孔德勝,楊小兵,潘宏杰,3,陳麒麟,4,吳建松,栗 麗

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083; 2.國民核生化災(zāi)害防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100191;3.四川師范大學(xué),四川 成都 610066; 4.武漢理工大學(xué),湖北 武漢 430070)

0 引言

近年來,隨著全球工業(yè)生產(chǎn)能力快速發(fā)展,大量化工廠、油漆廠、冶金廠、皮革廠等相關(guān)制造業(yè)對(duì)于危險(xiǎn)化學(xué)品的需求逐漸加大。危化品在生產(chǎn)、加工、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的二氧化硫氣體會(huì)對(duì)作業(yè)人員生命健康造成很大威脅。二氧化硫(化學(xué)式:SO2)常溫下為無色氣體,有強(qiáng)烈刺激性氣味,是大氣的主要污染物之一,作業(yè)人員在工作中吸入后首先會(huì)損害人體的呼吸系統(tǒng)[1],過量吸入二氧化硫更會(huì)造成人員傷亡[2]。因此,?；沸袠I(yè)相關(guān)人員需要呼吸防護(hù)裝備來保障其身體健康和生命安全[3]。防毒面具屬于呼吸防護(hù)裝備的1種[4],目前廣范應(yīng)用于化工、生物醫(yī)療、消防救援等行業(yè)[5-6]。

防毒面具防護(hù)性能的檢測(cè)與評(píng)價(jià)對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與使用影響重大。在試驗(yàn)研究方面,文獻(xiàn)[7-11]研究了采用假人模型探究防毒面具、安全頭盔的熱舒適性;在使用數(shù)值模擬方法研究方面,文獻(xiàn)[12-13]使用Fluent,CFX等數(shù)值軟件研究了防毒面具整體氣密性以及內(nèi)部流場(chǎng)的分布情況;文獻(xiàn)[14-16]采用數(shù)值模擬方法探究了不同種類的濾毒罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)于內(nèi)部氣流分布的影響;文獻(xiàn)[17-18]采用計(jì)算流體力學(xué)仿真模型相關(guān)方法研究了不同類型濾毒罐內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、氣流分布等相關(guān)參數(shù)變化情況。當(dāng)前,我國對(duì)防毒面具防護(hù)性能的評(píng)價(jià)主要是獨(dú)立檢測(cè)活性炭、濾毒罐、面罩各部件的防護(hù)性能,《呼吸防護(hù) 自吸過濾式防毒面具》(GB 2890-2022)中采用二氧化硫作為過濾件防護(hù)性能檢測(cè)的測(cè)試介質(zhì),并且使用化學(xué)分析法來對(duì)過濾件的防護(hù)時(shí)間進(jìn)行測(cè)定[19]。而美國陸軍埃奇伍德化學(xué)生物中心對(duì)于防毒面具整體防護(hù)性能的研究已建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)[20]。因此,亟需進(jìn)行防毒面具整體防護(hù)性能評(píng)價(jià)裝置與方法的研究,而數(shù)值模擬方法是1種很好的輔助研究方法。

本文通過對(duì)防毒面具檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)艙的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并建立模型,使用數(shù)值仿真工具Fluent軟件模擬不同高度位置的進(jìn)氣孔對(duì)艙內(nèi)SO2體積分?jǐn)?shù)與擴(kuò)散情況的影響,以及凈化裝置對(duì)艙內(nèi)SO2擴(kuò)散的影響,并通過SO2試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬的有效性及可靠性,以期為防毒面具整體防護(hù)性能評(píng)價(jià)裝置與方法提供技術(shù)支撐,并為設(shè)計(jì)符合防毒面具整體防護(hù)性能評(píng)價(jià)的試驗(yàn)艙室提供參考與借鑒。

1 試驗(yàn)艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

1.1 試驗(yàn)艙模型建立與網(wǎng)格劃分

本文使用三維建模軟件完成自吸過濾式防毒面具防護(hù)性能檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)艙的等比例三維模型構(gòu)建,試驗(yàn)艙長寬高均為0.80 m,壁厚為0.01 m,艙內(nèi)部中間放置的半身假人模型用于佩戴被測(cè)的防毒面具,如圖1(a)所示。將建好的模型劃分網(wǎng)格,由于在進(jìn)氣孔附近SO2氣體濃度(以體積分?jǐn)?shù)表示,下同)變化較大,故對(duì)進(jìn)氣孔附近的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理,網(wǎng)格圖如圖1(b)所示。研究試驗(yàn)艙混合氣體最佳的進(jìn)氣孔位置,分別模擬當(dāng)進(jìn)氣孔位于①,②和③ 3處時(shí)艙內(nèi)的SO2濃度分布,進(jìn)氣孔①和③距離最近的試驗(yàn)艙邊界距離為0.2 m,進(jìn)氣孔①,②和③之間為等間距0.2 m。為保證試驗(yàn)安全,試驗(yàn)氣體經(jīng)排氣孔通向凈化裝置,本文同時(shí)研究當(dāng)凈化裝置直接連接于排氣孔Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ 3處時(shí)艙內(nèi)的SO2濃度分布。

圖1 試驗(yàn)艙三維模型及網(wǎng)格劃分Fig.1 3D model and meshing of test chamber

1.2 數(shù)值模型參數(shù)設(shè)定

通過查閱與氣體污染物輸運(yùn)相關(guān)文獻(xiàn)和資料[21],結(jié)合試驗(yàn)艙的具體結(jié)構(gòu),根據(jù)Fluent中湍流和組分輸運(yùn)模型的設(shè)定要求,對(duì)模擬的邊界條件和求解參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,得出在不同進(jìn)氣孔與排氣孔位置條件下試驗(yàn)艙內(nèi)SO2混合氣體的分布情況。具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 計(jì)算方法與條件參數(shù)設(shè)定Table 1 Calculation method and condition parameters setting

1.3 試驗(yàn)艙SO2混合氣體入口高度位置分析

為獲得SO2混合氣體入口高度的最佳位置,使試驗(yàn)艙內(nèi)部測(cè)試氣體分布更為均勻,測(cè)試條件更為理想,防毒面具防護(hù)性能檢測(cè)更為準(zhǔn)確,采用數(shù)值模擬方法研究試驗(yàn)艙測(cè)試氣體進(jìn)氣孔高度對(duì)艙內(nèi)氣體分布的影響。模擬圖1(a)中進(jìn)氣孔分別為①,②和③時(shí),試驗(yàn)艙內(nèi)SO2濃度分布。試驗(yàn)艙的排氣孔選擇Ⅰ,設(shè)置空氣流量為50 L/min,進(jìn)氣孔SO2體積分?jǐn)?shù)為0.05%,不同時(shí)刻的模擬結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,t=40 s時(shí)進(jìn)氣孔周圍SO2體積分?jǐn)?shù)梯度變化較大,試驗(yàn)艙內(nèi)SO2分布不均勻且主要集中于進(jìn)氣孔附近,但隨著時(shí)間的推移,進(jìn)入到試驗(yàn)艙內(nèi)的混合氣體的量逐漸增加,試驗(yàn)艙內(nèi)SO2濃度越來越高,1 200 s后濃度隨時(shí)間變化較小。觀察80 s時(shí)刻的SO2濃度分布情況,對(duì)比3個(gè)進(jìn)氣孔位置可以看到,混合氣體進(jìn)氣孔處于②位置時(shí),由于進(jìn)氣孔正對(duì)人體模型的口腔位置,導(dǎo)致口腔位置濃度較高,會(huì)影響后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果;且當(dāng)進(jìn)氣孔處于③位置時(shí),混合氣體主要集中于試驗(yàn)艙底部,整體濃度分布均勻性相比于①位置較差。因此,模擬結(jié)果表明試驗(yàn)艙混合氣體進(jìn)氣孔高度位于①位置時(shí),SO2混合氣體在試驗(yàn)艙內(nèi)分布更加均勻,更有利于后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 進(jìn)氣孔不同位置下試驗(yàn)艙內(nèi)SO2體積分?jǐn)?shù)Fig.2 SO2 volume fraction in test chamber under different positions of gas inlet

2 不同試驗(yàn)條件下試驗(yàn)艙內(nèi)氣體濃度分布

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

根據(jù)上文結(jié)果確定試驗(yàn)艙進(jìn)氣孔的位置后,重新對(duì)試驗(yàn)艙建模,使用混合罐為試驗(yàn)艙提供測(cè)試氣體。因此,需要表征加上混合罐后艙內(nèi)流場(chǎng)特性與測(cè)試氣體分布情況,同時(shí)研究排氣孔的尾氣凈化裝置對(duì)試驗(yàn)艙內(nèi)SO2擴(kuò)散的影響。試驗(yàn)艙尺寸同上,艙體與混合罐之間的連接管直徑為0.008 m,距上邊界0.25 m,距右邊界0.2 m。人體模型安裝于試驗(yàn)艙內(nèi),人體模型內(nèi)部口部與試驗(yàn)艙底部的呼吸機(jī)連接,從而模擬人體呼吸。

試驗(yàn)艙裝置三維模型如圖3所示。將建好的模型導(dǎo)入Workbench中劃分網(wǎng)格,結(jié)果如圖4所示。進(jìn)一步對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行研究,分析試驗(yàn)艙內(nèi)SO2濃度達(dá)到穩(wěn)定需要的時(shí)間,以及合理的SO2進(jìn)氣量。

圖3 試驗(yàn)艙整體模型Fig.3 Overall model of test chamber

圖4 試驗(yàn)艙網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid division of test chamber

2.2 計(jì)算模型的參數(shù)設(shè)定

結(jié)合試驗(yàn)艙的具體結(jié)構(gòu),根據(jù)Fluent中湍流和組分輸運(yùn)模型的設(shè)定要求,對(duì)模擬的邊界條件和求解參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,得出在試驗(yàn)艙不同進(jìn)氣流量和出口阻力條件下的SO2分布情況。具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameters setting

2.3 試驗(yàn)裝置流場(chǎng)模擬分析

在使用混合罐為試驗(yàn)艙提供測(cè)試氣體后,設(shè)定混合罐內(nèi)部測(cè)試氣體SO2的體積分?jǐn)?shù)為0.05%,對(duì)整個(gè)試驗(yàn)裝置內(nèi)的流場(chǎng)和SO2濃度場(chǎng)進(jìn)行模擬研究,研究試驗(yàn)裝置內(nèi)的速度大小、壓力分布和SO2濃度分布,模擬結(jié)果如圖5所示,具體分析如下。

1)由于混合罐和試驗(yàn)艙之間的連接管直徑較小,管內(nèi)的流速要遠(yuǎn)大于混合罐和試驗(yàn)艙,高速氣流主要位于管內(nèi);且由于從連接管流出的氣流速度較大,會(huì)形成射流,帶動(dòng)周圍氣體擾動(dòng),在混合罐進(jìn)氣管和試驗(yàn)艙進(jìn)氣管出口都能看到明顯的射流區(qū)域。

2)混合罐和試驗(yàn)艙之間的連接管直徑較小,導(dǎo)致試驗(yàn)裝置的高壓區(qū)域主要集中于混合罐內(nèi),與大氣壓的差值在100 Pa以上;試驗(yàn)艙內(nèi)壓力較低,約為平均大氣壓。在該模型下,試驗(yàn)裝置內(nèi)SO2濃度分布基本均勻,其體積分?jǐn)?shù)能穩(wěn)定在0.04%～0.05%之間。

2.4 凈化裝置對(duì)試驗(yàn)艙內(nèi)SO2擴(kuò)散的影響

本文對(duì)使用混合罐后的試驗(yàn)艙內(nèi)壓力與SO2濃度隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化情況進(jìn)行模擬分析。而試驗(yàn)過程使用SO2氣體直接排放會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染,甚至發(fā)生安全事故,因此需對(duì)試驗(yàn)廢氣進(jìn)行處理。而在試驗(yàn)艙排氣孔位置安裝的凈化裝置會(huì)使得排氣孔存在阻力,進(jìn)而會(huì)對(duì)艙內(nèi)流場(chǎng)造成影響,因此需要對(duì)凈化裝置產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。

試驗(yàn)測(cè)得凈化裝置的實(shí)際阻力約為150 Pa。當(dāng)凈化裝置阻力為0 Pa(不安裝凈化裝置)和150 Pa時(shí),觀察試驗(yàn)艙內(nèi)的SO2濃度和壓力分布,試驗(yàn)裝置內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化如圖6～7所示。

圖6 凈化裝置出口阻力為0 Pa裝置內(nèi)壓力隨時(shí)間變化Fig.6 Pressure change over time in test chamber with outlet resistance of purification device as 0 Pa

圖7 凈化裝置出口阻力為150 Pa裝置內(nèi)壓力隨時(shí)間變化Fig.7 Pressure change over time in test chamber with outlet resistance of purification device as 150 Pa

由圖6～7可知,當(dāng)凈化裝置阻力為0 Pa時(shí),整個(gè)試驗(yàn)裝置的壓力大概300 s就可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)凈化裝置阻力為150 Pa時(shí),最初的300 s內(nèi),由于壓力不平衡,試驗(yàn)艙內(nèi)的壓力分布不均勻,大概在600 s時(shí),整個(gè)試驗(yàn)裝置的壓力才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),與不安裝凈化裝置相比,達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間變長。其中,穩(wěn)定狀態(tài)下試驗(yàn)艙內(nèi)相對(duì)壓力為150 Pa。

當(dāng)凈化裝置阻力為0 Pa(不安裝凈化裝置)和150 Pa時(shí),試驗(yàn)裝置內(nèi)SO2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化如圖8～9所示。

圖8 凈化裝置出口阻力為0 Pa時(shí)試驗(yàn)裝置內(nèi)SO2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化Fig.8 Variation of SO2 volume fraction in test chamber over time with outlet resistance of purification device as 0 Pa

圖9 凈化裝置出口阻力為150 Pa時(shí)試驗(yàn)裝置內(nèi)SO2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化Fig.9 Variation of SO2 volume fraction in test chamber over time with outlet resistance of the purification device as 150 Pa

由圖8～9可知,當(dāng)凈化裝置阻力為0 Pa時(shí),整個(gè)試驗(yàn)裝置的SO2體積分?jǐn)?shù)隨著時(shí)間的增加,SO2體積分?jǐn)?shù)逐漸增高,大概1 200 s就可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),保持在0.05%不變。除混合罐下部,其他區(qū)域濃度的均勻性較好,符合試驗(yàn)要求。凈化裝置阻力為150 Pa時(shí),SO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間增加,大概2 100 s才可以達(dá)到0.05%不變。因此,通過模擬結(jié)果可知,在進(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí),為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性,在排氣孔安裝凈化裝置后,要在2 100 s后再開始對(duì)防毒面具防護(hù)性能進(jìn)行檢測(cè)。

2.5 SO2試驗(yàn)驗(yàn)證

本文通過上述模擬分析,確定試驗(yàn)艙的整體結(jié)構(gòu),并完成相關(guān)影響因素的模擬分析,因此結(jié)合試驗(yàn)分析方法對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

自吸過濾式防毒面具整體防護(hù)性能檢測(cè)系統(tǒng)主要由試驗(yàn)艙、混合艙、SO2氣體濃度檢測(cè)儀、凈化裝置等裝置組成。根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果選擇試驗(yàn)艙合適的進(jìn)氣孔位置,隨后將一定濃度的SO2氣體通入混合罐后流向試驗(yàn)艙,同時(shí)使用SO2氣體濃度檢測(cè)儀對(duì)艙內(nèi)頭部附近SO2濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)采用0.01%,0.02%,0.03%,0.04%,0.05% 5組混合氣體SO2體積分?jǐn)?shù)來對(duì)試驗(yàn)艙室內(nèi)部SO2濃度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。結(jié)果表明,在經(jīng)過1 500～1 800 s后,SO2氣體濃度檢測(cè)儀讀數(shù)趨于平衡,試驗(yàn)誤差在可接受范圍內(nèi)。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與上述模擬結(jié)果相近,可為后續(xù)模擬的優(yōu)化與設(shè)備的改進(jìn)提供支撐。

圖10 5種不同體積分?jǐn)?shù)SO2混合氣體試驗(yàn)驗(yàn)證Fig.10 Experimental verification of SO2 gas mixture with five different volume fractions

3 結(jié)論

1)混合氣體的進(jìn)氣孔位置是影響試驗(yàn)艙內(nèi)部SO2體積分?jǐn)?shù)分布的主要原因,且進(jìn)氣孔的高度相比于進(jìn)氣孔距邊界的距離影響更為顯著。設(shè)置進(jìn)氣孔距上邊界為0.2 m時(shí),試驗(yàn)艙內(nèi)部SO2體積分?jǐn)?shù)分布最為均勻,滿足試驗(yàn)要求。

2)排氣孔安裝的凈化裝置的阻力大小是影響試驗(yàn)艙內(nèi)部SO2分布時(shí)間快慢的主要因素,安裝凈化裝置后,需要等待2 100 s后才可以滿足試驗(yàn)所需要求。

3)研究結(jié)果可為自吸過濾式防毒面具檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)的搭建與優(yōu)化提供參考與借鑒,可用于檢測(cè)自吸過濾式防毒面具對(duì)有毒氣體的整體防護(hù)性能,為防毒面具的改進(jìn)優(yōu)化提供參考。