的扩散沉降理论为基础。参照文献[2]建立数学模型。在空气流动的紊流充分发展段内，从粒子的大小、风速和沉降表面的粗糙性对粒子沉降速度的影响着手，为了较系统了解尘粒向底面的沉降速度Vf与风速(雷诺数Re)、粒径dv、表面粗糙度K之间的关系，应用文献[2]中的数学模型选取断面为180mm×180mm方形镀锌钢制风管对不同风速(u=1.8m/s、u=3.7m/s、u=5.5m/s、u=8.1m/s)、不同粒径（0.01、0.1、1、5、10、100?滋m）、不同粗糙度（K=0、0.18、0.32、0.65mm）下的底面沉降速度进行计算。
2 计算结果分析
2.1 沉降速度与粒子粒径关系
从计算结果图2.1~图2.3可看出在风速不变情况下，随着尘粒粒径增加，尘粒的沉降速率在大体趋势上是相应增加的。赵菊恒[3]通过对二维通风管道进行模拟计算得出了相近的结论，即随着粒径的增大，尘粒受重力的影响越大，沉降趋势越明显。但从图2.1~图2.3中也可看出尘粒粒径在0.01?滋m~1?滋m之间，当管壁粗糙度不是很大的时候，沉降速度有一个先减小后增大的趋势，并且粒径在0.3 附近，沉降速度出现一个极小值点。这是因为当粒径较小时，颗粒的布朗扩散作用和湍流扩散作用大于重力沉降作用和湍流泳作用；随着粒径的增大，颗粒的重力沉降作用力和湍流泳作用力都增大，因此当粒径足够大时，重力沉降作用和湍流泳作用远远大于布朗扩散作用和湍流扩散作用，对颗粒的沉降起主导作用。Qian Chen等[4]模拟计算了粒径范围0.01 ~100 的轴对称湍流管道内的尘粒沉降，结果表明随颗粒粒径的增加，湍流扩散力和惯性力起支配作用，沉降速率增大；随亚微米级颗粒粒径的减小，在近壁处主要受布朗扩散力作用而沉降，沉降速率增加。
2.2 沉降速度与风速关系
从图2.3~图2.4中可了解到，当 一定时，随着风速的增大，同一粒径的尘粒在管壁上的沉降速度都将平稳加快，在相同送风速度下，尘粒粒径越大，其沉降速度越快。对于粒径大于l 的粒子，尘粒的沉降速度在对数坐标系中与风速几乎成线性递增关系；但对于粒径较小的尘粒沉降而言，在风速达到5 以前，其沉降速度增大比较快，当风速达到5 后，沉降速度又趋于平缓，和粒径较大的颗粒基本上变化一致，不同粒径的尘粒沉降速度几乎相同。对于尘粒的粒径大于l 时，随着风速的增加，沉降速率增加非常平缓。李念平等 [5]通过对通风管道中体积平均粒径为11.16 的气溶胶粒子的研究得出结论：气溶胶颗粒的沉降速度随着风速的减小而减小，与本文通过模拟计算得出的结论是一致的。
2.3 壁面粗糙度与沉降速度之间关系
由图2.1~2.2对比分析得出：壁面粗糙度对粒径 小于10 的粒子沉降速度影响明显；对粒径 大于10 影响变得不太明显，但有一个共同的趋势就是粗糙度越大，沉降速度越大；反之越小。粗糙表面上沉降比在光滑表面的沉降要高出两个数量级，Wells & Chamberlain(1967) [6]比较了扩散区及扩散碰撞区的粒子在水力光滑的黄铜表面和无量纲粗糙度的纤维表面的沉积，结果显示在纤维表面的沉积速度高出黄铜表面3个数量级。
3 结论与展望
3.1 空调管道内随颗粒粒径的增加，湍流扩散力和惯性力起支配作用，沉降速率增大；随亚微米级颗粒粒径的减小，在近壁处主要受布朗扩散力作用而沉降，颗粒所受重力与流动方向一致时，沉降速率增加。对于粒径大于l 的粒子，尘粒的沉降速度在对数坐标系中与风速几乎成线性递增关系；但对于粒径较小的尘粒沉降而言，在风速达到5 以前，其沉降速度增大比较快，当风速达到5 后，沉降速度又趋于平缓。壁面粗糙度对粒径 小于10 的粒子沉降速度影响明显；对粒径 大于10 影响变得不太明显，但有一个共同的趋势就是粗糙度越大，沉降速度越大；反之越小。
3.2 由于多相湍流的复杂性，至今仍未能将解决多相流问题的方法、技术或理论完全统一起来，没有形成以严格的数学理论为基础，推导和构造出具有严密内在联系与不同适用范围的粒子运动行为体系。研究的新动向应是：建立统一的理论和应用技术体系方法，深入研究不同环境中尘埃粒子的迁移和沉积规律，是学科向纵深发展和相关环境技术进步的迫切要求。
参考文献
[1] 刘瑜．办公大楼内空气污染的对策以化学物质和微生物为中心．新日本空调(株)技术研究所,2001.
[2] 吴俊，赵彬．通风管道内颗粒的沉降规律研究及应用．暖通空调[J]．2008，38（4）：18-20.
[3] 赵菊恒．尘粒在二维通道中输运特性的数值模拟[硕士学位论文] [D]．西安：西安建筑科技大学，2005.
[4] Chen Qian, Ahmadi G. Deposition of particles in a turbulent pipe flow[J]. J Aerosol Sci, 1997, 28(8):789-796.
[5] 李念平，张丽薇，付峥嵘，朱青松(2006)．气溶胶颗粒在风管系统中沉降的实验研究．建筑热能通风空调，第25卷第6期.
[6] Wells, A.C. and Chamberlain, A.C. (1967).Trans-port of small particles to vertical surfaces. British Journal of Applied Physics, 18:1793-1799.
作者简介：沈东升，出生于1984年，男，西安建筑科技大学环境与市政工程学院硕士研究生。
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