董世豪 周超輝 張軍 倪龍 馬世君 管仲海

1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院

2 寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3 天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院

4 河南乾豐暖通科技股份有限公司

0 引言

焊接是汽車制造過程中的重要環(huán)節(jié)，但是我國焊接車間的焊煙濃度達(dá)標(biāo)率不足10%[1-2]，而車間冬季采用自然或機(jī)械通風(fēng)會使車間溫度過低，也很難得到合理的氣流組織，因此，如何在有效排除焊煙的同時保證車間工作環(huán)境的舒適度，成為了一個難題。部分學(xué)者已經(jīng)針對焊接、印刷、冶煉等[3]各類車間環(huán)境開展了研究，分析了污染物擴(kuò)散與分布模式[4]，提出了合適的通風(fēng)或供暖方式[5-6]?，F(xiàn)有研究大多僅針對焊煙分布規(guī)律[7-8]、焊煙排除方式[9-10]、車間送風(fēng)供暖方式[11]等進(jìn)行單獨(dú)研究，極少有人綜合考慮熱風(fēng)供暖的送風(fēng)角度、速度、高度、溫度等多參數(shù)的影響，并詳細(xì)論證不同參數(shù)對供暖效果和除塵兩方面的雙重影響。

為了解決焊接車間焊煙濃度超標(biāo)和冬季溫度過低的問題，本文采用數(shù)值模擬方法，對鄭州某客車焊接車間進(jìn)行了研究。通過調(diào)節(jié)百葉窗進(jìn)風(fēng)角度，增設(shè)全新風(fēng)熱風(fēng)供暖系統(tǒng)并改變其參數(shù)，分析其對車間環(huán)境的影響，并探究機(jī)械通風(fēng)對業(yè)環(huán)境的改善效果。

1 研究對象

本文研究對象為鄭州某客車骨架焊接車間，長300 m，寬48 m，高10.5 m，冬季室內(nèi)供暖設(shè)計(jì)溫度為12 ℃，目前采用燃?xì)廨椛涔┡＼囬g通過機(jī)械排風(fēng)除塵，這就導(dǎo)致冬季冷風(fēng)侵入嚴(yán)重，車間溫度低至6 ℃，局部風(fēng)速高達(dá)6 m/s，嚴(yán)重影響作業(yè)人員舒適度。

圖1 是車間焊接工位平面圖，焊接工位在寬度方向上對稱，長度方向上為相同布局的工位重復(fù)多次，因此，選取圖中虛線框區(qū)域?yàn)榇韰^(qū)域（24 m×12.5 m）進(jìn)行研究。研究區(qū)域中黑色加粗方框?yàn)楹附庸の唬の灰豢拷髠?cè)窗和墻，工位二靠近中軸線，兩工位中間為兩個大頂蒙皮完工儲存區(qū)域。根據(jù)實(shí)地調(diào)研與分析，提出新的供暖方式：采用全新風(fēng)熱風(fēng)供暖系統(tǒng)，熱源為燃?xì)猓捎脟娍谒惋L(fēng)將熱風(fēng)送至焊接工位。

圖1 焊接工位研究區(qū)域平面圖

2 模型分析與建立

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

對圖1 中研究區(qū)域的焊接工位及周邊環(huán)境進(jìn)行建模，得到的物理模型如圖2 所示，幾何尺寸為12.5 m×24 m×10.5 m。送風(fēng)口（噴口）個數(shù)為7 個，安裝高度2.5 m，沿長度方向均勻分布，寬度方向上距離側(cè)墻100 mm。機(jī)械排風(fēng)口共4 個，均為948×948 mm 的正方形，均勻布置于屋頂中部。百葉進(jìn)風(fēng)窗為長方形，共6 個，均勻布置于左側(cè)墻壁。焊點(diǎn)簡化為邊長100 mm的正方體，數(shù)量為7 個，沿長度方向均勻布置于工位中心線，高度根據(jù)實(shí)際客車蒙皮高度布置在1285 mm處。人員簡化成長方體（500×200×1700 mm），統(tǒng)一布置在焊點(diǎn)的一側(cè)，距離焊點(diǎn)800 mm。

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域物理模型

利用ICEM 對模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對送風(fēng)口，機(jī)械排風(fēng)口，百葉進(jìn)風(fēng)窗，焊點(diǎn)以及人員周邊區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證之后，確定保證精度網(wǎng)格數(shù)量為1682946 個，網(wǎng)格質(zhì)量為1，質(zhì)量較好。

2.2 邊界條件設(shè)定與計(jì)算模型選擇

湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，浮升力的影響采用Boussinesq 假設(shè)，對于車間焊煙的擴(kuò)散，輸運(yùn)和分布問題，可以把焊煙的運(yùn)動看成固體顆粒流動，因此采用氣固兩相流混合（Mixture）模型進(jìn)行模擬。全新風(fēng)熱風(fēng)供暖系統(tǒng)送風(fēng)口采用速度入口邊界條件。百葉進(jìn)風(fēng)窗和機(jī)械排風(fēng)口分別設(shè)為壓力入口和壓力出口，進(jìn)風(fēng)百葉窗全壓為0 Pa，冬季進(jìn)風(fēng)溫度設(shè)置為0.1 ℃，湍動長度尺寸46.67 mm。機(jī)械排風(fēng)口全壓設(shè)置為150 Pa，方向垂直于屋頂。其余熱邊界條件見表1。此外，廠家提供資料顯示，每個焊點(diǎn)的焊接煙塵發(fā)塵量約為7 mg/s。

表1 熱邊界條件列表

2.3 模型驗(yàn)證

Chen[15]以如圖3 所示的一個不銹鋼實(shí)驗(yàn)腔體（0.8 m×0.4 m×0.4 m）為研究對象，測試分析了室內(nèi)顆粒物濃度分布規(guī)律，其送風(fēng)口和出風(fēng)口尺寸均為0.04 m×0.04 m。該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與焊接車間內(nèi)焊煙濃度分布問題極為相似，都屬于氣固兩相流，因此采用焊接車間的模擬方法對該腔體進(jìn)行模擬計(jì)算，并將模擬結(jié)果與Chen[15]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從而驗(yàn)證本數(shù)值計(jì)算方案模擬車間通風(fēng)的可行性。

圖3 實(shí)驗(yàn)腔幾何模型圖

圖4 給出了x=0.4 m 和y=0.2 m 兩截面相交線上無量綱顆粒物濃度模擬值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比結(jié)果，可見模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說明本研究的數(shù)值計(jì)算模型精度較高。

圖4 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對比圖

2.4 分析截面、參考線與模擬工況設(shè)置

為方便研究，選取不同參考面和參考線進(jìn)行分析。圖5 給出了研究車間溫度場和風(fēng)速場時分析截面和參考線的位置，X 方向取x=6.25 m 和x=7.25 m 處的截面作為分析截面，并選取工位二作業(yè)人員右側(cè)200 mm處的一條參考線L1，用于分析人所在位置的風(fēng)速和溫度特點(diǎn)。

圖5 溫度場、風(fēng)速場分析截面和參考線位置圖

圖6 給出了研究焊煙度場時分析截面和參考線的位置，X 方向取x=6.25 m 處截面作為分析截面。國家標(biāo)準(zhǔn)[16]規(guī)定人員工作區(qū)域焊接煙塵限值為4 mg/m3，所以在Z（高度）方向取z=1.7 m 截面（人員呼吸帶高度）作為分析截面，用于分析作業(yè)人員處焊煙濃度。參考線取y=4.95 m 和y=21.05 m 兩截面與z=1.7 m 截面的交線L2、L3。

圖6 焊煙濃度場分析截面與參考線位置圖

根據(jù)實(shí)地調(diào)查分析，設(shè)置不同模擬工況，對比單一參數(shù)變化對作業(yè)環(huán)境的影響，研究風(fēng)速場和溫度場時的工況設(shè)置見表2，研究焊煙濃度場時的工況設(shè)置見表3，其中工況1～4 均為只有機(jī)械通風(fēng)的工況，用于對比全新風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)的除塵效果。

表2 風(fēng)速場和溫度場模擬工況設(shè)置

表3 焊煙濃度場模擬工況設(shè)置

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 焊接車間溫度場和風(fēng)速場變化規(guī)律

3.1.1 不同百葉窗進(jìn)風(fēng)角度的模擬分析

圖7（a）、（b）給出了截面x=7.25 m 處的溫度云圖，工況1 從百葉窗進(jìn)入的冷風(fēng)前進(jìn)一段距離后開始下沉，使得大頂蒙皮完工存儲區(qū)域溫度低至5～7 ℃。工況2 冷風(fēng)從百葉窗進(jìn)入車間后斜向上吹，同樣在前進(jìn)一段距離后有下沉趨勢。由圖7（c）、（d）可知，在截面x=6.25 處，兩工況送風(fēng)角度均為斜向下45°吹向作業(yè)區(qū)域，在工位一處，工況1 熱風(fēng)受到來自室外的冷風(fēng)影響，衰減速度較快，熱風(fēng)不能有效吹至作業(yè)區(qū)域。而工況2 受冷風(fēng)影響較小，可以有效提高作業(yè)區(qū)域的溫度。綜上，百葉窗斜向上30°進(jìn)風(fēng)優(yōu)于垂直進(jìn)風(fēng)。

圖7 不同百葉窗進(jìn)風(fēng)角度下的溫度云圖

3.1.2 不同送風(fēng)角度的模擬分析

在工況2、3、4 下（不同送風(fēng)角度），將參考線處的溫度和風(fēng)速進(jìn)行對比，見圖8，送風(fēng)角度斜向下30°時，參考線上溫度和風(fēng)速分布不均勻，溫差可達(dá)8 ℃，會影響人員舒適性。送風(fēng)角度為45°時，參考線位置上溫度在12.5～14.5 ℃之間，波動較小，風(fēng)速在0.4～0.8 m/s 之間，不會出現(xiàn)明顯吹風(fēng)感。送風(fēng)角度60°時，參考線上溫度均低于設(shè)計(jì)溫度12 ℃。因此，送風(fēng)角度45°最優(yōu)。

圖8 參考線L1 溫度、風(fēng)速對比圖（不同送風(fēng)角度）

3.1.3 不同送風(fēng)速度的模擬分析

圖9 給出了不同送風(fēng)速度下，參考線L1 處的溫度和風(fēng)速分布。在工況2、5、6 下，隨送風(fēng)溫度降低，參考線上溫度降低，送風(fēng)速度為9 m/s 時，參考線上溫度在12.5～14.5 ℃之間變化，即作業(yè)人員處溫度高于設(shè)計(jì)溫度且溫度分布均勻。同時，三個工況參考線上風(fēng)速均未超過0.8 m/s，不會有明顯的吹風(fēng)感。因此，送風(fēng)速度為9 m/s 可使工位附近滿足設(shè)計(jì)溫度。

圖9 參考線L1 溫度、風(fēng)速對比圖（不同送風(fēng)速度）

3.1.4 不同送風(fēng)溫度的模擬分析

圖10 給出了不同送風(fēng)溫度下，參考線L1 處的溫度和風(fēng)速分布，作業(yè)人員周邊溫度隨送風(fēng)溫度的降低而降低，且溫度隨高度波動，當(dāng)送風(fēng)溫度為45 ℃時，作業(yè)人員附近溫度超過了設(shè)計(jì)溫度。不同工況下參考線位置上風(fēng)速均在0.15～0.75 m/s 之間波動，風(fēng)速均較低。因此，送風(fēng)溫度45 ℃滿足舒適度要求。

圖10 參考線L1 溫度、風(fēng)速對比圖（不同送風(fēng)溫度）

3.2 焊接車間焊煙濃度場變化規(guī)律

3.2.1 機(jī)械通風(fēng)量對焊煙濃度場的影響規(guī)律

在沒有應(yīng)用全新風(fēng)熱風(fēng)供暖系統(tǒng)時，分析不同機(jī)械通風(fēng)量（工況1～4）對焊煙濃度的影響。由圖11 可知，在z=1.7 m 截面（人員呼吸帶）上，機(jī)械通風(fēng)量越大，平均焊煙濃度越低。四個工況中，焊點(diǎn)周圍焊煙濃度均大于國家限值[16]4 mg/m3，但焊點(diǎn)周圍的焊煙隨氣流迅速消散。四個工況中的焊煙均隨著冷風(fēng)向右漂浮，隨著風(fēng)量的增大，焊煙濃度超過4 mg/m3的范圍逐漸減小。

圖11 不同風(fēng)量機(jī)械通風(fēng)量下焊煙濃度等值線圖（z=1.7 m）

3.2.2 全新風(fēng)熱風(fēng)供暖系統(tǒng)在機(jī)械通風(fēng)背景下對焊煙濃度場的影響

圖12 給出了不同工況下x=6.25 m 截面和z=1.7 m 截面處的焊煙濃度，工況3 和5 相比，采用新的供暖系統(tǒng)后，z=1.7 m 截面上平均焊煙濃度降至0.40 mg/m3，焊接工位二處受到熱風(fēng)氣流影響，焊煙濃度衰減更快。因此，在機(jī)械通風(fēng)量相同的情況下，采用全新風(fēng)熱風(fēng)供暖系統(tǒng)可以有效降低人員呼吸帶高度處的焊煙濃度，且機(jī)械排風(fēng)量為每臺風(fēng)機(jī)20000 m3/h就可使工位周圍煙塵濃度達(dá)標(biāo)。

圖12 不同工況下x=6.25 截面和z=1.7 截面焊煙濃度等值線圖

3.2.3 送風(fēng)速度和送風(fēng)角度對焊接工位處焊煙濃度場的影響

圖13（a）、（b）給出了機(jī)械通風(fēng)量為單臺風(fēng)機(jī)20000 m3/h 時，不同送風(fēng)速度下，參考線上的焊煙濃度值，參考線L2（工位一）處焊煙濃度值最大為2.5 mg/m3，不超過國家標(biāo)準(zhǔn)，隨著送風(fēng)速度的降低，參考線上焊煙濃度出現(xiàn)起伏。參考線L3（工位二）處焊煙濃度值在送風(fēng)速度為7m/s 時可達(dá)到3.25 mg/m3，但不超過4 mg/m3。圖13（c）、（d）給出了機(jī)械通風(fēng)量為單臺風(fēng)機(jī)20000 m3/h 時，不同送風(fēng)角度下參考線上的焊煙濃度值，對于工位一，參考線L2 上焊煙濃度值最大為3.5 mg/m3，不超過國家標(biāo)準(zhǔn)限值4 mg/m3，當(dāng)送風(fēng)角度為60°時，參考線位置上焊煙濃度值出現(xiàn)大的起伏，但是也不超過國家標(biāo)準(zhǔn)限值。對于工位二，參考線L3 上焊煙濃度值不超過3.5 mg/m3，同樣低于國家標(biāo)準(zhǔn)限值。因此，送風(fēng)速度為7～9 m/s，送風(fēng)角度為30°～60°時，焊接工位附近濃度較低，可以滿足要求。

圖13 不同送風(fēng)參數(shù)下參考線上焊煙濃度對比

4 結(jié)論

在焊接車間這類高大廠房內(nèi)采用全新風(fēng)熱風(fēng)供暖系統(tǒng)具有可行性，可以有效改善焊接車間工位局部溫度、風(fēng)速、焊煙濃度等參數(shù)。具體結(jié)論如下：

1）采用全新風(fēng)熱風(fēng)供暖系統(tǒng)時，將百葉窗進(jìn)風(fēng)角度改為斜向上30°，可改善作業(yè)環(huán)境溫度低、風(fēng)速大的問題。全新風(fēng)熱風(fēng)供暖系統(tǒng)送風(fēng)角度為45°時，焊接工位處溫度在12.5～14.5 ℃之間，滿足了設(shè)計(jì)溫度，情況最佳。

2）送風(fēng)速度越小，焊接工位處溫度越低，風(fēng)速也隨之降低，總體上送風(fēng)速度9 m/s 效果最佳。焊接工位處平均溫度隨送風(fēng)溫度的減小而減小，總體上送風(fēng)溫度45 ℃最佳。

3）采用全新風(fēng)熱風(fēng)供暖系統(tǒng)時，機(jī)械排風(fēng)量為每臺風(fēng)機(jī)20000 m3/h 就可使工位周圍煙塵濃度達(dá)標(biāo)。