Comsol室内烟味扩散模拟

烟味的扩散

当烟草燃烧时，会产生包含数千种化学物质的微小颗粒。在刚释放的瞬间，由于烟雾温度远高于周围空气，受热浮力的影响，它们会像热气一样迅速上升，形成一股袅袅的“热羽流”。

一旦上升到天花板或随着温度降低，烟雾就会失去浮力，开始随着室内的空气流动四处漂泊。无论是微弱的自然通风，还是空调制造的人为气流，都会裹挟着这些颗粒迅速蔓延到房间的各个角落。即使在看似静止的空气中，烟雾颗粒也会因为空气分子的不断撞击，因布朗运动而缓慢地向四周渗透。

更隐蔽的是，烟雾极善于钻空子。它们会顺着门缝、插座孔洞甚至墙壁的细微缝隙，悄悄潜入相邻的房间。因此，哪怕只是在一个角落点燃一支烟，整个空间甚至隔壁都可能很快被烟味笼罩，无处可逃。

物理建模

（1）几何模型

室内的几何模型如下图1所示，顶部是烟气出口方向，空缺正方形为空调出风口，烟味从顶部出风口进行扩散。

（2）材料参数

计算过程需设置材料的密度、比热容、导热系数和扩散系数，为了结果的准确性，以上参数均从相关论文资料以及现有实验数据中获得，如图2所示。 

图2. 材料参数

（3）边界条件

计算模型采用层流-固体传热-稀物质传递三个物理层两两耦合的方式（非等温流和反应流-稀物质）进行求解。层流模拟烟气的流动，空调出风口设置速度入口，顶部边界设置烟气流出出口条件，其余边界设置无滑移壁条件；固体传热模拟烟气流动过程中温度的变化，空调出风口设置流入温度，顶部设置流出边界，其余边界设置热通量边界和外界环境进行热交换；稀物质传递用于模拟烟气扩散过程中浓度的变化，空调出风口设置入口浓度，顶部设置流出边界，其余边界设置无通量边界。

图3. 物理场边界条件

（4）网格划分

根据有限元法的求解原理，剖分越精细，求解越准确，数值计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理，采用非结构网格和边界层网格对模型进行划分，网格分布如图4所示。

图4. 网格分布

结果展示

计算模型瞬态求解器求解，通过计算得到烟气速度-压力-温度和浓度特性分布如下所示。

图5. 速度分布

图6. 压力分布

图7. 流线分布

图8. 温度分布

图9. 浓度分布

图10. 截点浓度随时间分布曲线分布