宋曉程

（大連大學 建筑工程學院，遼寧 大連 116622）

隨著工業(yè)產品質量高品位化的需求和人們物質文化生活水平的不斷提高，對工業(yè)廠房內環(huán)境質量的要求愈來愈高。煤場廠房中煤塵污染是長期以來一直未能徹底解決的疑難問題[1]。煤在廠房中通常需要經過裝卸、輸送、轉運、篩分、破碎等一系列運輸及工藝加工過程，會產生大量粉塵，使室內空氣環(huán)境造成嚴重污染。在運輸或工藝加工過程中所生成的煤粉，雖然主要以粒徑大于100 μm的大粒徑顆粒。但在風速小于3 m的低風速條件下，對人體危害較大的總懸浮顆粒TSP，可吸入顆粒PM10和細顆粒PM2.5所占的比例有所增加，上述粒徑顆?？杀蝗梭w吸入，尤其是可吸入顆粒PM10和細顆粒PM2.5可直接深入肺部并留存其中，不易被人體排出，粒徑較小顆粒給安全生產和工人的身心健康帶來極大的危害[2]。當廠房內通風氣流組織不合理時，煤粉會從發(fā)散源向廠房內其他空間擴散，造成廠房室內空氣環(huán)境嚴重污染。因而，預測廠房內煤粉擴散規(guī)律，合理組織廠房內部通風，在廠房通風設計及工程改造中具有重要意義。

綜上，本文借助于計算機數(shù)值模擬的方法，對煤場廠房不同通風條件進行數(shù)值模擬計算，利用可視化的圖像輸出技術，得到廠房內風環(huán)境的氣流方向、速度和渦流以及顆粒污染物分布等方面的量化信息，幫助設計人員從方案設計初期就對設計方案的風環(huán)境和污染分布有一個全面而直觀的了解，從而可以方便、快捷地進行多方案比較，并及時對方案做出調整，使設計規(guī)劃方案的廠房通風氣流組織更加舒適、健康和符合功能要求。

1 模擬方法

1.1 模型建立

根據(jù)廠房建筑尺寸和煤堆分布情況，建立數(shù)值分析用物理模型如圖1所示。其中在廠房橢圓型穹頂頂部和底部共設有4個風口，其中穹頂圓弧部分2個風口，底部2個風口，以模擬廠房內上送下回和下送上回不同通風形式的氣流組織分布。

數(shù)值模擬過程中，顆粒物模型采用拉格朗日-歐拉模型[3]，根據(jù)工業(yè)廠房內常用通風形式，考慮上送下回、下送上回2種機械通風方式。模擬中同時考慮對人體危害較大的粒徑為100 μm、10 μm和2.5 μm這3種顆粒物的污染和擴散分布水平。

根據(jù)所建模型，數(shù)值模擬過程中進行六面體結構網(wǎng)格，網(wǎng)格基本尺寸為1.5 m，對壁面和風口部分進行了局部細化，并進行網(wǎng)格無關性檢驗。根據(jù)無關性檢驗結果，當模擬網(wǎng)格數(shù)量約為200萬時，不同網(wǎng)格間模擬所產生的誤差已小于10%，結果已足夠精確。CFD模擬過程中模型網(wǎng)格示意如圖2所示。

圖1 CFD模擬物理模型

圖2 CFD模擬模型網(wǎng)格劃分

1.2 邊界條件

模擬中主要需要給出的邊界條件有下面幾種：

(1)出口邊界：出口選為壓力出口邊界條件，即pressure outlet形式；

(2)入口邊界：主要考慮風速分布，設定為質量流量入口邊界，即mass flow inlet形式；

(3)各表面：定義為無滑移壁面，近壁區(qū)域采用標準壁面函數(shù)進行計算。

本文模擬過程中，選取5次/h的通風換氣次數(shù)來進行不同通風形式的CFD模擬研究[4]。模擬過程中，不同通風形式下煤堆的起塵量完全相同。

2 結果與分析

2.1 評價指標

本文根據(jù)以下方法和指標，對廠房內的通風氣流組織和污染擴散水平進行評價。

（1）風速矢量圖和云圖

風速矢量圖和云圖可以直觀地評價通風系統(tǒng)氣流組織形式及其對顆粒污染物擴散的影響。

（2）粉塵顆粒質量濃度

由于工業(yè)廠房中通風系統(tǒng)的作用之一為消除粉塵顆粒污染水平，數(shù)值模擬中采用100 μm、10 μm和2.5 μm這3種不同粒徑粉塵顆粒的質量濃度來評價廠房不同通風形式下粉塵顆粒污染水平及擴散規(guī)律。

2.2 模擬結果

本文將廠房y方向中部立面作為研究對象，分別分析風速矢量和云圖分布以及粒徑2.5 μm、10 μm和100 μm粉塵質量濃度分布。

2.2.1 上送下回機械通風

圖3和圖4分別為上送下回通風形式的風速矢量和云圖分布情況。當廠房內通風系統(tǒng)為上送下回形式時，送風從風口送入工廠內，遇到煤堆的阻礙而發(fā)生了擾流，流入各個煤堆之間的區(qū)域并在其中形成漩渦流。由圖中分布情況可知，從左數(shù)第1和第2煤堆之間的風速值較大，風速處于1 m/s以上的量級且漩渦較明顯，該部分較大的風速應該對顆粒污染物的排除具有積極作用。右側煤堆與廠房墻壁之間受到回風口抽吸的影響，風速同樣處于1 m/s及以上的水平。但風速變化方向較為單一，從送風口流向排風口?？拷斉飬^(qū)域風速較大，風速梯度明顯。對于中間煤堆上方，由于通風系統(tǒng)風口布置特點，雖然形成了明顯的漩渦卷吸效應，但風速較低，約為0.4 m/s。

圖3 上送下回風速矢量圖（m/s）

圖4 上送下回風速云圖（m/s）

圖5為上送下回通風形式的2.5 μm粉塵質量濃度分布圖。當通風系統(tǒng)采用上送下回形式時，受到通風氣流的稀釋作用，左側和右側煤堆上部的2.5 μm粉塵質量濃度很低，幾乎為0 mg/m3。在各煤堆表面附近，2.5 μm粉塵質量濃度很高，處于1 mg/m3以上的水平。其他區(qū)域2.5 μm粉塵質量濃度大體處于0.2～0.8 mg/m3的水平，但中部煤堆上方由于通風氣流流通不暢，2.5 μm粉塵質量濃度較高，大于0.6 mg/m3。煤堆之間的2.5 μm粉塵質量濃度基本小于0.6 mg/m3。這表明，上送下回通風系統(tǒng)可以很好的達到稀釋廠房內粉塵污染的目的。

圖5 上送下回通風形式的2.5 μm粉塵質量濃度圖（mg/m3）

圖6和圖7分別為上送下回通風形式的10 μm和100 μm粉塵質量濃度分布圖。當廠房內通風系統(tǒng)為上送下回形式時，10 μm粉塵質量濃度分布與2.5 μm粉塵大體相同，說明中粒徑粉塵擴散特性基本相同。但中部煤堆上方的10 μm粉塵質量濃度要大于2.5 μm粉塵，已達到0.7 mg/m3以上的水平，這是由于煤堆起塵中10 μm粒徑比例要大于2.5 μm。煤堆之間的10 μm粉塵質量濃度達到0.5 mg/m3，仍略大于2.5 μm粉塵。100 μm粉塵質量濃度的要小于2.5 μm粉塵和10 μm粉塵，基本處于0.2 mg/m3的水平。說明低風速條件下，上送下回通風系統(tǒng)對100 μm粉塵質量濃度的稀釋作用較好。

圖6 上送下回10 μm粉塵質量濃度圖（mg/m3）

圖7 上送下回100 μm粉塵質量濃度圖（mg/m3）

2.2.2 下送上回機械通風

圖8和圖9分別為下送上回通風形式的風速矢量和云圖分布情況。從圖中可以看出送風從下部風口送入工廠內，遇到煤堆的阻礙而沿著煤堆側面流向上部回風口，在左右側煤堆和廠房墻面之間出現(xiàn)氣流的“短路”現(xiàn)象，造成該區(qū)域風速值較大（大于1 m/s）且流動方向較明顯，對顆粒污染物的排除具有積極作用。對于中間煤堆上方，雖然形成了明顯的漩渦卷吸效應，但風速量級相比左右側煤堆和廠房墻面之間區(qū)域而言較低，約為0.6 m/s的量級。模擬結果可表明，下送上回通風形式同樣可保證廠房內大部分區(qū)域的風速大于0.6 m/s，廠房內通風氣流組織較好。

圖8 下送上回風速矢量圖（m/s）

圖9 下送上回風速云圖（m/s）

圖10為下送上回通風形式的2.5 μm粉塵質量濃度分布圖。當廠房內通風系統(tǒng)為下送上回形式時，受到通風氣流的稀釋作用，左側和右側煤堆與廠房墻壁之間區(qū)域的2.5 μm粉塵質量濃度很低，幾乎為0 mg/m3。在各煤堆表面附近，2.5 μm粉塵質量濃度很高，處于1 mg/m3以上的水平。其他區(qū)域2.5 μm粉塵質量濃度的平均值約為0.7 mg/m3的水平，中部煤堆上方同樣由于通風不暢，2.5 μm粉塵質量濃度較高，接近于0.9 mg/m3，此處是廠房內粉塵污染較重的區(qū)域，在通風設計過程中應重點考慮該區(qū)域的污染稀釋問題。煤堆之間的2.5 μm粉塵質量濃度基本處于0.6～0.8 mg/m3的水平。

圖10 下送上回2.5 μm粉塵質量濃度圖（mg/m3）

圖11和圖12分別為下送上回通風形式的10 μm和100 μm粉塵質量濃度分布圖。中部煤堆上方的10 μm粉塵質量濃度要大于2.5 μm粉塵，已接近1 mg/m3以上的水平。煤堆之間的10 μm粉塵質量濃度同樣接近1 mg/m3的量級，明顯大于2.5 μm粉塵。100 μm粉塵質量濃度的要小于2.5 μm粉塵和10 μm粉塵，基本處于0.6 mg/m3的水平。

圖11 下送上回10 μm粉塵質量濃度圖（mg/m3）

圖12 下送上回100 μm粉塵質量濃度圖（mg/m3）

3 結論

本文通過對煤場廠房不同通風條件進行數(shù)值模擬計算，得出以下結論：

（1）在氣流組織方面，下送上回通風條件下廠房內平均風速和局部風速均大于上送下回通風形式，氣流組織形式較好。

（2）在粉塵質量濃度的方面，由于下部進風條件對處于送風口附近的煤堆具有很強的卷吸和促進擴散作用，加速煤堆粉塵的擴散速度和在空間的濃度水平；而上送下回通風系統(tǒng)會抑制煤堆粉塵向上部空間擴散的趨勢，并將粉塵污染主要控制在煤堆附近區(qū)域。綜上，該煤場廠房通風系統(tǒng)宜采用上送下回的通風形式。但本文研究結果是以廠房整體環(huán)境為評價對象，當研究對象為廠房局部區(qū)域或不同工作高度時，其結論不盡相同。