曹 進(jìn) 繆建暉 麻建超 何 平

(1 上海海立集團(tuán)股份有限公司 上海 201206；2 安徽海立精密鑄造有限公司 馬鞍山 238100；3 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 南京 210096)

機(jī)械加工車間通常充斥著由金屬加工液產(chǎn)生的油霧顆粒，長期暴露于此環(huán)境下可能導(dǎo)致過敏性肺炎、肺癌、哮喘或其它疾病[1-3]。同時在生產(chǎn)過程中，顆粒物會降低產(chǎn)品質(zhì)量及機(jī)器的工作精度、影響作業(yè)視野、帶來爆炸隱患[4-5]。工業(yè)通風(fēng)技術(shù)能有效降低工廠空氣污染物濃度，控制人員暴露水平。然而不同通風(fēng)方式在實際工程應(yīng)用中通風(fēng)性能存在較大差異，不合理的通風(fēng)甚至可能增加人員的暴露頻率[6-7]，因此需要對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行評估。

置換通風(fēng)是清潔空氣以低速從地板高度送入室內(nèi)，隨后被室內(nèi)熱源加熱上升至房間的上部，同時輕質(zhì)污染物跟隨上升氣流到達(dá)并聚集在房間上部，在室內(nèi)形成穩(wěn)定的溫度分層和污染物分層，最后房間空氣在天棚高度被排出的常見通風(fēng)方式[8-9]。由于該通風(fēng)方式直接將清潔空氣送入房間下部，僅在人員活動區(qū)域創(chuàng)造一個清潔區(qū)，具有節(jié)能潛力，因此被廣泛用于工業(yè)建筑中[9-11]。但在實際工程中，由于工藝、設(shè)備及建筑布局對通風(fēng)系統(tǒng)的限制，送風(fēng)口和回風(fēng)口很難按照理想狀態(tài)安裝在地板附近和頂棚附近。一些類置換通風(fēng)系統(tǒng)如升高置換通風(fēng)的送風(fēng)口的高度，降低回風(fēng)口的高度和調(diào)整送風(fēng)方向等被提出來以期實現(xiàn)置換通風(fēng)的性能[12-15]。A.C.Caputo等[12]研究了把送風(fēng)口高度調(diào)整至房間中間高度時廠房中的流場分布和通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。發(fā)現(xiàn)該類置換通風(fēng)系統(tǒng)保留了置換通風(fēng)系統(tǒng)的一些特性，例如在熱源附近空氣對流更強(qiáng)，具有陡峭的垂直溫度梯度，避免對整個房間體積的溫度控制，從而節(jié)省能源，并改善操作人員所占區(qū)域的空氣質(zhì)量。Ye Xiao 等[14]研究了向下碰撞射流送風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)性能，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)會形成溫度分層和污染物分層，在夏季時房間下部溫度及污染物濃度更高。雖然該類置換通風(fēng)系統(tǒng)可以在調(diào)整風(fēng)口位置的同時保證置換通風(fēng)效果，但目前仍然缺乏對高大廠房中類置換通風(fēng)系統(tǒng)性能的對比研究。

安徽某機(jī)械加工車間主要進(jìn)行壓縮機(jī)缸蓋的精加工，具體涉及毛坯件的磨削、車、銑、鉆孔等工序。機(jī)械加工過程會產(chǎn)生大量的油霧顆粒，細(xì)顆粒物(空氣動力學(xué)粒徑小于2.5 μm)可能會進(jìn)入工人肺部甚至血液，對工人的健康造成極大影響。與實驗研究相比，計算流體動力學(xué)方法(computational fluid dynamics,CFD)可以更詳細(xì)地提供室內(nèi)流場及顆粒物分布信息并能容易地對各種工況進(jìn)行模擬。本文采用CFD 方法研究該機(jī)械加工車間的三種常用類置換通風(fēng)系統(tǒng)(中橫向送上回、下橫向送上回、下豎向送上回)對空氣中細(xì)顆粒物(PM2.5)的移除能力。

1 方法

1.1 物理模型建立

按照車間實際布置建立全尺寸物理模型，如圖1所示，車間尺寸為179 m×60 m×9.6 m(長×寬×高)，車間西側(cè)墻體有兩個3 m×4 m(寬×高)敞開的門，車間窗戶很少開啟，因此假設(shè)窗戶為墻體。車間原配備有一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用房間中部水平送風(fēng)上部排風(fēng)的通風(fēng)方式(S1)，5臺最大額定風(fēng)量為26 m3/s的風(fēng)機(jī)不斷向車間送風(fēng)，134個直徑為0.2 m的圓形送風(fēng)口分別安裝在車間立柱中部距地板4.5 m高處，尺寸為0.6 m×0.6 m的回風(fēng)口安裝在距地板7 m高處。物理模型以長方體替代車間機(jī)器，污染物不斷從機(jī)器(污染源)向外散發(fā)。為了優(yōu)化現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)，另外建立了兩種類置換通風(fēng)系統(tǒng)(S2、S3)。S2與S1類似，仍然采用水平送風(fēng)上部排風(fēng)的通風(fēng)方式，但送風(fēng)口被調(diào)至距地板1 m高處，送風(fēng)口尺寸變?yōu)?.5 m×0.5 m；S3在S2的基礎(chǔ)上送風(fēng)方向由向上調(diào)整為向下。

圖1 車間物理模型Fig.1 Physical model of the workshop

1.2 邊界條件設(shè)置

為研究送風(fēng)量對通風(fēng)效果的影響，三種類置換通風(fēng)系統(tǒng)均考慮了三種不同級別的風(fēng)量(130、65、19 m3/s)，9種模擬案例設(shè)置情況如表1所示。

表1 模擬案例Tab.1 Simulation cases

為保證其他因素不對案例研究造成影響，邊界條件設(shè)置如下：三種類置換通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度均為22 ℃，系統(tǒng)運行時送風(fēng)和回風(fēng)體積流量保持不變，門設(shè)置為壓力出口。根據(jù)夏季現(xiàn)場測量結(jié)果，車間頂棚溫度設(shè)置為39 ℃，地板、西墻、東墻及北墻溫度設(shè)置為33 ℃，車間南側(cè)與辦公樓相連，因此南墻設(shè)置為絕熱壁面，送風(fēng)與回風(fēng)管道壁面設(shè)置為絕熱，機(jī)械設(shè)備作為室內(nèi)熱源，表面溫度設(shè)置為35 ℃。假設(shè)顆粒物密度為800 kg/m3[16]，并以0.13 kg/s的速率不斷從污染源排出。根據(jù)文獻(xiàn)[17-18]，粒徑小于5 μm的顆粒物可以采用歐拉法進(jìn)行模擬，因此本文以氣相代替離散相。

1.3 數(shù)值方法與網(wǎng)格無關(guān)性驗證

本文使用Ansys Fluent[19]軟件求解控制方程，包括：連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和組分輸運方程；采用Realizablek-ε湍流模型處理湍流動能及湍流耗散[20]，選用SIMPLE算法計算速度-壓力耦合和二階迎風(fēng)離散格式控制方程；利用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)描述近壁面湍流特性。當(dāng)能量方程殘差小于10-7，連續(xù)性方程、組分輸運方程、k方程和ε方程殘差均為10-4認(rèn)為計算收斂[21]。

在模擬前首先進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。以案例1為例，采用Ansys Icem[22]軟件在幾何內(nèi)部生成適應(yīng)性更強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了驗證模擬結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)無關(guān)，3種全局網(wǎng)格尺寸分別設(shè)置為600、800、1 000 mm；對機(jī)器表面、污染源、進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口處的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密，局部網(wǎng)格尺寸設(shè)置為100 mm。3種全局網(wǎng)格尺寸設(shè)置下對應(yīng)網(wǎng)格總數(shù)依次為1 060萬(粗網(wǎng)格)、2 490萬(中網(wǎng)格)和4 810萬(細(xì)網(wǎng)格)。如圖2所示，對比分析3種網(wǎng)格數(shù)下車間中心線(x=30 m,z=-30 m)處氣流速度發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格數(shù)由1 060萬變至2 490萬時模擬值之間的變化率為20%，而當(dāng)網(wǎng)格數(shù)由2 490萬變至4 810萬時模擬值之間的變化率僅為1%。因此本文選用中網(wǎng)格(2 490萬網(wǎng)格數(shù)量)進(jìn)行數(shù)值計算，可以基本滿足要求。同理，其它案例也采用相同的網(wǎng)格生成策略。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證Fig.2 Grid independence test

1.4 通風(fēng)性能評價

為分析研究結(jié)果，引入排污效率Ec，Ec能夠反映空氣分布對污染物的移除能力[23-24]，如式(1)所示。

(1)

式中：Ce為出口污染物質(zhì)量濃度，mg/m3；Cs為送風(fēng)口污染物質(zhì)量濃度，mg/m3；Coz為人員活動區(qū)域平均污染物質(zhì)量濃度，mg/m3。

本研究中人員活動區(qū)域是指車間中部距壁面0.5 m，距地板2 m范圍內(nèi)的空間。根據(jù)定義，若污染物和空氣完全混合，Ec=1，Ec越高，通風(fēng)系統(tǒng)的污染物排除性能越好。

2 實驗驗證

測量車間前部、中部和后部三個位置(圖1中，線1：x=26 m、z=-51 m；線2：x=78 m、z=-25 m；線3：x=149 m、z=-11 m)處的垂直溫度，并與模擬結(jié)果作對比驗證模型的準(zhǔn)確性。其中，測點布置高度為1、2、3、4、5 m，通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)溫度為18 ℃，其它設(shè)置與案例1設(shè)置相同。模型驗證結(jié)果如圖3所示，模擬所得溫度分布與實驗測得的結(jié)果具有較好的一致性，模擬較為準(zhǔn)確，模型可以用于評估通風(fēng)系統(tǒng)性能。

圖3 模型驗證Fig.3 Model validation

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同通風(fēng)系統(tǒng)下污染物分布及流場分布對比

三種類置換通風(fēng)系統(tǒng)下距車間地板1.5 m高處PM2.5質(zhì)量濃度分布如圖4所示。由圖4可知，三種系統(tǒng)的送風(fēng)口及熱源(同時也是污染源)在車間分布較為均勻，整個車間并未出現(xiàn)明顯的不均勻現(xiàn)象。此外，送風(fēng)口高度對污染物的分布存在顯著影響，因為相比于S1系統(tǒng)，S2和S3系統(tǒng)送風(fēng)口至人員活動區(qū)距離更近，在車間底部可以形成更加清潔的區(qū)域。

圖4 距地板1.5 m高處(y=1.5 m)污染物分布Fig.4 Pollutants distribution at a hight of 1.5 m from the floor (y=1.5 m)

不同工況下的活動區(qū)域(1.5 m高處)和房間平均PM2.5污染物質(zhì)量濃度如圖5所示。隨著通風(fēng)量的降低，房間污染物質(zhì)量濃度上升。各工況下，房間1.5 m高度的污染物質(zhì)量濃度均小于房間平均污染物質(zhì)量濃度，說明存在房間污染物的分層現(xiàn)象。在送風(fēng)量為130 m3/s時，S2和S3系統(tǒng)的人員活動區(qū)域污染物質(zhì)量濃度為S1系統(tǒng)的60.2%和50.8%。在送風(fēng)量為65 m3/s時，降低排風(fēng)口高度可以使人員活動區(qū)域污染物質(zhì)量濃度大幅下降，S2和S3系統(tǒng)的人員活動區(qū)域污染物質(zhì)量濃度為S1系統(tǒng)的47.2%和30.0%。在送風(fēng)量為130 m3/s時，S2和S3系統(tǒng)的人員活動區(qū)域污染物質(zhì)量濃度為S1系統(tǒng)的60.2%和50.8%。在送風(fēng)量為19 m3/s時，降低排風(fēng)口高度對減低人員活動區(qū)污染的能力有限，S2和S3系統(tǒng)的人員活動區(qū)域污染物質(zhì)量濃度為S1系統(tǒng)的66.0%和72.7%。在風(fēng)量為130 m3/s、65 m3/s時，S2和S3系統(tǒng)可以使人員活動區(qū)達(dá)到NIOSH(美國國家職業(yè)安全與健康研究)所推薦的車間油霧質(zhì)量濃度限值0.5 mg/m3以下[25]，如圖5中紅線所示。綜上所述，通過降低排風(fēng)口高度可以使車間人員活動區(qū)污染物降低26.3%～70%，有利于降低工人呼吸暴露水平。

圖5 車間污染物質(zhì)量濃度分布Fig.5 Mass concentration distribution of pollutants in the workshop

氣流組織分布，送風(fēng)量及送風(fēng)方向是影響室內(nèi)污染物分布及排出效率的3個重要因素。不同的送風(fēng)高度及送風(fēng)方向形成不同的氣流組織。圖6所示為三種類置換通風(fēng)系統(tǒng)在風(fēng)量為130 m3/s時(案例1、4、7)在中間截面x=63 m處的氣流組織分布。由圖6(a)可知，S1中兩個相對的風(fēng)口提供的氣流在車間中部發(fā)生碰撞，由于兩股氣流的速度高(3.7 m/s)且大小相當(dāng)，所以碰撞點在風(fēng)口連線的中間，氣流發(fā)生碰撞后，速度發(fā)生衰減并向四周擴(kuò)散，由于氣流受到負(fù)浮力的影響，大部分氣流涌向人員活動區(qū)。但風(fēng)口距離人員活動區(qū)較遠(yuǎn)，清潔空氣流經(jīng)的路徑較長，存在被污染風(fēng)險。由圖6(b)可知，S2系統(tǒng)中風(fēng)口提供的氣流直接送入人員活動區(qū)，氣流發(fā)生碰撞后向四周流動，但由于地板及機(jī)器的阻擋，氣流主要向上流動。該通風(fēng)方式能夠有效將清潔空氣送至人員活動區(qū)，但同樣存在風(fēng)速過高的缺點。由圖6(c)可知，S3系統(tǒng)中風(fēng)口提供的氣流首先與地板發(fā)生碰撞，速度發(fā)生衰減，隨后氣流貼附著地板流動，最后與來自不同風(fēng)口的氣流在地板附近發(fā)生交匯。該通風(fēng)方式綜合了S1和S2系統(tǒng)的優(yōu)點，既能有效將清潔空氣送至人員活動區(qū)，又能避免人員活動區(qū)風(fēng)速過大。

圖6 車間中間截面x=63 m處氣流組織分布Fig.6 Airflow distribution at the middle section of the workshop at x=63 m

風(fēng)速在影響污染物擴(kuò)散的同時對人員舒適性也會造成影響，因此對三種通風(fēng)系統(tǒng)在人員活動區(qū)的風(fēng)速分布進(jìn)行分析。圖7所示為三種類置換通風(fēng)系統(tǒng)在風(fēng)量為130 m3/s時距地面1.5 m高截面處的風(fēng)速分布。由圖7(a)可知，雖然S1系統(tǒng)的送風(fēng)速度達(dá)到6 m/s(超過圖標(biāo)顯示的范圍1.5 m/s)，但由于送風(fēng)口位置較高，送風(fēng)射流不斷卷吸車間空氣使送風(fēng)射流在到達(dá)人員活動區(qū)時風(fēng)速小于0.5 m/s，不易引起人員的不舒適[26]。S2系統(tǒng)流場分布如圖7(b)所示，冷空氣直接以3.4 m/s的高速送入人員活動區(qū)，在車間底部形成高風(fēng)速的低溫區(qū)域，可能引起人員的不適。S2系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)置換通風(fēng)系統(tǒng)類似，對室內(nèi)余熱的處理能力是有限的，特別是對于冷負(fù)荷較高的工廠車間環(huán)境。S3系統(tǒng)運行時車間底部1.5 m處風(fēng)速如圖7(c)所示。S3系統(tǒng)利用碰撞射流的形式向車間底部送風(fēng)，高速的向下射流首先與地板碰撞，然后向四周擴(kuò)散，在車間底部形成清潔的“空氣湖”，該送風(fēng)方式向車間提供的風(fēng)量大，且不易形成吹風(fēng)感，對于高熱高污染的工廠環(huán)境較為適用。

圖7 距地板1.5 m高處(y=1.5 m)空氣速度分布Fig.7 Air velocity distribution at a height of 1.5 m from the floor (y=1.5 m)

3.2 送風(fēng)量對污染物分布的影響

相比于S1系統(tǒng)，S2和S3系統(tǒng)均具備更好的污染物控制能力。相比于S3系統(tǒng)，S2系統(tǒng)在人員舒適性方面略差。因此在整體性能方面，認(rèn)為S3系統(tǒng)最佳，既能有效控制污染物，又不易造成人員吹風(fēng)感。通風(fēng)系統(tǒng)可能在不同送風(fēng)狀況下運行，因此分析S3系統(tǒng)在不同風(fēng)量下的污染物分布。圖8所示為S3系統(tǒng)在不同風(fēng)量下污染物在截面(x=40/115/170 m，z=-30 m)上的分布。由圖8可知，污染物在車間內(nèi)會形成分層，車間底部污染源散發(fā)的油霧顆粒被熱源形成的向上氣流帶到頂棚附近，進(jìn)而被排風(fēng)系統(tǒng)排出室外。同時，隨著S3系統(tǒng)送風(fēng)量的降低，車間的污染物質(zhì)量濃度逐漸升高，因為風(fēng)量降低會使更多污染物滯留在車間。當(dāng)送風(fēng)量從130 m3/s降至65 m3/s時，車間底部人員活動區(qū)污染物質(zhì)量濃度并未發(fā)生顯著變化，即案例7和案例8人員活動區(qū)污染物質(zhì)量濃度相近，這可能是由于案例7送風(fēng)量過大，將部分向上污染物帶回至人員活動區(qū)造成的。

圖8 S3在不同風(fēng)量下污染物在截面(x=40/115/170 m,z=-30 m)上的分布Fig.8 Pollutant distribution on the cross-sections (x=40/115/170 m,z=-30 m) under different air volumes of S3

3.3 排污效率

風(fēng)口布局、熱源分布及送風(fēng)量對通風(fēng)系統(tǒng)的排污效率有顯著影響。三種類置換通風(fēng)系統(tǒng)的排污效率如圖9所示。三種類置換通風(fēng)系統(tǒng)的排污效率均大于1，表明車間上部排風(fēng)口處的污染物質(zhì)量濃度高于車間下部，形成了濃度分層。S1系統(tǒng)排污效率顯著低于S2和S3系統(tǒng)，對于S1系統(tǒng)，隨送風(fēng)量Q的降低，排污效率逐漸上升，這可能是由于通風(fēng)量越大，送風(fēng)冷射流與車間底部熱源形成的羽流作用越強(qiáng)，更多的污染物被帶至人員活動區(qū)。對于S2和S3系統(tǒng)，隨送風(fēng)量Q的降低，排污效率先上升后下降，當(dāng)通風(fēng)量過大，射流與周圍向上污染物作用越強(qiáng)，卷吸至人員活動區(qū)污染物越多；而當(dāng)風(fēng)量過小，送風(fēng)射流并不能有效清除人員活動區(qū)污染物，圖5(a)也清楚地說明了這一點；當(dāng)送風(fēng)量由65 m3/s升至130 m3/s時，車間底部人員活動區(qū)污染物質(zhì)量濃度并未降低，而車間上部排風(fēng)口處污染物質(zhì)量濃度降低，使排污效率降低。

圖9 三種類置換通風(fēng)系統(tǒng)在三個風(fēng)量下的排污效率Fig.9 Ventilation efficiency of three displacement-like ventilation systems under three flow rates

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法對某機(jī)械加工車間三種類置換通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)性能進(jìn)行研究。研究了送風(fēng)風(fēng)量對三種類置換通風(fēng)系統(tǒng)下車間流場和污染物分布的影響，現(xiàn)場實驗驗證了模擬的準(zhǔn)確性。得到如下結(jié)論：

1)三種類置換通風(fēng)系統(tǒng)的排污效率均大于1，通風(fēng)系統(tǒng)在車間均形成了濃度分層。油霧顆粒被熱源形成的向上的熱羽流運送至車間上部然后通過排風(fēng)口排出。

2)相比于S1系統(tǒng)，S2和S3系統(tǒng)具有更佳的污染物控制能力，通過降低排風(fēng)口高度可以使車間人員活動區(qū)污染物降低26.3%～70%。但S2系統(tǒng)容易造成人員不適，綜合評比S3系統(tǒng)具有較好的污染物控制能力且不易造成吹風(fēng)感，適用于高溫高污染廠房的通風(fēng)。

3)S3系統(tǒng)的排污效率受送風(fēng)量的影響，過高或過低的送風(fēng)量都會造成S3系統(tǒng)的排污效率降低。在通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)選擇合理的送風(fēng)風(fēng)量。

本文受江蘇省自然科學(xué)基金(BK20150197)資助。(The project was supported by the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (No.BK20150197).)