《Building and Environment》：A dynamic Eulerian multiphase model for particle deposition based on a layer-by-layer growth framework
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本研究开发了一种几何分辨的欧拉多相模型，通过界面质量传输源项和孔隙率阈值捕捉颗粒沉积层逐层增长过程，有效模拟长周期结垢演化及其对HVAC系统气流与热性能的影响，验证显示模型能准确预测沉积速率、厚度及流固耦合效应。
王展鹏|吴春梅|李龙健|刘娟芳|崔文志|沈祖英|曾建邦
重庆大学能源与动力工程学院，中国重庆，400030
摘要
供暖、通风和空调（HVAC）系统的传热和通风表面的结垢会扰乱气流，增加压力损失，并降低热性能，从而对室内空气质量及系统能源效率造成影响。现有的欧拉模型可以估算沉积速率，但无法在没有动态网格或多孔介质处理的情况下解析结垢层的几何演变，这限制了它们在长时间模拟中的应用。本研究开发了一种能够解析几何结构的欧拉多相模型，该模型能够明确捕捉颗粒沉积的逐层生长过程。沉积和侵蚀过程通过界面质量传递源项进行建模，而基于孔隙率的填充阈值则用于识别从层致密化到向外生长的转变。与独立实验的对比显示，质量方面的偏差为11.97%，厚度方面的偏差为23.67%，并且该模型能够准确再现无量纲沉积速度和沉积通量。长期模拟结果表明，0.92毫米的沉积物会导致流线偏转，使压力降增加56.44%，并使近壁温度升高0.906°C。这些发现表明，颗粒结垢通过耦合的流动重构和阻力积累机制降低了HVAC系统的气流和热性能。所提出的模型为预测通风和HVAC系统中的结垢演变提供了一种高效的数值工具，有助于制定缓解和维护策略。
引言
随着能源需求的增长和环境要求的日益严格，提高HVAC和建筑能源系统的热效率及运行可靠性变得越来越重要[1]。在这些系统中，加热盘管和通风组件在调节室内空气和维持舒适健康的室内环境方面起着核心作用。然而，它们的长期性能常常受到颗粒结垢的影响，空气中的颗粒会在传热或通风表面上积聚形成沉积层，从而增加流动阻力、降低热交换性能并增加能源消耗[2,3]。因此，理解控制颗粒沉积和结垢层演变的机制对于预测HVAC性能下降和制定有效的缓解策略至关重要。
数十年的实验研究已经确定了控制颗粒沉积的主要机制，包括布朗扩散、涡流扩散、重力作用和热泳作用。颗粒大小在决定主导机制方面起着决定性作用：亚微米颗粒主要通过扩散过程沉积，而较大颗粒则主要受惯性撞击和重力沉降的影响，Lai的经典测量结果证明了这一点[4]。在通风管道实验中，Sippola和Nazaroff表明湍流扩散和近壁再分布显著影响了细颗粒和粗颗粒的沉积[5,6]。Montassier等人[7]进一步发现，在温度梯度存在的情况下，冷表面会由于热泳作用显著增强细颗粒的近壁积聚。在这些明确机制的基础上，后续研究越来越多地关注形成的沉积层对流动和传热的反馈效应。Aiello等人[8]和Han等人[9]报告称，即使是很薄的沉积层也能迅速增加热阻力和压力降，表明流动阻力增长与传热性能下降之间存在强耦合。Inamdar等人[10]发现，沉积速率和平衡厚度共同受温度梯度、颗粒浓度、流速和表面形态的影响，在某些运行条件下，空气侧的压力降可能会增加数倍。
数值模拟通过允许在广泛的参数空间内控制颗粒-流动相互作用，为实验提供了重要的补充。拉格朗日方法通过追踪单个颗粒轨迹，提供了对湍流驱动的扩散、颗粒-壁相互作用和惯性撞击的详细洞察。Hemmati和Rafee[11]进一步证实了Lai的经典发现[4]，即颗粒大小强烈决定了主导的沉积机制。Xu等人[12]引入了随机的近壁公式来描述从清洁表面到逐渐污染表面的转变，从而在多分散条件下提高了预测精度。Ye等人[13]证明，三维流动结构和适当的湍流建模对于准确的拉格朗日沉积模拟至关重要。Chu和Yang[14]研究了室外颗粒物进入自然通风建筑的情况，并评估了不同通风条件下的室内颗粒物浓度。尽管这些研究在机制理解上取得了显著进展，但对于高颗粒负荷或长时间结垢过程，拉格朗日方法在计算上变得非常耗时，这限制了其在实际沉积层演变模拟中的应用。
相比之下，欧拉方法将颗粒相视为与载体流体耦合的连续介质，从而能够高效预测宏观颗粒传输和沉积模式。早期的欧拉研究通过改进的边界层公式估算了沉积速度并考虑了表面粗糙度的影响[15,16]。Hussein等人[17,18]进一步使用结合实验和半经验建模的方法量化了粗糙度引起的增强效应。Othmane[19]、Abdolzadeh[20]和Seyyedbagheri[21]后来将温度梯度驱动的热泳传输纳入改进的公式中，解决了早期模型的一个关键限制。基于这些发展，Han等人[22]提出了一个统一的欧拉框架，整合了布朗扩散、湍流扩散、重力作用、涡流扩散和热泳作用，与实验结果的一致性显著提高。欧拉模型在电厂换热器和通风系统中的工程应用也得到了验证[23,24]。
众所周知，一旦形成沉积层，它会改变局部流动结构，增加压力降，并降低传热性能。然而，大多数传统的欧拉模型将沉积物质视为一个虚拟实体，这阻碍了它们捕捉其几何演变及其对流动和热场的相应影响。为了克服这一限制，最近的研究提出了能够明确表示结垢层生长的数值方法。一种广泛使用的技术是动态网格技术。Tang等人[25]应用这种方法模拟了飞灰在椭圆管上的沉积，并表明优化的管配置可以提高抗结垢能力。Xu等人[26]进一步将欧拉多相模型与网格变形相结合，揭示了灰在圆柱管上的非均匀积聚现象。另一种方法是等效多孔介质方法。Li等人[27]将结垢层表示为具有预定结构特性的多孔区域，Han等人[28]将这种方法扩展到脉动流动和导流结构。这些技术允许将沉积层嵌入计算域中，但它们通常需要复杂的耦合程序或较高的计算成本。这种情况表明需要一个更高效的欧拉框架，能够在不依赖网格变形或辅助子模型的情况下明确描述沉积层的演变。
为了解决上述限制，本研究开发了一种新的欧拉多相模型，该模型能够明确表示颗粒沉积的逐层生长过程。沉积物质被引入作为一个静止的欧拉相，从悬浮颗粒相到沉积相的质量传递通过体积源项实现。这种处理方式使得结垢层的几何形状及其局部体积分数能够在计算域内演变，从而可以直接可视化生长沉积物的内部结构。动态网格技术或多孔介质近似方法不具备这种能力。所提出的模型通过多个实验数据集进行了验证，并准确再现了关键的沉积特性，包括无量纲沉积速度、沉积通量、层厚度和累积质量。在此基础上，该研究进一步研究了长期结垢演变及其对流动结构、压力降和传热性能的影响。
实验装置
为了研究尘埃颗粒的传输和沉积行为，我们开发了一个专门为颗粒沉积研究设计的实验平台。该平台由五个功能模块组成：空气供应模块、颗粒进料模块、冷却模块、测量模块和数据采集模块，如图1所示。该装置用13毫米厚的隔热层进行绝缘，以最小化与环境的热交换，并有助于保持
数学模型
在欧拉框架中，流体被建模为连续介质，而颗粒被表示为渗透的伪流体。在假设两相空间分布均匀的前提下，控制方程可以写成以下通用形式：
