林大建 馬淋淋 姜鑫

(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

木制家具生產(chǎn)過程中，往往會(huì)進(jìn)行噴漆處理，噴漆過程中產(chǎn)生的甲苯等有害物質(zhì)不僅會(huì)對(duì)人體、空氣、水環(huán)境造成污染[1]。對(duì)木制家具噴漆房進(jìn)行氣流組織優(yōu)化研究，并提出有效方案，就可采取針對(duì)性的措施來減少其帶來的危害。

傳統(tǒng)氣流組織優(yōu)化研究往往采取現(xiàn)場測量采樣和實(shí)驗(yàn)分析的方法，檢測環(huán)境存在危險(xiǎn)，因測點(diǎn)較多而耗費(fèi)時(shí)間與人力，且數(shù)據(jù)受多種因素的影響而無法保證其準(zhǔn)確性[2]?，F(xiàn)如今，對(duì)室內(nèi)氣流組織污染擴(kuò)散問題的研究已成為熱門，CFD方法模擬時(shí)間短、成本低，且易于實(shí)現(xiàn)多種工況，被大量學(xué)者應(yīng)用于對(duì)氣流組織的優(yōu)化研究[3-4]。蔣明輝[5]基于CFD方法結(jié)合正交試驗(yàn)對(duì)車輛在裝料時(shí)產(chǎn)生的揚(yáng)塵進(jìn)行了模擬，采用k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，拉格朗日離散相模型用作兩相流模型，對(duì)正交數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，對(duì)現(xiàn)有塵源控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，并且達(dá)到了符合預(yù)期的治理效果。李瑞[6]采用CFD數(shù)值仿真模擬，基于優(yōu)化的機(jī)柜模型，對(duì)不同形式下的氣體環(huán)境進(jìn)行了分析，針對(duì)不同影響因素獲得每個(gè)因素的最優(yōu)工況，最后通過正交分析得出整體最優(yōu)方案，有效解決了機(jī)房制冷能耗、優(yōu)化數(shù)據(jù)中心氣流組織的問題。徐麗等[7]采用k-ε粘性湍流模型和Navier-Stokes方程并結(jié)合CFD方法，對(duì)房間中污染物CO2的濃度進(jìn)行仿真研究，對(duì)3種不同的通風(fēng)方案進(jìn)行對(duì)比，得出了提高空氣品質(zhì)和通風(fēng)效率的最優(yōu)通風(fēng)方案。李思師等[8]以傳統(tǒng)辦公室為研究模型，提出用豎直貼附射流結(jié)合導(dǎo)流板的新送風(fēng)形式，對(duì)不同影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過對(duì)比不同工況下氣流組織的流場及溫度場分布規(guī)律，得出了既滿足舒適性又保證通風(fēng)效果的導(dǎo)流板優(yōu)化方案。

文中采用ICEM建立物理模型，導(dǎo)入FLUENT進(jìn)行參數(shù)設(shè)定并求解，把噴涂過程中甲苯擴(kuò)散的過程作為研究對(duì)象，在不同通風(fēng)量、排風(fēng)口高度、排風(fēng)口位置、通風(fēng)口形狀的工況下，結(jié)合CFD方法，研究其分布規(guī)律，把垂直、水平控制面上污染物的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)和平均速度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過方差分析并綜合考慮勞動(dòng)者舒適性等因素，對(duì)木制家具涂裝過程中影響通風(fēng)效率的因素進(jìn)行正交設(shè)計(jì)。

1 模型的建立

模擬的過程為室內(nèi)污染物的擴(kuò)散過程，在不影響模擬結(jié)果的前提下，需對(duì)相關(guān)條件進(jìn)行必要假設(shè)：連續(xù)性介質(zhì)、非穩(wěn)態(tài)湍流、無化學(xué)反應(yīng)、t=0時(shí)污染物濃度為零。室內(nèi)污染物擴(kuò)散屬于流體流動(dòng)的范疇，因此應(yīng)遵循流體流動(dòng)基本物理守恒定律，包括：質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、組分守恒定律。

以某家具廠涂裝過程中化學(xué)揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)擴(kuò)散作為數(shù)值模擬研究對(duì)象,通過室內(nèi)甲苯擴(kuò)散速度場、濃度場的數(shù)據(jù)來研究其擴(kuò)散規(guī)律并設(shè)計(jì)正交方案進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)《涂裝作業(yè)安全規(guī)程 涂漆工藝安全及其通風(fēng)凈化》(GB 6514—2008)，可知噴漆過程中化學(xué)揮發(fā)性有機(jī)物含量約占油漆總量的0.65。物理模型選擇常規(guī)噴漆房模型(見圖1)，室內(nèi)濕度、壓力、溫度等參數(shù)采用默認(rèn)值,污染物散發(fā)源為油漆噴槍，噴槍噴射速度最大可達(dá)4.248 kg/h，在噴漆過程中C7H8有組織擴(kuò)散速度約0.167 kg/h，占污染物濃度的3.93%。模型的具體參數(shù)見表1。

2 甲苯分布規(guī)律的模擬分析

家具制造業(yè)手動(dòng)噴漆房通風(fēng)設(shè)施技術(shù)規(guī)程對(duì)室內(nèi)污染物監(jiān)測點(diǎn)做出相關(guān)要求：通風(fēng)形式為上送下排時(shí)，地面標(biāo)高為0 m，取1.5 m處(即z=1.5 m)水平截面為控制面；通風(fēng)形式為上送側(cè)排時(shí)，取涂裝作業(yè)人員所在位置(即x=3.05 m)垂直截面為控制面。

1—出口；2—光源；3—噴漆臺(tái)；4—通風(fēng)口；5—收集池； 6—水簾幕板；7—排風(fēng)口。

表1 模型具體參數(shù)

2.1 初始設(shè)置情況下的甲苯分布

本次研究初始設(shè)置條件：送風(fēng)量為8.0×103m3/h，排風(fēng)口為0.64 m2(正方形)，排風(fēng)口標(biāo)高0.2 m。初始設(shè)置條件下，甲苯分布見圖2。當(dāng)室內(nèi)甲苯擴(kuò)散基本平穩(wěn)時(shí)，垂直、水平控制面上甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.54×10-5(質(zhì)量濃度為1.89×10-2g/m3)、1.30×10-5(質(zhì)量濃度為1.59×10-2g/m3)；平均速度分別為0.50、0.46 m/s。

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

2.2 改變通風(fēng)量

通風(fēng)量的大小會(huì)直接影響甲苯的擴(kuò)散速度及濃度分布。保持通風(fēng)口尺寸一致，改變通風(fēng)量大小，研究3種不同的工況下氣流組織分布情況。通風(fēng)量為1.0×104m3/h時(shí)，甲苯分布見圖3。室內(nèi)甲苯擴(kuò)散基本穩(wěn)定時(shí)，垂直、水平控制面上甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為7.89×10-6(質(zhì)量濃度9.7×10-3g/m3)、6.23×10-6(質(zhì)量濃度7.6×10-3g/m3)；平均速度分別為0.63、0.51 m/s。通風(fēng)量為1.2×104m3/h時(shí)，噴漆房內(nèi)甲苯擴(kuò)散基本穩(wěn)定時(shí)，垂直、水平控制面上甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.38×10-6(質(zhì)量濃度5.4×10-3g/m3)、2.59×10-6(質(zhì)量濃度3.12×10-3g/m3)；平均速度分別為0.79、0.66 m/s。

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

對(duì)比分析3種工況下甲苯速度場、濃度場的變化：當(dāng)送風(fēng)量由8.0×103m3/h增至到1.0×104m3/h時(shí)，甲苯的濃度出現(xiàn)快速降低趨勢，擴(kuò)散速度加快；當(dāng)送風(fēng)量1.0×104m3/h增至1.2×104m3/h時(shí)，甲苯濃度呈現(xiàn)緩慢降低趨勢，擴(kuò)散速度加快?？芍谝欢ǚ秶鷥?nèi)增大通風(fēng)量可降低室內(nèi)污染物濃度，但通過增加通風(fēng)量來降低污染物濃度具有一定局限性，當(dāng)通風(fēng)量達(dá)到一定值后，增加通風(fēng)量后噴漆房內(nèi)污染物濃度下降趨勢緩慢。各工況下控制面濃度均為可接受范圍，但當(dāng)作業(yè)人員周圍風(fēng)速過大時(shí)會(huì)影響其勞動(dòng)舒適感(風(fēng)速應(yīng)控制在0.3～0.5 m/s)，故通風(fēng)量為8.0×103m3/h時(shí)通風(fēng)效果最優(yōu)。

2.3 改變排風(fēng)口高度

排風(fēng)口距地面高度會(huì)直接影響噴漆房內(nèi)通風(fēng)效率。本次模擬取排風(fēng)口標(biāo)高為0.1、0.2、0.3 m等3種工況，對(duì)甲苯擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行分析。排風(fēng)口標(biāo)高0.1 m時(shí)，甲苯分布云圖見圖4。室內(nèi)甲苯擴(kuò)散基本穩(wěn)定后，垂直、水平控制面上甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.60×10-5(質(zhì)量濃度1.96×10-2g/m3)、9.89×10-6(質(zhì)量濃度1.21 ×10-2g/m3)；平均速度分別為0.55、0.40 m/s。排風(fēng)口標(biāo)高0.3 m時(shí)，室內(nèi)甲苯擴(kuò)散基本穩(wěn)定后，垂直、水平控制面上甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.49×10-5(質(zhì)量濃度1.82×10-2g/m3)、9.95×10-6(質(zhì)量濃度1.22×10-2g/m3)；平均速度分別為0.55、0.41 m/s。

對(duì)比分析可認(rèn)為：排風(fēng)口標(biāo)高0.3 m時(shí)，污染物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)較另外兩種工況略小。隨著排風(fēng)口標(biāo)高增加，甲苯濃度降低，控制面風(fēng)速上升，室內(nèi)通風(fēng)效果更好。綜合考慮控制面上平均質(zhì)量濃度及勞動(dòng)者作業(yè)舒適度的要求，認(rèn)為排風(fēng)口標(biāo)高0.2 m時(shí)通風(fēng)效果更好。

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

2.4 改變排風(fēng)口位置

當(dāng)室內(nèi)排風(fēng)口位置發(fā)生改變時(shí)，室內(nèi)甲苯擴(kuò)散規(guī)律也會(huì)發(fā)生變化。本次分析取排風(fēng)口距離左墻3.5、5.0、6.5 m等3種工況下甲苯分布情況。排風(fēng)口距左墻3.5 m時(shí)，甲苯分布云圖見圖5。室內(nèi)甲苯擴(kuò)散基本穩(wěn)定時(shí)，垂直、水平控制面上甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6.59×10-6(質(zhì)量濃度8.07×10-3g/m3)、6.75×10-6(質(zhì)量濃度8.27×10-3g/m3)；平均速度分別為0.68、0.47 m/s。排風(fēng)口距左墻3.5 m時(shí)，室內(nèi)甲苯擴(kuò)散基本穩(wěn)定時(shí)，垂直、水平控制面上甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.49×10-5(質(zhì)量濃度1.83×10-2g/m3)、1.10×10-5(質(zhì)量濃度1.35×10-2g/m3)；平均速度分別為0.45、0.46 m/s。

對(duì)比可知，當(dāng)噴漆房內(nèi)甲苯擴(kuò)散基本穩(wěn)定時(shí)，排風(fēng)口與左墻距離由3.5 m增大到5.0 m時(shí)，控制面周圍的甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，風(fēng)速降低；排風(fēng)口與左墻距離由5.0 m增大到6.5 m時(shí)，控制面附近甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)少量降低，風(fēng)速降低。分析后可認(rèn)為工況一通風(fēng)效果更佳。

2.5 改變通風(fēng)口形狀

對(duì)于噴漆房內(nèi)污染物擴(kuò)散，通風(fēng)口的形狀也同樣起到重大影響作用。本次模擬取通風(fēng)口形狀分別為長方形(3.2 m×0.2 m)、正方形(0.8 m×0.8 m)、圓形(R=0.9 m)條件下，研究室內(nèi)甲苯擴(kuò)散規(guī)律。

通風(fēng)口形狀為長方形時(shí)，甲苯分布云圖見圖6。室內(nèi)甲苯擴(kuò)散基本穩(wěn)定時(shí)，垂直、水平控制面上甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.21×10-5(質(zhì)量濃度1.48×10-2g /m3)、1.68×10-5(質(zhì)量濃度2.06×10-2g /m3)；平均速度分別為0.41、0.37 m/s。

通風(fēng)口形狀為圓形時(shí)，甲苯分布云圖見圖7。室內(nèi)甲苯擴(kuò)散基本穩(wěn)定時(shí)，垂直、水平控制面上污染物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.60×10-5(質(zhì)量濃度1.96×10-2g/m3)、1.07×10-5(質(zhì)量濃度1.31×10-2g/m3)；平均速度分別為0.57、0.48 m/s。

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

對(duì)比圖2、圖6、圖7可認(rèn)為：通風(fēng)口形狀為圓形時(shí)室內(nèi)污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于另外兩種情況；通風(fēng)口形狀對(duì)甲苯運(yùn)動(dòng)速度影響程度：圓形>正方形>長方形。通風(fēng)口形狀為正方形時(shí)，控制面上污染物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。綜合考慮控制面上平均質(zhì)量濃度及勞動(dòng)者作業(yè)舒適度的要求，通風(fēng)口形狀為正方形狀時(shí)通風(fēng)效果最優(yōu)。

3 基于正交方案的氣流組織優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文選定4個(gè)因素、3個(gè)等級(jí)，采用正交方案設(shè)計(jì)，按正交表為L9(34)=4×(3-1)+1=9種。

3.1 編制方案

結(jié)合單一因素對(duì)噴漆房內(nèi)氣流組織的影響，針對(duì)各單一影響因素及各工況進(jìn)行正交性分析，制定正交方案因素等級(jí)表，設(shè)計(jì)方案及方案結(jié)果見表2。

表2 設(shè)計(jì)方案及方案結(jié)果

續(xù)表2

基于正交方案對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，在進(jìn)行檢驗(yàn)顯著性前，可通過設(shè)置低影響因素為誤差項(xiàng)來提高F檢驗(yàn)的靈敏性。通過在2.5節(jié)對(duì)通風(fēng)口形狀分析可知通風(fēng)口形狀對(duì)室內(nèi)通風(fēng)影響較低，在此將通風(fēng)口形狀設(shè)為誤差項(xiàng)，方差分析見表3。

表3 方差分析

從表3可以看出，4種因素對(duì)噴漆房內(nèi)污染物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響顯著性低；排風(fēng)口位置對(duì)甲苯平均速度的影響的顯著性高于其他因素。兩組方案指標(biāo)的優(yōu)水平一致，得出對(duì)室內(nèi)甲苯擴(kuò)散影響程度的大?。号棚L(fēng)口距左墻位置>排風(fēng)口標(biāo)高>通風(fēng)量>通風(fēng)口形狀，優(yōu)組合方案數(shù)據(jù)： 1.0×104m3/h、5.0 m、0.2 m、長方形。

3.2 氣流組織優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

基于正交方案設(shè)計(jì)并進(jìn)行方差分析得出氣流組織優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，但其真正通風(fēng)效果仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。由圖8可以看出，噴漆房內(nèi)甲苯擴(kuò)散基本穩(wěn)定時(shí)， 垂直、水平控制面上甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.75×10-5(質(zhì)量濃度2.14×10-2g/m3)、9.33×10-6(質(zhì)量濃度1.14×10-2g/m3)；平均速度分別為0.45、0.37 m/s。

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

通過對(duì)比初始設(shè)置條件下及優(yōu)化方案條件下垂直、水平控制面上甲苯分布云圖，可知前者垂直控制面上甲苯濃度略低，后者水平控制面甲苯濃度略低，但前者平均速度處于勞動(dòng)者舒適度要求速度范圍的臨界值附近，選取最優(yōu)方案時(shí)，通風(fēng)要求及作業(yè)人員舒適度均需考慮。綜合考慮后可認(rèn)為后者更符合現(xiàn)實(shí)要求。

4 結(jié)論

(1)本文利用CFD模擬研究噴漆房內(nèi)通風(fēng)量、排風(fēng)口高度、排風(fēng)口位置、通風(fēng)口形狀等因素對(duì)污染物擴(kuò)散的影響。在噴涂油漆過程中污染物釋放量一定條件下，各單一因素的改變均會(huì)改變污染物擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過對(duì)木制家具涂裝過程中氣流組織擴(kuò)散規(guī)律分析，得出單組最優(yōu)解。

(2)基于正交設(shè)計(jì)并對(duì)噴涂過程中影響污染物擴(kuò)散的因素進(jìn)行方差分析及綜合考慮勞動(dòng)者作業(yè)舒適度的角度提出了氣流組織優(yōu)化方案數(shù)據(jù)：通風(fēng)量1.0×104m3/h、排風(fēng)口距左墻5.0 m、排風(fēng)口標(biāo)高0.2 m、通風(fēng)口形狀為長方形。

(3)CFD模擬方法在保證模擬數(shù)據(jù)可靠性前提下進(jìn)行多因素多水平組合模擬，對(duì)提高室內(nèi)通風(fēng)效率方面有著重要的指導(dǎo)意義，對(duì)噴涂工藝過程提出可量化、易實(shí)現(xiàn)的措施，為企業(yè)提高噴漆房內(nèi)通風(fēng)效率，降低勞動(dòng)者職業(yè)危害提供了參考性建議。