送風速度對廠房氣流組織及煙塵控制的影響（其他）

                             孫如意 彭彪

                       中南大學能源科學與工程學院

摘要：置換通風以其在高大空間的節(jié)能、熱舒適性及室內(nèi)空氣品質(zhì)等方面的優(yōu)越性，在焊接廠房的煙塵治理中得到了廣泛的應用。針對指導置換通風的規(guī)范標準相對缺乏，詳細的工程設計參考數(shù)據(jù)不足這一問題采用CFD方法研究焊接廠房置換通風的優(yōu)化設計。影響焊接廠房室內(nèi)氣流組織和空氣品質(zhì)的因素有：送風溫度、送風速度、送風筒的安裝高度等，其中送風速度對廠房的氣流組織和人體舒適性有很大的影響。本文以南車長江車輛有限公司的焊接廠房為例，模擬分析不同的送風速度對焊接廠房內(nèi)氣流組織和污染物濃度分布的影響。

關鍵詞：置換通風送風速度氣流組織煙塵濃度

    焊接車間的特點在于污染物伴隨熱源（焊點）產(chǎn)生，空間高大（通常廠房高達8～12 m，甚至更高），熱負荷不太高，工作區(qū)和熱源都在車間較低處等，使得焊接廠房比較適合采用置換通風的方式。影響焊接廠房室內(nèi)氣流組織和空氣品質(zhì)的因素有：送風溫度、送風速度、焊接臺距送風口的距離、送風筒的安裝高度等，其中送風速度對焊接廠房氣流組織的影響較大。本文以南車長江車輛有限公司的焊接廠房為例，模擬分析不同的送風速度對焊接廠房內(nèi)氣流組織和污染物濃度分布的影響，使廠房內(nèi)的參數(shù)滿足如下要求：4m以下工作區(qū)的粉塵濃度≤4 mg/m³，廠房內(nèi)控溫區(qū)要求夏季溫度27℃以下，焊接臺處風速≤0.5 m/s，置換通風房間內(nèi)的溫度梯度小于2C/m，站姿時，頭部和腳步溫差≤3℃。

1  數(shù)學模型的建立

    本文采用標準的k-兩方程模型，模擬的對象是焊接廠房內(nèi)空氣的湍流流動，由于存在焊接熱源的作用，室內(nèi)空氣溫度變化較大，不能忽略其引起的密度變化，于是引入Boussinesq假設。

    通用控制方程如下：

    1)連續(xù)性方程

2  物理模型及邊界條件

2.1物理模型

    本文研究對象是機車小部件鋁合金焊接車間，該車間的長24m，寬18m，高9m，車間共有6臺焊機，12個焊接點，由于該車間為對稱結構和模擬條件的限制，只選取車間的一部分進行研究（圖1），采用的焊接方法為氬弧焊，焊接材料是直徑為1.6 mm的實心焊絲，焊點發(fā)塵量按每個焊點平均8h的消耗的焊材為15 kg，每kg焊材的發(fā)塵量是10 g/kg，焊接操作點焊接煙塵發(fā)塵量約為5.2 mg/s，平均發(fā)熱量為9.28 kW，由于焊接煙塵的擴散是一個十分復雜的過程，目前還沒有研究出焊接煙塵擴散過程的計算模型，而煙塵在焊接廠房中會隨空氣一起流動，所以在本文中將對其進行簡化，將煙塵作為氣相流考慮，對焊接煙塵將采用mixture model進行模擬。

2.2數(shù)值模擬的邊界條件

    入口邊界條件：采用velocity-inlet，通風裝置采用圓柱形送風筒，高度為0.6 m，半徑為0.2 m，出風有效面積為50%，送風筒底部標高為0.8 m，送風溫度為24℃，送風速度依據(jù)換氣次數(shù)的不同分為0.6 m/s，0,9 m/s，1.1 m/s三種工況進行分析；出口邊界條件采用outflow；回風口為0.6 mx0.6 m的矩形回風口，置頂安裝；壁面邊界條件：均無滑移，絕熱。

3  送風速度對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響

    影響室內(nèi)空氣品質(zhì)的因素很多，其中送風速度對室內(nèi)空氣品質(zhì)和舒適性的影響很大，不同的送風速度對室內(nèi)的溫度場、速度場和污染物濃度場都有著重要影響。本次模擬的目的在于對送風溫度、送風筒安裝高度一定的情況下，研究出適宜焊接廠房的最佳送風速度，使其既滿足4m以下工作區(qū)的粉塵濃度≤4 mg/m³，廠房內(nèi)控溫區(qū)要求夏季溫度27℃以下，焊接臺處風速≤0.5 m/s，置換通風房間內(nèi)的溫度梯度站姿時頭部和腳步溫差≤3℃的要求，又比較節(jié)能。送風工況見表1。

3.1送風速度對廠房內(nèi)速度場的影響

    參考截面的速度等值線圖2-4可以看出，隨著送風速度的增加，廠房內(nèi)的氣流速度整體都有所增加，《采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》( GB50019-2003)中規(guī)定：工藝性空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度活動區(qū)的風速夏季宜采用0.2～0.5 m/s，而南車長江車輛有限公司要求焊接廠房焊臺處風速小于0.5 m/s，風速過大會影響焊接質(zhì)量。從圖中可以看出，當換氣次數(shù)由4次m增大到6次m時，送風速度由0.6 m/s增大到1.2 m/s時，廠房內(nèi)主要工作區(qū)附件的送風速度都小于0.5 m/s，所以此設計滿足焊接車間速度的要求。

3.2送風速度對廠房內(nèi)煙塵濃度的影響

    從圖5~7可以看出，隨著送風速度的增加廠房內(nèi)污染物濃度都有所降低，尤其是廠房內(nèi)煙塵濃度超過4mg/m³的區(qū)域都在明顯的減小，可見送風速度的增加可以很好地降低廠房內(nèi)污染物的濃度。但是送風速度的增加會在工作區(qū)域內(nèi)形成比較大的氣流漩渦，氣流漩渦會卷走更多的污染物帶到人呼吸的區(qū)域，使工作區(qū)域的空氣質(zhì)量變差，影響焊接工人的身體健康，所以送風速度不是越大越好。南車長江車輛有限公司要求焊接廠房工作區(qū)的煙塵濃度小于4 mg/m³，從圖中可以看出，換氣次數(shù)為4次／h時的煙塵濃度大于4 mg/m³，所以從降低焊接廠房煙塵濃度的角度出發(fā)，送風速度為0.6 m/s時的送風工況不滿足要求。

3.3送風速度對廠房內(nèi)溫度的影響

    從圖8可以看出，在廠房1m以下的工作區(qū)，隨著送風速度的增加，溫度是逐漸降低的，但是在2m以上的區(qū)間，隨著送風速度的增加，并沒有改變廠房內(nèi)溫度分層的整體趨勢，但是卻降低了各層上的溫度值，這說明送風速度的增加有利于消除廠房內(nèi)的熱負荷，從整體上降低廠房內(nèi)的溫度。南車長江車輛有限公司要求置換通風房間內(nèi)的溫度梯度小于2C/m，站姿時，頭部和腳步溫差≤3℃，從圖中可以看出三種工況都滿足要求，但是工況1卻不滿足廠房內(nèi)控溫區(qū)要求夏季溫度27℃以下的要求。

4  結論

  在對送風速度對廠房內(nèi)氣流組織及煙塵控制的影響的研究中，可以看出，在送風溫度、送風筒安裝高度不變的情況下，選取送風速度為0.6 m/s、0.9 m/s、1.1 m/s，換氣次數(shù)依次為4次m、5次m、6次m三種工況對焊接廠房內(nèi)的流場進行了數(shù)值模擬并且進行了詳細的分析，得出送風速度越大，越有利于降低室內(nèi)溫度，排出污染物，但是不能一味地提高送風速度，以免出現(xiàn)焊接臺的風速大于0.5 m/s，影響焊接質(zhì)量，送風速度的一味增加還會容易增大工作區(qū)的氣流漩渦，使煙塵在氣流的帶動下進入工作區(qū)，影響工人的身體健康，但是送風速度低又達不到廠房要求的4m以下的工作區(qū)域夏季溫度在27℃以下的要求，例如工況1，所以針對南車長江車輛有限公司的焊接廠房的模型特點、焊接材料的使用及焊接方法，對廠房進行5次／h的換氣次數(shù)，即0.9 m/s的送風速度進行置換通風。