李 鵬 王 志 孫美娜 董 強(qiáng)

中國(guó)建筑第六工程局有限公司

安全帽的不正確佩戴在建筑行業(yè)導(dǎo)致的致傷、致死事故是時(shí)有發(fā)生的[1-2]，由于建筑行業(yè)的艱苦、露天作業(yè)、現(xiàn)場(chǎng)材料多以及施工人員自身素質(zhì)的特點(diǎn)，施工人員不正確佩戴安全帽的現(xiàn)象[3]也是常有的。針對(duì)此問(wèn)題，研究人員對(duì)安全帽進(jìn)行了設(shè)計(jì)與改善[4]。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展（Computational Fluid Dynamics，CFD），可預(yù)見(jiàn)性的安全帽的通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)成為可能[5]。

1 安全帽內(nèi)溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

含通氣孔的安全帽，如圖1，通氣孔主要布置的位置有側(cè)面、頂面和正面三個(gè)方向。安全帽內(nèi)氣體為常溫、低速、不可壓縮符合Bonssinesq假設(shè)的流體，遵循質(zhì)量、動(dòng)量和能量三大守恒定律[6]。

質(zhì)量方程：

式中：

ux、uy、uz—x、y、z三個(gè)方向的速度分量，m/s；

t—時(shí)間，s；

圖1 含有通氣孔的安全帽

ρ—密度，kg/m3。

動(dòng)量方程（x方向）：

式中：

σxx—粘性應(yīng)力分量，Pa；

fx—三個(gè)方向的單位質(zhì)量力，m/s2。

組分方程：

式中：

T—溫度，℃；

cp—比熱容，J/(kg·K)；

k—流體的傳熱系數(shù)，W/m2·K；

ST—粘性耗散項(xiàng)。

氣體流動(dòng)模型符合湍流模型，假定空氣從安全帽正面流入，從安全帽后面流出，使用標(biāo)準(zhǔn)k-e模型進(jìn)行求解溫度場(chǎng)，k-e方程如式4和式5[7]。

式中：

ρ—空氣密度，kg/m3；

ui—速度矢量，m/s；

K—湍流脈動(dòng)動(dòng)能，m2/s2；

u—層流動(dòng)力粘性系數(shù)，Pa·s；

ut—湍流粘性系數(shù)，Pa·s；

ε—湍流能量耗散率，m2/s3。

2 安全帽內(nèi)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬過(guò)程

2.1 GAMBIT建模

繪制長(zhǎng)軸220mm，短軸高140mm的橢球代表安全帽，因成年人面部尺寸各異，我們繪制長(zhǎng)軸90mm，短軸90mm圓球代表人員佩戴好安全帽。這樣，佩戴高度90mm，水平間距20mm，頭與帽垂直間距50mm，符合要求。安全帽內(nèi)部空間左右對(duì)稱，其左側(cè)三維幾何模型，如圖2。X軸方向代表安全帽長(zhǎng)度方向，Y軸方向代表安全帽寬度方向，Z軸方向代表安全帽高度。幾何模型建立好后，可采用多種網(wǎng)格劃分方法，由于模型較簡(jiǎn)單，劃分間距5mm[8]。

圖2 安全帽內(nèi)溫度場(chǎng)幾何模型

2.2 數(shù)值模擬后處理

數(shù)值模擬后可采用FLUETN軟件中的Contours進(jìn)行后處理，當(dāng)數(shù)值模擬迭代解算結(jié)束后，點(diǎn)擊Display，選擇Contours即云圖，勾選Options中的Filled選項(xiàng)，在Contours of中選擇Temperature，此時(shí)，單擊Display即可以顯示安全帽內(nèi)的溫度場(chǎng)。

3 單因素影響的安全帽內(nèi)溫度場(chǎng)分布

3.1 環(huán)境溫度對(duì)其影響

顯然，安全帽內(nèi)的溫度受到環(huán)境溫度的影響，環(huán)境溫度越高，安全帽內(nèi)溫度也越高。在FLUENT中設(shè)置頭部為WALL，設(shè)置其溫度為36℃，當(dāng)外部環(huán)境溫度為30℃和36℃時(shí)，假定外界環(huán)境風(fēng)速為0.1m/s，并迎著安全帽流動(dòng)，選取y=0.005m、y=0.002m、y=0.003m三個(gè)切面，安全帽內(nèi)溫度場(chǎng)分布，如圖3。

圖3 安全帽內(nèi)溫度與環(huán)境溫度關(guān)系

由圖3看出，外部環(huán)境溫度增大，安全帽內(nèi)的高溫區(qū)域明顯增加，整個(gè)安全帽的溫度與環(huán)境溫度基本相同。

3.2 通風(fēng)散熱對(duì)其影響

假定環(huán)境中的風(fēng)流流動(dòng)方向?yàn)橛踩闭妫L(fēng)流流入安全帽與人頭部的空隙，在流出安全帽。假定外部環(huán)境風(fēng)速為0.1m/s和0.5m/s時(shí)，湍流強(qiáng)度5%，湍流直徑0.01m，安全帽內(nèi)溫度場(chǎng)隨環(huán)境風(fēng)速變化，如圖4。

圖4 安全帽內(nèi)溫度與環(huán)境風(fēng)速關(guān)系

由圖4可看出，隨著通風(fēng)條件的改善，安全帽內(nèi)的溫度也有逐漸降低的趨勢(shì)。但當(dāng)風(fēng)速超過(guò)0.5m/s時(shí)，人面部會(huì)有不適的感覺(jué)，而且現(xiàn)場(chǎng)的通風(fēng)條件也非可控的，安全帽內(nèi)的通風(fēng)散熱效果取決于所設(shè)置的通氣孔的個(gè)數(shù)、位置和面積等因素。

3.3 勞動(dòng)時(shí)間對(duì)其影響

由于勞動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，人頭部蓄積的熱量也會(huì)更多，假定人頭部溫度速度為2℃/30min，人頭部未勞動(dòng)前初始溫度30℃。設(shè)置FLUENT中Time Step Size為60s，迭代步數(shù)分別為60和90，即勞動(dòng)時(shí)間為60min和90min時(shí)安全帽內(nèi)溫度場(chǎng)，如圖5。

圖5 安全帽內(nèi)溫度與環(huán)境風(fēng)速關(guān)系

圖5中，2幅圖的標(biāo)尺最大刻度值不同，勞動(dòng)時(shí)間增加，安全帽內(nèi)高溫區(qū)域也有增加，這主要是由于隨著勞動(dòng)時(shí)間的增加，而頭部熱量積聚，使溫度升高。

4 多因素影響的安全帽內(nèi)溫度場(chǎng)分布

當(dāng)影響安全帽內(nèi)的溫度場(chǎng)因素較多時(shí)，且各個(gè)因素變化范圍也較多時(shí)，各因素對(duì)于安全帽內(nèi)高溫區(qū)的確定具有不同的程度，我們需要制定一個(gè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)表來(lái)分析多因素對(duì)其影響。選擇4組試驗(yàn)按下表，進(jìn)行FLUENT數(shù)值模擬。

表 多因素影響安全帽內(nèi)溫度場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

在Contours中取消Auto Rang的勾選，設(shè)置Static Temperature中Min為32℃，Max為35℃，此時(shí)云圖就可以顯示溫度在32～35℃的區(qū)域，區(qū)域越大對(duì)施工人員的影響越大。

圖6 安全帽內(nèi)高溫分布區(qū)域

由圖6-a和圖6-b可看出，雖環(huán)境風(fēng)速相同，6-a勞動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，但是也未能有6-b環(huán)境溫度變化帶給安全帽內(nèi)高溫區(qū)域分布明顯，6-a中高溫主要集中在頭部，6-b中高溫主要集中在帽頂；對(duì)比圖6-b和圖6-c，二者環(huán)境溫度相同，環(huán)境風(fēng)速和勞動(dòng)時(shí)間不一樣，由圖6-c可知中高溫區(qū)較多一些，此時(shí)勞動(dòng)時(shí)間占主要；圖6-d則是環(huán)境溫度最高，由圖顯然看出，環(huán)境溫度對(duì)安全帽內(nèi)溫度場(chǎng)影響最大。

5 結(jié)論

（1）對(duì)有風(fēng)流流動(dòng)情況下的工人佩戴安全帽內(nèi)溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究。

（2）選取三種影響因素，使用FLUENT數(shù)值模擬軟件分別分析了在不同的單因素影響下，安全帽內(nèi)的溫度場(chǎng)是如何分布的。

（3）在單因素對(duì)安全帽內(nèi)溫度影響分析后，分析了4組不同因素水平對(duì)安全帽內(nèi)溫度場(chǎng)的分布。

[1] 褚浩存.安全生產(chǎn)操作——從安全帽開(kāi)始[J].建筑工人,2017,38(4):20-21

[2] 孫勝領(lǐng).安全帽——最后的安全保障[J].建筑工人,2016,37(8):40-41

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[4] 孫瑜,孫林輝,張巍,等.基于作業(yè)環(huán)境分析的礦用安全帽改善研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2017,43(5):98-100

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