雙熱源作用下側吸罩流場及捕集效率特性研究

王 怡，第五徐濤，黃艷秋

（西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院，陜西 西安 710055）

目前，在鋼鐵冶金、焦化等重工業(yè)行業(yè)中，廣泛存在著無組織排放的粉塵，嚴重影響工人健康[1]．而局部排風是防止工業(yè)污染物污染室內(nèi)空氣最有效的方法[2]，排風罩是局部排風系統(tǒng)的重要組成部分[3]，側吸罩作為一種有效的局部排風裝置已被廣泛應用于工業(yè)場所中[4]．

目前，對于側吸罩的研究主要集中在排風罩罩口形式、污染物初始散發(fā)速度、初始散發(fā)溫度以及污染源與排風罩之間距離等對側吸罩捕集效率的影響．簡瑞民[5]等人通過實驗方法研究了單熱源作用下側吸罩罩口形式、安裝高度及污染物散發(fā)速度對排風罩捕集效率特性的影響．彭泰瑤[6]等人通過實驗利用SF6做示蹤氣體研究了側吸罩的捕集效率與污染源和排風罩之間的距離以及熱源散發(fā)污染物的方向之間的關系．Fanliao YAN[7]等人通過數(shù)值模擬研究了側吸罩作用下，排風罩捕集效率與熱源溫度之間的關系．

目前，對于側吸罩捕集污染物的研究主要集中于單熱源作用下的側吸罩捕集效率特性上，對于雙熱源的研究多集中于置換通風房間的通風效率以及熱分層高度上．陳俊俊[8]通過實驗研究了置換通風房間內(nèi)雙熱源位置、雙熱源初始速度以及初始溫度對房間通風特性及熱分層的影響；Donghyun Rim[9]通過實驗方法研究了上部吸氣罩作用下，雙熱源的位置，顆粒物粒徑大小以及排風量對雙熱源作用下排風罩捕集效率特性的影響．但對于雙熱源作用下側吸罩的捕集效率特性卻很少有研究．而實際中，雙熱源作用下的側吸罩在鎂冶煉行業(yè)的除塵系統(tǒng)中非常常見，但卻沒有比較成熟的設計方法，且工程現(xiàn)場的污染物控制效果也非常差，通過實地測量，某金屬鎂企業(yè)鎂精煉車間的顆粒物濃度為20.05 mg/Nm3，已遠遠超過規(guī)范中規(guī)定的8 mg/Nm3[10]，故研究雙熱源作用下側吸罩的捕集效率特性很有必要．

針對上述問題，為了研究雙熱源作用下側吸罩的捕集效率特性，在實驗與數(shù)值模擬誤差分析的基礎上，運用數(shù)值模擬方法研究了輔熱源位置、輔熱源無量綱初始速度以及輔熱源無量綱初始溫度對側吸罩捕集主熱源產(chǎn)生污染氣體捕集效率的影響，并與主熱源單獨作用時側吸罩的捕集效率進行對比，得出輔熱源三個因素變化對側吸罩捕集主熱源產(chǎn)生污染氣體捕集效率的影響，從而為工程設計提供一定的指導．

1 . 數(shù)值模擬方法簡介

1.1 控制方程

數(shù)值模擬的控制方程表示如下：連續(xù)性方程：

動量方程:

能量方程：

組分質(zhì)量守恒方程：

其中，Ss為系統(tǒng)內(nèi)部單位時間內(nèi)單位體積通過化學反應產(chǎn)生的該組分的質(zhì)量，即生產(chǎn)率，本文流體組分之間不存在化學反應，因此僅表示污染源釋放污染物的速率．

1.2 計算模型

在金屬鎂冶煉過程中，經(jīng)常存在兩個同時向鑄模內(nèi)傾倒鎂液的過程，形成雙浮射流．由于在此傾倒過程中，鎂液溫度較高，這將使與鑄模底部碰撞從而反彈出來的氣流具有較高的溫度，此部分氣流在向上運動的過程中同時伴隨有高溫煙氣污染物及粉塵，這部分高溫的的污染氣流若不加以有效的捕集，會嚴重影響室內(nèi)環(huán)境空氣品質(zhì)，影響產(chǎn)品的質(zhì)量，同時也對工作區(qū)工人的健康造成極大的影響．

本數(shù)值模擬中，根據(jù)某精煉鎂車間熱源與排風罩的相對位置和尺寸關系，建立如圖1所示的計算模型．計算區(qū)域取為L×W×H=10 m×10 m×10 m的高大廠房，其中熱源距地面的高度為 1.0 m，熱源尺寸均為L×W=0.6 m×0.15 m；排風罩的尺寸為L×W=0.8 m×0.3 m，其底邊與熱源處在同一水平面內(nèi)，且與主熱源的中心之間的距離為 0.7 m；輔熱源、主熱源與排風罩底邊處于同一XOY平面內(nèi)且中心連線與Y軸平行，根據(jù)輔熱源對于主熱源與排風罩之間的相對位置關系，輔熱源幾何中心與排風罩之間的水平距離Δs分別為0.16 m、0.34 m、0.52 m、0.88 m、1.06 m與1.24 m；天窗的尺寸為L×W=6 m×1 m，長邊方向沿著Y的方向；自然進風口的尺寸為L×W=6 m×0.8 m，長邊方向與界面1平行．

圖1 計算模型示意圖Fig.1 Schematic model

1.3 數(shù)值模擬相關設置

數(shù)值模擬中邊界條件的設置見表1所示．

在模擬中，認為室內(nèi)空氣屬于連續(xù)性的可壓縮氣體．為了得到較為精確地結果，本文采用Realizable k-?湍流模型[11-12]、采用二階迎風格式進行離散，基于節(jié)點進行計算，并采用 SIMPLE算法．由于空氣溫度較高，其密度、比熱容、導熱系數(shù)在溫度變化的過程中會隨著變化，空氣被視為理想可壓縮的流體處理，并在數(shù)值模擬過程中，對密度等物性參數(shù)進行線性差分的處理[13]．

表1 邊界條件設置表Tab.1 Boundary condition setting table

1.4 網(wǎng)格無關性驗證

在數(shù)值模擬過程中，網(wǎng)格的數(shù)量對結果有至關重要的影響，網(wǎng)格數(shù)量越少計算結果偏離實際值越大，網(wǎng)格數(shù)量越大計算所需時間越長、所需計算機的性能越好，故選擇合適的網(wǎng)格數(shù)量進行數(shù)值模擬計算對數(shù)值模擬的計算非常重要．

在本文中，采用Tet/Hybrid網(wǎng)格劃分的單元形狀和TGrid網(wǎng)格劃分算法進行網(wǎng)格劃分，為了獲得比較準確的排風罩及熱源附近的流場信息，以熱源面及排風罩罩口為起始區(qū)域進行網(wǎng)格局部加密，最小網(wǎng)格為 20 mm、增長因子 1.1、最大網(wǎng)格為 200 mm．本文以空間只存在主熱源的工況為例進行網(wǎng)格無關性驗證，網(wǎng)格數(shù)量分別為77萬、133萬、170萬、220萬、260萬和300萬，通過數(shù)值模擬計算不同網(wǎng)格數(shù)下側吸罩的捕集效率，結果如圖2所示．

圖2 不同網(wǎng)格數(shù)量時的捕集效率Fig.2 Capture efficiency at different number of grids

從圖2可以看出，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，排風罩的捕集逐漸降低，當網(wǎng)格數(shù)量為130萬與170萬時，排風罩的捕集效率基本不變，綜合考慮計算的準確性、計算時間以及計算機的承載能力，本文最終采用170萬的網(wǎng)格進行數(shù)值模擬計算．

1.5 模擬有效性驗證

如果對控制方程以及求解方法的選擇不當，可能引起數(shù)值模擬結果產(chǎn)生重大偏差[14]．因此，為了驗證數(shù)值模擬結果的準確性，通過與本課題組圓形浮射流實驗[15]的結果進行比較，驗證浮射流的速度場與溫度場；并通過高軍[16]建筑物內(nèi)熱分層實驗進行對比分析，驗證室內(nèi)的濃度場，從而說明數(shù)值計算的有效性．

由圖3(a)、(b)可知，關于圓形浮射流軸心溫度與速度，其實驗與模擬結果的變化規(guī)律一致．通過對實驗數(shù)據(jù)與模擬結果的分析，發(fā)現(xiàn)：軸心速度的最大誤差為 15.2%，最小誤差 0.6%，平均誤差為6.0%；軸心溫度實驗與模擬值的最大誤差為1.7%，最小誤差0.1%，平均誤差為1.3%．

由圖3(c)、(d)可知，距離浮射流出口上方高度ΔZ=0.45 m水平斷面的溫度與速度，其實驗與模擬結果的變化規(guī)律一致．速度的實驗值與模擬值的最大誤差為46.9%，最小誤差1.2%，平均誤差為20.7%；溫度的實驗值與模擬值的最大誤差為0.8%，最小誤差0.1%，平均誤差0.3%．

由圖3(e)可知，在實驗和數(shù)值模擬中，豎直方向無量綱濃度的變化規(guī)律一致．無量綱濃度的最大誤差為9.25%，最小誤差為2.06%，平均誤差為5.4%，誤差均在可接受的范圍內(nèi)，認為數(shù)值模擬方法可行．

圖3 實驗與模擬結果比較分析Fig. 3 Comparison of experiment and simulation data.

2 結果及討論

在數(shù)值模擬有效性驗證分析的基礎上，主要討論在同一局部排風系統(tǒng)中，同時存在兩個熱源時，輔熱源位置、無量綱初始速度以及無量綱初始溫度對流場及捕集效率特性的影響．

2.1 輔熱源位置的影響

在同一局部排風系統(tǒng)中同時存在兩個熱源時，輔熱源與排風罩和主熱源的相對位置關系將對排風罩捕集主熱源產(chǎn)生污染氣體的捕集效率有很大的影響．根據(jù)某精煉鎂車間熱源與排風罩的相對位置和尺寸關系，選取輔熱源與排風罩之間的水平距離Δs分別為0.16 m、0.34 m、0.52 m、0.88 m、1.06 m與1.24 m六種工況，研究輔熱源位置對側吸罩流場及捕集效率的影響．圖4為選取Δs為0.16 m，0.34 m與0.52 m三種工況下時N2O濃度云圖．

圖4 不同輔熱源位置時的N2O濃度云圖Fig.4 N2O concentration contours at different position of auxiliary heat source

從圖4可以看出，當輔熱源處于排風罩與主熱源之間時，隨著輔熱源與排風罩之間距離Δs的增大即輔熱源與主熱源之間的距離減小，主熱源產(chǎn)生的污染氣流在空間的擴散范圍逐漸變大，主熱源上同一點產(chǎn)生的污染物隨著Δs的增大逐漸的由能被排風罩捕集變?yōu)閺呐棚L罩罩口逃逸．

圖5 不同輔熱源位置下的捕集效率Fig.5 Capture efficiency at different position of auxiliary heat source

從圖5可以看出，當Δs小于0.6 m即輔熱源處于排風罩與主熱源之間時，隨著輔熱源與排風罩之間距離的增大，排風罩對主熱源產(chǎn)生污染氣體的捕集效率逐漸減小．這是由于當輔熱源位于距離排風罩較近的位置時，一方面由于輔熱源產(chǎn)生的氣流能夠在匯流場的作用下進入排風罩，從而對排風罩捕集主熱源產(chǎn)生的氣流的抑制作用較??；另一方面，由于匯流場的作用，主熱源產(chǎn)生的污染氣流在到達輔熱源位置時已具有較大的吸入速度，從而對排風罩的捕集效率影響較?。?/p>

當Δs大于0.85 m即輔熱源位于排風罩相對主熱源之外時，排風罩對主熱源產(chǎn)生污染氣體的捕集效率隨著Δs的增大逐漸減?。@是由于，當兩熱源相距較近時，輔熱源產(chǎn)生的氣流能在匯流場的作用下進入排風罩，從而在主熱源產(chǎn)生的污染氣流上部形成空氣幕的作用，阻擋了主熱源產(chǎn)生的污染氣體的逃逸；而當Δs大于0.95 m時，此時由于輔熱源產(chǎn)生的污染氣體不能在匯流場的作用下進入排風罩，而是直接向上運動，從而在排風罩相對主熱源的相反方向形成較大的負壓，形成對主熱源產(chǎn)生氣流的引射作用，導致主熱源產(chǎn)生的污染氣流難以在匯流場的作用下發(fā)生偏轉進入排風罩，從而使排風罩的捕集效率降低．

2.2 輔熱源無量綱初始速度的影響

在單一熱源作用下的局部排風系統(tǒng)中，熱源的散發(fā)速度對排風罩的捕集效率有很大的影響；而在雙熱源作用下的排風系統(tǒng)中，輔熱源的無量綱初始速度對側吸罩捕集主熱源產(chǎn)生的污染氣體的捕集效率也有很大的影響．圖7即為不同輔熱源無量綱初始速度下，側吸罩對主熱源產(chǎn)生污染氣體的捕集效率變化規(guī)律．

圖6 Δs=0.52 m時不同輔熱源無量綱初始速度下的N2O濃度云圖Fig.6 N2O concentration contours at different dimensionless initial speed of auxiliary heat source(Δs = 0.52 m)

從圖6可以看出，當Δs=0.52 m，隨著輔熱源無量綱初始速度的增加，主熱源產(chǎn)生的污染氣流在空間的擴散范圍逐漸變大．同時，隨著輔熱源無量綱初始速度從0～0.5增加，主熱源產(chǎn)生的污染氣流在匯流場的作用下越容易發(fā)生偏轉，這是由于輔熱源對主熱源產(chǎn)生的污染氣流形成了引射流的作用．

圖7 Δs=0.52 m時不同無量綱速度下的捕集效率Fig.7 Capture efficiency at different dimensionless initial speed of auxiliary heat source whenΔs = 0.52 m

從圖7可以看出，當Δs=0.52 m，即輔熱源位于主熱源與排風罩之間時，隨著輔熱源無量綱初始速度的增加，排風罩對主熱源所產(chǎn)生污染氣體的捕集效率先增加后減小，捕集效率的最大值出現(xiàn)在輔熱源無量綱初始速度為0.5時．這是由于當輔熱源的無量綱初始速度從0增大到0.5時，輔熱源產(chǎn)生的氣流能在匯流場的作用下進入排風罩，此時輔熱源對主熱源的污染氣體產(chǎn)生引射的作用，使得主熱源產(chǎn)生的污染氣流在匯流場及引射的共同作用下進入排風罩而被捕集；隨著輔熱源無量綱初始速度的繼續(xù)增大，輔熱源產(chǎn)生的氣流對主熱源產(chǎn)生的污染氣流施加了一個垂直向上的速度，從而使排風罩的捕集效率降低．

2.3 輔熱源無量綱初始溫度的影響

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，常常會產(chǎn)生高溫污染氣流，導致排風罩的捕集效率降低．而在雙熱源作用下的排風系統(tǒng)中，輔熱源的溫度卻對側吸罩捕集主熱源產(chǎn)生污染氣體的捕集效率影響很?。畧D9是不同輔熱源無量綱初始溫度下，側吸罩對主熱源產(chǎn)生污染氣體的捕集效率與輔熱源無量綱初始溫度之間的關系．

圖8 .Δs=0.88 m時不同輔熱源無量綱初始溫度下的N2O濃度云圖Fig.8 N2O concentration contours at different dimensionless initial temperature ofauxiliary heat source(Δs= 0.52 m)

從圖8可以看出，當Δs=0.88 m時，隨著輔熱源無量綱初始初始溫度的增大，排風罩附近的污染物濃度分布基本不發(fā)生變化．這是由于此時輔熱源距離排風罩較近，輔熱源產(chǎn)生的熱氣流能夠在匯流場的作用下進入排風罩．

圖9 不同輔熱源無量綱初始溫度下的捕集效率Fig.9 Capture efficiency at different dimensionless initial temperature of auxiliary heat source whenΔs = 0.52 m

從圖9可以看出，當Δs=0.88 m時，輔熱源的溫度對側吸罩的捕集效率基本無影響．隨著輔熱源無量綱初始溫度由0～6變化，側吸罩的捕集效率降低8.36%；這是由于盡管輔熱源的無量綱初始溫度增大，其所受到的浮生力也相應增大，但由于輔熱源與排風罩之間的距離較小，此時輔熱源距離排風罩較近，其產(chǎn)生的氣流依然能夠在匯流場作用下進入排風罩，從而對側吸罩捕集主熱源產(chǎn)生污染氣體的捕集效率影響較?。?/p>

3 結論

本文在誤差分析的基礎上，利用數(shù)值模擬方法，研究了輔熱源位置、無量綱初始速度以及無量綱初始溫度對雙熱源作用下側吸罩流場及捕集效率特性的影響，得到以下主要結論：

(1) 當輔熱源處在側吸罩相對主熱源之外且與主熱源的水平距離為0.18～0.36 m時，側吸罩的捕集效率比只存在主熱源時側吸罩的捕集效率高，且當輔熱源與主熱源的距離為0.18 m時，側吸罩的捕集效率為68.59%，比只存在主熱源時的捕集效率提高了5.85%．故在實際工程中，應盡量控制兩熱源之間的間距．

(2) 當輔熱源處在側吸罩與主熱源之間時，隨著輔熱源無量綱初始速度的增加，排風罩的捕集效率先增大后減?。o熱源無量綱初始速度為0.5時，排風罩的捕集效率最大，此時排風罩的捕集效率比只存在主熱源時的捕集效率低14.31%．因此，應盡量使的輔熱源的無量綱初始速度保持在0.5左右，以獲得最大的捕集效率．

(3) 當輔熱源處在排風罩相對主熱源的相反方向且距主熱源0.18 m時，隨著輔熱源初始無量綱溫度由0～6變化，側吸罩的捕集效率逐漸降低，且最小捕集效率與最大捕集效率相比降低了8.36%，故在工程設計中，可以不考慮輔熱源初始無量綱溫度對側吸罩捕集效率的影響．

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