張水平，黃小路，黎良飛

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000）

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，焊接技術(shù)在建筑、冶金、機械、造船、軌道以及橋梁等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。 焊接時，焊接電弧區(qū)產(chǎn)生的溫度最高可達5000 ℃，熔化焊條和焊芯會產(chǎn)生大量的煙塵，工人長期吸入會造成肺組織纖維性病變，即電焊工塵肺，同時神經(jīng)系統(tǒng)也會受到傷害[2-4]。 在發(fā)達國家，電焊煙塵研究得到高度重視，電焊煙塵致病機制的研究已相對成熟，而我國在電焊煙塵研究領(lǐng)域的研究力相對薄弱，顆粒物的研究正在興起[5]。 周紅等[6]利用Gambit 軟件和Fluent 軟件模擬風(fēng)速、焊點間距和垂直距離等影響電焊煙塵擴散的因素，得到電焊煙塵的擴散特性；黃德寅等[7]采用空間統(tǒng)計學(xué)的克里格方法，對通風(fēng)改造后各焊接操作位的短時間定點采樣濃度數(shù)據(jù)進行空間插值，評估通風(fēng)改造效果及職業(yè)病危害評價；顧平道等[8]利用Comsol Multiphysics 軟件模擬了靜電式電焊煙塵凈化器荷電區(qū)的電流體場；黃德寅等[9]運用MPPD軟件模擬電焊煙塵顆粒物在呼吸道的沉積規(guī)律，并采用蒙特卡羅方法分別模擬該車間電焊工的日暴露量、日潛在劑量和日作用劑量的概率分布；Moroni 等[10]根據(jù)尺寸分布、晶體結(jié)構(gòu)對金屬惰性氣體（MIG）不銹鋼（SS）電弧焊煙氣樣品進行了SEM-TEM 組合研究，為后人研究電焊煙塵顆粒奠定了基礎(chǔ)；楊利芳等[11]通過數(shù)值模擬金屬絲綿的除塵效率、過濾壓力損失及殘余壓降等影響過濾性能的因素，將金屬絲綿應(yīng)用于移動式除塵器；劉潔等[12]介紹了一種新型的高性能金屬微孔過濾材料——燒結(jié)屬絲網(wǎng)過濾材料及其特性，將該過濾材料應(yīng)用于高溫煤氣的除塵過程中。 這些文獻雖對電焊煙塵有一定的研究，但對電焊煙塵去除效果評價的研究較少，文中通過對柵-網(wǎng)耦合過濾過程的研究，利用軟件進行對柵-網(wǎng)耦合正交試驗的相關(guān)參數(shù)進行模擬計算，得出各參數(shù)對過濾效率的影響程度以及電焊煙塵的過濾效果最明顯的工況組合。

1 幾何模型的建立

模型由金屬絲過濾網(wǎng)、振弦柵和外部箱體構(gòu)成，起過濾凈化的作用。 放置順序為前柵后網(wǎng)（氣流先流經(jīng)振弦柵再流過金屬絲網(wǎng)），示意圖如圖1所示。

單根振弦柵與垂直方向的夾角ω=arctan（0.4/200）=0.115°，基本可忽略不計，故在本研究中每一根振弦柵均看作垂直排布。 在ICEM-CFD 中建立振弦柵簡化陣列模型，拓?fù)浜蟮玫綀D2。

圖2 振弦柵簡化模型

本文選用的金屬絲網(wǎng)的參數(shù)見表1。

表1 金屬網(wǎng)參數(shù)表

將金屬絲網(wǎng)實際模型合理簡化為有序的經(jīng)、緯向陣列模型，圖3 為5 μm 等效過濾孔徑的金屬絲網(wǎng)幾何模型示意圖。

圖3 金屬絲網(wǎng)幾何模型

根據(jù)柵-網(wǎng)耦合過濾段實物模型的實際參數(shù)應(yīng)用ICEM-CFD 軟件在笛卡爾坐標(biāo)系中建立三維幾何模型，模型參數(shù)見表2，經(jīng)拓?fù)浜蟮玫綀D4。

表2 幾何模型參數(shù)表

圖4 柵-網(wǎng)耦合幾何模型示意

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分法對幾何模型進行網(wǎng)格劃分。

2 金屬絲網(wǎng)等效過濾孔徑的模擬研究

2.1 絲網(wǎng)等效過濾孔徑對過濾效率的影響

分別對等效過濾孔徑為 5 μm、3 μm、1 μm 的金屬絲網(wǎng)建模，設(shè)置比例參數(shù)得到合適的計算網(wǎng)格，導(dǎo)入FLUENT 軟件，入口風(fēng)速設(shè)置為1.0 m/s，經(jīng)迭代計算得到不同等效孔徑下的模擬結(jié)果，整理如表3 所示。

表3 不同過濾孔徑的過濾效率表

分析不同等效過濾孔徑的金屬絲網(wǎng)對顆粒的分級過濾效率，統(tǒng)計流場出口顆粒粒徑分布，得到數(shù)據(jù)如表4。

表4 不同等效過濾孔徑的出口顆粒粒徑分布表

不同孔徑出口顆粒粒徑分布存在明顯差異：5 μm 和 3 μm 等效過濾孔徑的金屬絲網(wǎng)對粒徑大于0.56 μm 的電焊煙塵顆粒有較好的過濾效果，但后者對粒徑0.192~0.376 μm 顆粒的過濾效果稍好于前者；1 μm 等效過濾孔徑的金屬絲網(wǎng)對粒徑為0.4 μm 以上微粒已達到較高的分級效率。 因此可以認(rèn)為，在不考慮阻力的情況下，等效過濾孔徑越小的金屬絲網(wǎng)過濾電焊煙塵顆粒不僅總體凈化效率更高，而且分級過濾性能也更加優(yōu)異。

文中各金屬絲網(wǎng)等效過濾孔徑均對0.56 μm以上的顆粒有較好的過濾效果。 從金屬絲網(wǎng)左、右兩側(cè)含塵氣流的速度矢量圖（圖5~圖7）分析可知，電焊煙塵開孔率低導(dǎo)致氣流在過濾孔周圍出現(xiàn)風(fēng)速超過20 m/s 的局部擾流，從而提升了除截留效應(yīng)外的慣性碰撞效應(yīng)、擴散效應(yīng)的強度，促進顆粒與振弦柵的碰撞，使較大的顆粒被捕獲，極小顆粒則隨氣流逃逸。

2.2 絲網(wǎng)等效孔徑對過濾流場的影響

由于厚度極小，故可將金屬絲網(wǎng)簡化為多孔跳躍邊界模型，利用慣性阻力系數(shù)C2和滲透率K 定義模型參數(shù)，進行模擬后結(jié)果如圖8。

由模擬結(jié)果得，由于金屬絲網(wǎng)開孔率低，氣流流經(jīng)金屬絲網(wǎng)時產(chǎn)生了較為劇烈的回流現(xiàn)象，導(dǎo)致在過濾面周圍局部出現(xiàn)了負(fù)壓和較多流速較高的小渦旋，即紊流現(xiàn)象，此時流速增加整體較為平緩。故在實際應(yīng)用過程中可適當(dāng)增大過濾風(fēng)速。

圖5 5 μm 等效過濾孔徑速度矢量

圖6 3 μm 等效過濾孔徑速度矢量

圖7 1 μm 等效過濾孔徑速度矢量

圖8 不同等效孔徑金屬絲網(wǎng)的速度分布云圖

3 柵-網(wǎng)耦合正交試驗

柵-網(wǎng)耦合過濾過程中過濾效率受多種因素的交叉影響，因此需要通過正交模擬的方式得到影響除塵效率的主要因素，以確定模擬條件下的最優(yōu)工況組合。

3.1 試驗參數(shù)的設(shè)置

單塊振弦柵的參數(shù)設(shè)置為：0.2 mm 柵絲直徑、0.35 mm 柵絲間距、1 mm 柵絲層間距；振弦柵數(shù)量為兩塊時，柵間距為20 mm，擺放順序為前柵后網(wǎng)。選取振弦柵數(shù)量、柵-網(wǎng)間距和金屬絲網(wǎng)等效過濾孔徑為耦合正交變量進行正交模擬，其代號及取值如下：

1）振弦柵數(shù)量（A）：1 塊（A1）、2 塊（A2）；

2）柵-網(wǎng)間距（B）：5 mm（B1）、20 mm（B2）、40 mm（B3）；

3）金屬絲網(wǎng)等效孔徑（C）：5 μm（C1）、3 μm（C2）、1 μm（C3）。

為直觀地呈現(xiàn)正交模擬變量，可處理得到不同工況下的正交模擬編號表5。

表5 正交模擬工況編號表

因?qū)嶋H應(yīng)用中振弦柵的過濾風(fēng)速大于金屬絲網(wǎng)，本模擬決定選取 1、2、3、4、5、6、7 m/s 這 7 個入口風(fēng)速作為模擬的外部變量進行研究。

3.2 耦合正交試驗結(jié)果與分析

3.2.1 耦合正交過濾效率試驗結(jié)果

在入口風(fēng)速分別為 1、2、3、4、5、6、7 m/s 時，將電焊煙塵氣流在18 種不同工況條件下做正交試驗，得到過濾段顆粒捕集率的數(shù)據(jù)，其過濾效率隨入口風(fēng)速變化的試驗結(jié)果見圖9。

圖9 不同工況下的試驗結(jié)果

3.2.2 過濾效率模擬結(jié)果與分析

采用FLUENT 軟件默認(rèn)的一階差分格式和SIMPLE 算法，應(yīng)用陣列模型簡化振弦柵和金屬絲網(wǎng)過濾材料，模擬電焊煙塵氣流在18 種不同正交模擬工況條件下的過濾段顆粒捕集率，得到共計126 種組合的模擬結(jié)果，見圖10。

依據(jù)圖9、圖10 以振弦柵數(shù)量為區(qū)分方式對不同工況進行分類討論：

1）單塊振弦柵

金屬絲網(wǎng)等效過濾孔徑為5 μm 時，各工況過濾效率隨風(fēng)速變化的趨勢相近，達到最大值的風(fēng)速均為6 m/s，柵-網(wǎng)間距為40 mm 時過濾效率較其他兩者稍高； 金屬絲網(wǎng)等效過濾孔徑為3 μm 時，柵-網(wǎng)間距為40 mm 且風(fēng)速為4 m/s 時過濾效率達到最大值； 金屬絲網(wǎng)等效過濾孔徑為1 μm 時，不同工況過濾效率達到極值的入口風(fēng)速均為5~6 m/s。單塊振弦柵耦合的情況下，柵-網(wǎng)間距為5 mm，等效過濾孔徑為1 μm 的金屬絲網(wǎng)與振弦柵的耦合效應(yīng)最明顯。

圖10 不同工況不同風(fēng)速條件下的過濾效率折線圖

2）兩塊振弦柵

金屬絲網(wǎng)等效過濾孔徑為5 μm 時，過濾效率隨風(fēng)速變化體現(xiàn)出先增后減再增的趨勢；金屬絲網(wǎng)等效過濾孔徑為 3 μm 時，柵-網(wǎng)間距為 20 mm 的過濾效率隨入口風(fēng)速變化趨勢為先增后減再增，其他兩者均在過濾風(fēng)速為5 m/s 時達到極值；當(dāng)金屬絲網(wǎng)等效過濾孔徑為1 μm 時，過濾效率隨入口風(fēng)速的變化趨勢與單塊振弦柵工況體現(xiàn)的規(guī)律相近，僅僅是有部分工況條件下極值點減?。?此時柵-網(wǎng)間距為20 mm，等效孔徑為1 μm 的工況耦合效應(yīng)更明顯。 振弦柵數(shù)量增加后，等效過濾孔徑分別為5 μm 和 3 μm 時過濾效率有一定提升，但等效過濾孔徑為1 μm 的變化不明顯；配置兩塊振弦柵時，不同等效過濾孔徑工況均體現(xiàn)出更強的規(guī)律性。

3.2.3 極差分析

用同一因素不同水平下平均過濾效率的極差R（R=Xmax-Xmin）來反映不同因素的水平的變化對試驗結(jié)果影響程度的大小，極差越大，則因素的水平變化對試驗結(jié)果的影響就越大，反之就越小。

通過極差分析法對試驗結(jié)果進行分析得到表6。

表6 模擬結(jié)果極差分析表

初步分析4 種正交參數(shù)對過濾效率的影響程度，可排序為： 金屬絲網(wǎng)等效過濾孔徑＞振弦柵數(shù)量＞入口風(fēng)速＞柵-網(wǎng)間距。

3.2.4 過濾壓降模擬結(jié)果與分析

在模擬結(jié)果中后處理選項中選擇report 輸出氣流入口面及出口面平均壓強并求出差值，按不同工況整理后可得到圖11。

分析模擬結(jié)果可得，過濾壓降與入口風(fēng)速呈正相關(guān)，等效過濾孔徑為1 μm 的金屬絲網(wǎng)過濾壓降遠(yuǎn)大于其他兩者； 金屬絲網(wǎng)等效過濾孔徑為5 μm和3 μm 的過濾壓降差值較小； 過濾壓降與柵-網(wǎng)間距呈正相關(guān)；相對單塊振弦柵的工況，兩塊振弦柵的過濾壓降明顯更大，但得到的過濾壓降折線重合度更高，體現(xiàn)出更加明顯的規(guī)律性。 相較于單網(wǎng)過濾工況，柵-網(wǎng)耦合過濾系統(tǒng)能明顯提高電焊煙塵的過濾效率。

3.2.5 過濾效率對比

根據(jù)不同工況組合條件下的過濾效率和過濾壓降，分析得到滿足過濾需求前提下過濾壓降最小的工況組合。

采用粉塵整體過濾效率為計算標(biāo)準(zhǔn)。出口濃度按式（1）計算，整體過濾效率按式（2）計算，且與模擬計算所得過濾效率相對應(yīng)。

圖11 不同工況不同風(fēng)速條件下的過濾壓降

式（1）中：C 為出口濃度，mg/m3；G 為電焊煙塵的質(zhì)量流量，mg/s；Q 為風(fēng)管風(fēng)量，m3/s。

式（2）中：η 為整體過濾效率，%；C1為入口濃度，mg/m3；C2為出口濃度，mg/m3。

根據(jù)文獻[13]，本文選用罩面吸口直徑為0.2 m，罩面吸口風(fēng)速為0.3 m/s，噴口速度為1.1 m/s 的排風(fēng)罩，經(jīng)計算進入柵-網(wǎng)耦合過濾系統(tǒng)的電焊煙塵濃度為271.02 mg/m3。 不考慮風(fēng)管漏風(fēng)率對過濾效率的影響，根據(jù)式（2）得到柵-網(wǎng)耦合過濾系統(tǒng)滿足作業(yè)場所電焊煙塵接觸限值標(biāo)準(zhǔn)的最低過濾效率為98.53%，將滿足過濾需求的所有工況整理后得到表7。

對比過濾壓降后可知，振弦柵結(jié)構(gòu)參數(shù)為0.2 mm 柵絲直徑、0.35 mm 柵絲間距、1 mm 柵絲層間距，采用兩塊振弦柵，柵間距為20 mm，擺放順序為前柵后網(wǎng)的前提條件下，金屬絲網(wǎng)等效過濾孔徑為1 μm 的柵-網(wǎng)耦合過濾系統(tǒng)在入口風(fēng)速為3.0 m/s 時對電焊煙塵的過濾效率達到98.96%。 其排出電焊煙塵濃度低于4 mg/m3，滿足國家對工作場所電焊煙塵接觸限值的要求，過濾壓降遠(yuǎn)小于其他能滿足過濾需求工況，能效優(yōu)勢明顯。

表7 各工況過濾效率及壓降對比表

4 結(jié) 論

1）在不考慮阻力的情況下，金屬絲網(wǎng)的等效過濾孔徑越小過濾效率越高，而且在分級過濾效率方面也有明顯體現(xiàn)。

2）振弦柵數(shù)量為一塊時：柵-網(wǎng)耦合過濾系統(tǒng)較使用單網(wǎng)過濾效率的提升幅度按從大到小的順序排列依次為6%~7%、7%~9%、5%~6%，等效過濾孔徑為3 μm 時耦合效應(yīng)最明顯。 振弦柵數(shù)量為兩塊時明顯提升了各工況柵-網(wǎng)耦合效應(yīng)的強度，較僅使用單網(wǎng)過濾，柵-網(wǎng)耦合過濾系統(tǒng)按金屬絲網(wǎng)等效過濾孔徑提升幅度依次為10%~13%、9%~10%、6%~7%； 耦合效應(yīng)強度隨金屬絲網(wǎng)過濾孔徑的減小而減小。

3）4 種正交參數(shù)對過濾效率的影響程度，可排序為： 金屬絲網(wǎng)等效過濾孔徑＞振弦柵數(shù)量＞入口風(fēng)速＞柵-網(wǎng)間距。

4）綜合考慮過濾效率和過濾壓降，采用兩塊振弦柵，柵-網(wǎng)間距為20 mm，金屬絲網(wǎng)等效孔徑為1 μm的柵-網(wǎng)耦合過濾系統(tǒng)在入口風(fēng)速為3.0 m/s 時對電焊煙塵的過濾效率達到98.96%，效果最明顯。