氮气是一种无色、无味、化学性质稳定且无毒的气体，广泛应用于化学加工[1]、电子制造[2]和食品保存[3]等领域。在工业厂房中，氮气泄漏事故频发，常见原因包括设备老化、管道接头松动、阀门密封不良、操作失误以及外部损坏[4],[5],[6],[7]。氮气泄漏可能导致缺氧危险[8],[9]。当氧气浓度降至19.5%以下时，人们可能会出现疲劳、头痛等症状；浓度降至15.6%以下时，可能会出现头晕、心跳加快等不适；浓度低于12.8%时则可能导致窒息甚至死亡[10]。缺氧风险还与暴露时间有关，长时间处于缺氧环境中会损害脑组织[11]。因此，有必要评估和优化车间通风系统，以防止因通风不足或不当而引发的安全隐患。
对于工业厂房中的氮气泄漏，通风是确保工作区域必要氧气浓度的常用措施[12],[13],[14]。常见的通风方法包括全面通风和局部排风[15]。全面通风通过持续的气流交换维持整体空气质量[16]，适用于在紧急系统启动前控制泄漏，有效防止局部区域气体浓度过高[17]。局部排风则通过在泄漏源附近进行定向吸风来高效清除污染物[18]，适用于有毒气体泄漏或污染源明确的场景[19]。考虑到氮气泄漏的随机性和可稀释性[9]，全面通风在应急响应初期具有更强的适用性。
在全面通风系统中，通常采用恒速供气来维持室内气流的连续性。局部污染物泄漏可能导致气流停滞和积聚，仅靠恒速供气无法有效缓解这一问题，从而导致危险浓度区域的持续时间延长[20]。脉冲通风是一种新型方法，其特点是气流速度或方向的周期性变化[21],[22]，能有效打破停滞气流区域并增强高浓度污染物的扩散[23]。粒子图像测速（PIV）实验结果表明，脉冲气流增加了涡旋的数量和强度，从而提高了停滞区域的消除效果和空气混合效率[24],[25]。研究主要集中在气流波形[26]、振幅[27]和周期[27],[28]对气流组织和污染物扩散的影响。刘等人[26]使用方波、三角波和锯齿波形控制风扇速度，优化了流场并提高了颗粒捕获效率。Kabanshi等人[29]证明，间歇式喷气通风的通风效率比传统混合系统高出50%，同时具有潜在的节能效果。黄等人[30]研究了脉冲通风在去除循环区域内的颗粒物方面的优势。Thysen等人[31]在飞机客舱通风系统研究中发现，正弦波气流调节可改善新鲜空气供应并降低污染物浓度。吴等人[32]通过方波速度控制实现了有效混合。调整正弦波的频率和振幅可进一步增强湍流动能和速度波动，从而提高污染物稀释效果[33]。钟等人[27]证实，与恒速供气相比，脉冲通风能更快地去除工业车间中的有害气体。增加脉冲的振幅或周期可进一步提高其效果。吴等人[28]通过CFD模拟发现，非稳态通风可以破坏大尺度涡旋结构，较长的变化周期能提高混合均匀性。因此，脉冲通风能有效打破污染物积聚区域，促进污染物混合和排放。
尽管脉冲通风在改善小型室内空气质量方面显示出潜力，但其在工业车间中稀释氮气的适用性和有效性仍不明确。现有的脉冲通风研究主要集中在办公楼和住宅等传统环境中的颗粒物或挥发性有机化合物（VOCs）去除效率[26],[29],[30]，这些研究将污染物视为有害物质，而非空气的组成部分（如本研究）。相比之下，工业氮气泄漏的风险在于其通过快速置换氧气可能导致急性缺氧危险。类似的研究也有，Zhong等人[27]曾将脉冲通风用于工业车间中有害气体的去除，但这些研究使用的是与空气密度差异较大的示踪气体。因此，有必要评估脉冲通风在稀释惰性气体（空气的主要组成部分）方面的有效性，因为惰性气体只有在浓度异常高时才会变得危险。此外，大多数关于脉冲通风的研究都是在实验室条件下进行的，而本研究则在一个实际工厂车间进行了改造，以探讨这种新通风策略的有效性。
数值模拟是分析通风系统的关键工具。模拟结果的可靠性取决于计算效率和数值精度[34]。传统的计算流体动力学（CFD）方法在模拟非稳态现象（包括脉冲通风）时可以达到高精度，但数值求解纳维-斯托克斯方程往往需要较大的计算成本[35]。分数步长（FS）方法将动量方程分解为对流分量和压力梯度分量，通过依次求解这些分量来减少迭代次数，从而提高计算效率[36]。在FS方法中，SIPC方案将压力泊松方程与速度修正步骤分离，这种方法在准确捕捉流动特性的同时减少了计算时间[37]。胡等人[38]在脉冲通风模拟中应用了SIPC方案并结合了高阶时间离散化方案，结果显示该方案将计算时间减少了约40%，同时保持了模拟精度和稳定性。然而，目前基于FS方法的脉冲通风研究主要集中在优化计算效率和精度上，很少考虑物种传输方程与速度场的耦合求解。在模拟涉及多物种扩散和混合的流动场景（如氮气泄漏）时，忽略物种传输与速度场之间的相互作用可能会降低模拟精度。这种忽略可能会影响污染物扩散路径的识别和缺氧风险评估的准确性。
本研究将脉冲通风应用于工业厂房中的氮气泄漏场景，分析了稳态气流、机械排风和不同脉冲波形在缓解室内缺氧方面的有效性，并比较了它们的效果。基于OpenFOAM，我们开发了具有物种传输能力的SIPC数值模拟方案，该方案能够详细模拟氮气泄漏条件下的多组分气体混合、扩散和通风稀释过程。本研究不仅展示了脉冲通风在氮气稀释方面的优势，还优化了有效波形的振幅和周期，提高了脉冲通风在氮气泄漏预防和控制中的实际应用价值和意义。本研究的主要创新点如下：（1）将脉冲通风应用于大型工业空间中的氮气泄漏控制，建立了一种基于快速氮气稀释的缺氧风险控制方法；（2）开发了改进的SIPC算法用于物种传输模拟，提高了多组分气体混合和扩散的计算效率。
