李 陽(yáng) 王振京

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京 100024)

1 概述

鑄造車(chē)間鑄件人工打磨區(qū)的除塵問(wèn)題一直是困擾鑄造廠運(yùn)行的一個(gè)較為突出的問(wèn)題，為滿(mǎn)足零部件打磨需求，在打磨區(qū)域內(nèi)，打磨工人采用電動(dòng)角磨機(jī)、切割機(jī)或氣動(dòng)角磨機(jī)切割機(jī)打磨工件或切割工件。在打磨和切割時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，造成工人的工作環(huán)境極端惡劣。研究表明，由粉塵誘發(fā)的疾病主要是呼吸道疾病，其中以塵肺病患病率較高，同時(shí)也會(huì)增加肺部惡性腫瘤的發(fā)病率[1]。因此，進(jìn)行粉塵治理，保障工人的身體健康刻不容緩。

鑄造車(chē)間鑄造用的主要原材料是樹(shù)脂砂，則擴(kuò)散在空氣中的粉塵主要成分是游離態(tài)的二氧化硅。在鑄造行業(yè)，粉塵中平均游離態(tài)二氧化硅的含量最低約為17%，最高約為34%，即游離態(tài)二氧化硅含量在10%～50%的區(qū)間范圍內(nèi)。據(jù)GB Z2.1—2019工業(yè)場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值 第1部分：化學(xué)有害因素[2]中的規(guī)定：工作場(chǎng)所空氣中粉塵職業(yè)接觸限值表中列出的各種粉塵(石棉纖維塵除外)，凡游離SiO2不低于10%者，均按矽塵職業(yè)接觸限值對(duì)待。矽塵(10%≤游離SiO2≤50%)的時(shí)間加權(quán)平均濃度PC-TWA(總塵)應(yīng)不大于1 mg/m3。

2 側(cè)壁回風(fēng)整體除塵系統(tǒng)氣流組織形式及研究方法

氣流組織又稱(chēng)空氣分布，是對(duì)氣流流動(dòng)的方向和速度以及分布的均勻性進(jìn)行組織[3]。側(cè)壁回風(fēng)整體除塵系統(tǒng)著眼于污染源的有效控制，類(lèi)似于一個(gè)“密閉罩”，將污染源密閉地罩于打磨間內(nèi)，并根據(jù)通風(fēng)工況組織局部氣流來(lái)控制懸浮粉塵流向，從而達(dá)到排除粉塵的目的。打磨間采用側(cè)補(bǔ)風(fēng)側(cè)排風(fēng)的氣流組織，在排除粉塵的同時(shí)，降低人員工作區(qū)域的粉塵濃度。工作時(shí)，補(bǔ)風(fēng)從打磨間側(cè)面的門(mén)洞進(jìn)入，含塵空氣由打磨間側(cè)下部的排風(fēng)口排出，經(jīng)除塵器過(guò)濾達(dá)標(biāo)后，排至大氣。

目前研究氣流組織常用的方法主要有四種：傳統(tǒng)的射流公式法、模型實(shí)驗(yàn)方法、區(qū)域方法和CFD模擬方法[4]。相比于其他三種方法，CFD模擬方法具有成本低、速度快、數(shù)據(jù)可靠完備且可模擬不同工況的特點(diǎn)，故本文選擇通過(guò)CFD模擬方法對(duì)打磨間氣流組織與污染物的擴(kuò)散分布進(jìn)行模擬及分析。

3 打磨除塵仿真模擬

3.1 數(shù)值模型

本研究采用高精度CFD模擬方法，可以得出精度較高的氣流組織與污染物的擴(kuò)散分布。在本研究的數(shù)值模型中，氣流模擬采用最為常用的穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型，溫度模型采用布西涅斯克假設(shè)，標(biāo)量場(chǎng)(污染物)采用滑移通量模型。通用控制方程形式為：

其中，φ為通用變量，可以指代風(fēng)速u(mài)、湍流強(qiáng)度k、湍流耗散度ε與污染物濃度C；x為空間位置坐標(biāo)；Γφ為對(duì)應(yīng)變量的擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為對(duì)應(yīng)變量的源項(xiàng)。

所有控制方程采用上風(fēng)差分格式，并采用SIMPLER解法求解。建模與求解計(jì)算過(guò)程均使用PHOENICS軟件。

3.2 體型參數(shù)與邊界條件

如圖1所示，大方框表示模擬采用的計(jì)算域，即打磨間邊界，尺寸為5 m×4 m×3 m。具體體型參數(shù)與邊界條件見(jiàn)表1。

表1 打磨間模型體型參數(shù)與邊界條件

3.3 模擬結(jié)果

3.3.1風(fēng)場(chǎng)

圖2為打磨間中心處x方向(x=2.5 m)垂直截面速度矢量分布?？梢钥吹搅鲌?chǎng)一致性很好，僅在打磨件的尾流區(qū)存在渦流，其他位置的流動(dòng)均為很均勻的從右至左的氣流場(chǎng)，平均風(fēng)速約為1 m/s，直至接近排風(fēng)百葉處時(shí)流場(chǎng)向下收縮并加速至2 m/s以上，最終排出室外。打磨件熱量產(chǎn)生的浮升力有限，對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的影響并不明顯。

圖3為距離地面高度0.5 m(z=0.5 m)處水平截面速度矢量分布，高度位于排風(fēng)百葉的中心位置。圖中可以看到氣流從門(mén)洞進(jìn)入后，逐漸擴(kuò)散放寬至房間寬度，然后保持十分均勻的流動(dòng)直至遇到打磨件，在打磨件的阻礙下再產(chǎn)生尾流區(qū)，但很快又恢復(fù)了均勻的流動(dòng)，最終經(jīng)排風(fēng)百葉流出室外。

總體而言，從風(fēng)場(chǎng)的角度，進(jìn)風(fēng)口(門(mén)洞)與排風(fēng)口相對(duì)布置，并且風(fēng)量足夠，所以在室內(nèi)形成了“活塞流”。此種流動(dòng)方向一致性好，污染物直接被排出，不容易擴(kuò)散，是非常好的通風(fēng)方式。

3.3.2溫度場(chǎng)

圖4為打磨間中心處x方向(x=2.5 m)垂直截面溫度分布?？梢钥吹?0 ℃的污染物釋放出之后，由于與周?chē)鷼怏w摻混，很快降低至40 ℃以下，并集中于尾流區(qū)內(nèi)。由于室內(nèi)風(fēng)速較大，浮升力不明顯，溫度也隨著氣體進(jìn)一步的摻混迅速下降至30 ℃左右，經(jīng)由排風(fēng)百葉排出。

圖5為距離地面高度0.5 m(z=0.5 m)處水平截面溫度分布。從這個(gè)角度可以清晰地看到“活塞流”對(duì)熱氣流的影響，由于氣流方向很一致，熱氣體僅向打磨件下風(fēng)向擴(kuò)散，而且由于尾流區(qū)渦流加強(qiáng)了熱氣流與周?chē)錃饬鞯膿交爝^(guò)程，氣體溫度下降得很快，到達(dá)排風(fēng)口處時(shí)已經(jīng)下降至30 ℃左右。

3.3.3污染物濃度場(chǎng)

由于本模擬研究主要關(guān)注的是將車(chē)間內(nèi)污染物的實(shí)際濃度水平，因此模擬中需要采用絕對(duì)濃度的計(jì)算方法，根據(jù)實(shí)際污染物釋放的估算結(jié)果，假設(shè)污染物從打磨件表面均一地釋放出40.0 mg/s的污染物。

圖6，圖7分別為打磨間中心處x方向(x=3.5 m)垂直截面和z方向(z=0.5 m)水平截面的污染物濃度分布。由于污染源與熱源高度一致，可以觀察到污染物的濃度分布與氣體溫度的分布很相似，同樣可以觀察到相似的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即污染物高濃度區(qū)域集中于尾流區(qū)。

圖8分別為污染物30 mg/m3平均濃度的等濃度面。由此可以看出30 mg/m3濃度以上的污染物范圍被限制在直徑2 m的區(qū)域之內(nèi)，而且主要集中于打磨件的尾流區(qū)。打磨件的迎風(fēng)面由于受到了來(lái)流風(fēng)的直接影響，正面僅有小部分面積濃度超過(guò)了30 mg/m3。另外，從圖6中可以看出，進(jìn)入排風(fēng)口的污染物濃度均低于30 mg/m3。

圖9顯示了從空間中若干微氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)軌跡。軌跡的顏色代表了微氣團(tuán)的運(yùn)行時(shí)間，淺黑色代表剛釋放，深灰色代表運(yùn)動(dòng)軌跡末尾。從這張流線圖中，可以看出室內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)較為簡(jiǎn)單，主要可以分為兩種：一種是兩側(cè)未受打磨件干擾的氣流，沒(méi)有任何渦流，幾乎是直接由進(jìn)風(fēng)口運(yùn)動(dòng)至排風(fēng)口排出；另一種受到打磨件干擾的氣流運(yùn)動(dòng)軌跡稍復(fù)雜，首先是繞過(guò)打磨件，然后在打磨件的尾流區(qū)的渦流內(nèi)滯留，之后經(jīng)由排風(fēng)口排出。圖9中微氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)極有規(guī)律，流線幾乎平行，是非常有利于污染物控制的流場(chǎng)。

另外，在人呼吸高度1.5處，室內(nèi)平均濃度為0.55 mg/m3，且超過(guò)1 mg/m3范圍僅有打磨件下風(fēng)向的小區(qū)域內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究采用CFD數(shù)值模擬的方法計(jì)算了打磨間污染物擴(kuò)散的情況，對(duì)給定的送排風(fēng)條件下的風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)與污染物擴(kuò)散狀況進(jìn)行了深入的分析，得出以下結(jié)論：

進(jìn)風(fēng)口(門(mén)洞)與排風(fēng)口相對(duì)布置，并且風(fēng)量足夠，所以在室內(nèi)形成了“活塞流”。此種流動(dòng)方向一致性好，污染物直接被排出，不容易擴(kuò)散，是非常好的通風(fēng)方式。

高溫氣體和污染物被限制于打磨件尾流區(qū)內(nèi)的很小的區(qū)域內(nèi)，沒(méi)有向外部擴(kuò)散，從而保證絕大部分人員工作區(qū)域的舒適性與空氣品質(zhì)可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。