上世纪九十年代，美国环保署对ETS（即吸烟者喷出的主流烟气和香烟阴然产生的侧流烟气）和人体健康做了全面评价[1]，指出了烟草烟气对环境的污染以及对人体的危害。测试得知,吸烟时产生的烟雾约90%直接弥散在周围的空气中,而直接被吸烟者吸入肺内的仅占10%左右，被动吸烟者与吸烟者相比，吸入的烟雾中致癌和有毒化学物质的浓度往往更高[2]。陈添[3]对不同吸烟速度、不同的通风换气率等18种吸烟情况和室内条件下，香烟雾的动态变化规律做了实验研究，结果表明室内烟雾随时间变化有一个增长和衰减的过程,其浓度高低和变化快慢受多种因素影响，主要影响因素为吸烟量,室内容积和室内通风换气率。
本研究以CO的浓度作为香烟烟气的污染评判依据，通过模拟室内CO的分布和扩散规律，探讨不同位置在密闭、开门窗和通风工况下烟气浓度的排放情况。
1 FDS吸烟后烟气污染模拟
1.1 室内烟气扩散实物模型
本文以FDS软件模拟吸烟过程中烟气的蔓延过程，而烟草是复杂的混合物，其中的燃料组分无法精确测定，为得到合理的燃烧模型，先对FDS模型的结果进行实验数据验证，确认其合理性。实验地点是一个空置的房间，房间长6.04m，宽3.97m，高3.44m；窗长1.2m，宽0.8m；门宽0.9m，高2.2m。实验过程中门窗紧闭。如图1所示，靠近墙壁的左侧摆放着6支燃烧的香烟，右侧连接烟气分析仪。烟草烟雾中有4500多种化学物质，有60多种已被证明或被怀疑对人体有致癌作用[4]。燃烧后CO的浓度较大，在烟气中的比例约占44%[5]，因便于用烟气分析仪测量，选择CO作为污染评判依据。

图1 FDS模拟空间模型
1.2 FDS模拟验证
FDS模型是以大涡模拟(LES)为基础的三维计算流体动力学软件，采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的Navier-Stokes方程，重点计算烟气和热传递过程。FDS的原理是场仿真计算，利用质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程等方程，求解燃烧过程中随时间及空间变化的速度、温度、各组分浓度等参数[6-7]。
用实验房间的数据在FDS中构建一个相同的模型，如图2所示。以角落为原点建立三维坐标系，X、Y、Z轴分别代表长、宽、高。整个计算区域设定为6.04m3.97m3.44m，将区域划分为0.06m0.06m0.06m大小的网格，网格数总计376200。室内Y=3.66m的平面上有6个尺寸为0.06m0.06m的燃烧面，单位面积的热释放速率为9.868KW·m-2。最右侧燃烧面的X、Z轴坐标为（3.05,0.57），其余面的坐标依次类推。图中GAS1（5.28,3.91,2.96）、GAS5（4.92,1.59,1.62）为两个CO浓度的测点。设置运行时间为5400S，燃烧时间为0-480S。

图2 FDS计算模拟几何模型

图3 GAS1点的实验数据与模拟结果浓度对比

图4 GAS5点的实验数据与模拟结果浓度对比
实验所用的烟气分析仪（西门子VARIO PLUS）精确到1ppm。将模拟结果与实验数据作对比，如图3、图4所示。实验数据与模拟结果两者误差小于9.58%，认为FDS燃烧组分和模型选择设置基本合理。
1.3室内吸烟CO蔓延模拟研究
将验证后确定的模型应用于上述室内的不同吸烟条件。设置三个燃烧点，相当于三人吸烟，坐标分别为（3.2,0.5,0.94）、（3.8,0.5,0.94）、（5.5,2.0,0.9），单位面积的热释放速率仍为9.868KW·m-2,燃烧时间为1920S。GAS7（2.9,0.8,1.3）与人体正常呼吸位置相仿，测量GAS1、GAS7两点CO浓度，得到同一点在不同工况下的浓度随时间的变化曲线。
1.3.1 房间密闭与开门窗的比较
在同一模型中分别模拟密闭和打开门窗两种情况。窗户开在X=6.04m的平面上，两扇窗户底边的Y和Z轴坐标分别为（2.8,1.5）、（1.15,1.5），窗宽0.8m,高1.2m。大门在X=0m上，底边的Y、Z轴坐标是（2.8,0.0），门宽0.9m，高2.2m。GAS1、GAS7两点在两种工况下的比对结果如图5、图6所示。

图5 GAS1点的CO浓度对比

图6 GAS7点的CO浓度对比
GAS1点位于房间顶部。从图5中可以看出，在0到2000S（0.5小时）香烟燃烧阶段CO浓度持续升高，最高浓度接近10mg·m-3，据我国《公共场所卫生标准》中的规定，公共场所等开放地区CO允许值必须小于或等于10mg·m-3[8]，此时室内的烟气浓度对人体有较大危害。燃烧结束后，顶部的烟气向下扩散，该点的浓度降至在8mg·m-3左右。打开门窗情况，GAS1点浓度升至4mg·m-3后趋于稳定，即烟气的产生和消散开始保持动态平衡，燃烧结束后浓度降到2mg·m-3，可见因为开启门窗，使室内的污染物浓度控制在一个较低水平。由图6可知，密闭时0到1000S内即刚开始一段时间内浓度基本为零，1000S到3000S内为浓度上升阶段，最后稳定在7mg·m-3左右。密闭工况下与GAS1点相比，GAS7点浓度变化的时间推迟了1000S，即此前烟气集中在吸烟点正上方位置上升，1000S后才从顶部扩散至该点。如果打开门窗吸烟，GAS7点浓度接近于零，烟气扩散到此处后被自燃流通的空气带走。