基于數(shù)值模擬的槽邊射流吹吸罩控制面與控制風(fēng)速研究*

王志麗

(1.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100029； 2.塵毒危害預(yù)防與控制技術(shù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

0 引言

1 槽邊吹吸罩計(jì)算方法及模型的建立

1.1 計(jì)算方法

蘇聯(lián)巴杜林的射流末端速度法、B.H.巴索興和B.A.博羅達(dá)的臨界斷面法、美國W.C.L.海米昂方法等幾種方法，在條件和所取控制參數(shù)均相同的條件下，所得結(jié)論基本相同，幾種計(jì)算方法并無本質(zhì)上的差別，選擇正確的控制參數(shù)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[11]。

本文選取常用的蘇聯(lián)巴杜林的射流末端速度法為例進(jìn)行分析，該方法主要思想是只要保持吸風(fēng)口前吹氣射流末端的平均速度不小于一定值，就能對(duì)槽內(nèi)散發(fā)的污染物進(jìn)行有效控制，通過大量實(shí)驗(yàn)，確定了槽內(nèi)氣流溫度和槽的寬度與吹氣射流末端平均速度的關(guān)系，而忽略其他影響因素。對(duì)于槽邊吹吸罩，該方法的設(shè)計(jì)與計(jì)算過程[15]如下：

2)吹風(fēng)口高度h一般為0.010B～0.015B，為防止吹風(fēng)口發(fā)生堵塞，吹風(fēng)口高度h應(yīng)大于5～7 mm。

4)根據(jù)平面射流計(jì)算得到吹風(fēng)口出口風(fēng)速v1，按式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中:α為紊流系數(shù)，條縫式吹風(fēng)口或吸風(fēng)口取α=0.2。吹風(fēng)口出口風(fēng)速不宜超過10～12 m/s，以免液面波動(dòng)。

5)吹風(fēng)口的風(fēng)量L1按式(2)進(jìn)行計(jì)算。

L1=h·l·v1

(2)

式中:l為風(fēng)罩罩口長度(單位：m)。

(3)

9)排風(fēng)口高度H按式(4)進(jìn)行計(jì)算。

(4)

1.2 幾何模型

建立1個(gè)長4 m，寬4 m，高3 m的計(jì)算空間，計(jì)算空間內(nèi)設(shè)置1個(gè)長2 m，寬2 m，高1.5 m的工業(yè)槽，送風(fēng)口和排風(fēng)口大小及風(fēng)速按照巴士林計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)槽內(nèi)污染氣體為苯，以0.1m/s的速度向車間散發(fā)，槽內(nèi)溶液溫度為40℃。

采用三維幾何模型，考慮到吹吸罩是研究重點(diǎn)，將送風(fēng)罩、排風(fēng)罩和工業(yè)槽寬度等全部設(shè)置在模型內(nèi)，工業(yè)槽長度對(duì)于控制面和控制風(fēng)速影響較小，因此，模型中對(duì)工業(yè)槽長度進(jìn)行了適當(dāng)簡化，設(shè)置為2 m進(jìn)行研究；送排風(fēng)機(jī)及其管道對(duì)研究影響較低，模型中對(duì)管道進(jìn)行了適當(dāng)簡化，省去了送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)等部件。根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)簡化后，用GAMBIT建立模型，如圖1(a)所示，對(duì)其模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分(0.05 m為基本尺寸)，如圖1(b)所示。

1.3 邊界條件

結(jié)合模型和Fluent的模擬方法，確定數(shù)值模擬的邊界條件，如表2所示。

2 風(fēng)速對(duì)控制面位置和控制效果的影響

2.1 風(fēng)速對(duì)控制面位置的影響

利用Fluent軟件，對(duì)巴杜林方法計(jì)算得到的6組不同風(fēng)速時(shí)的吹吸罩進(jìn)行模擬計(jì)算，得到不同風(fēng)速時(shí)空間內(nèi)風(fēng)流流場分布，如圖2所示。

圖1 槽邊射流吹吸罩的模型與網(wǎng)格劃分Fig. 1 The model and meshing of jet push-pull hood for industrial tank

圖2 不同風(fēng)速時(shí)空間內(nèi)風(fēng)流流場分布云Fig. 2 Flow distribution in different wind speeds

計(jì)算模型模型設(shè)定求解器非耦合求解法湍流模型k-ε雙方程模型能量方程開啟入口邊界類型速度入口入口速度/(m·s-1)2.47水力直徑/m8湍流強(qiáng)度/%1出口邊界類型出流

由圖2可知，不同送排風(fēng)風(fēng)速時(shí)，槽邊射流吹吸罩控制面板(風(fēng)速最小點(diǎn))主要集中在距離送風(fēng)口1.2～1.6 m范圍的位置。為進(jìn)一步消除吹吸罩寬度B的影響，提出通用共性結(jié)論，采用無量化的處理方法，將距離送風(fēng)口的距離x用k代替，k=距送風(fēng)口距離(x)/吹吸罩間距(L)，從而得到，在距送風(fēng)口0.6～0.8倍L處，風(fēng)速達(dá)到最小值，即控制面位置。

為進(jìn)一步精確確定控制面位置，在排風(fēng)口上邊緣處取一條線，觀察這條線上的速度變化情況，如圖3所示。

圖3 不同風(fēng)速時(shí)排風(fēng)口上邊緣處速度分布Fig. 3 Velocity distribution at the upper edge of exhaust for different air speeds

由圖3可知，在不同的送排風(fēng)速條件下，吹吸罩口之間污染源上方最低風(fēng)速在距離送風(fēng)罩罩口0.65倍L的位置，即控制面位置。根據(jù)模擬結(jié)果，槽邊射流吹吸罩的控制面一般為距離送風(fēng)口0.65倍L處與氣流方向垂直的截面。

2.2 風(fēng)速對(duì)污染物控制效果的影響

由模擬分析結(jié)果導(dǎo)出數(shù)據(jù)可知，0.65L處控制面風(fēng)速如表3所示。

表3 風(fēng)速對(duì)控制面風(fēng)速的影響

利用Fluent對(duì)射流吹吸罩對(duì)工業(yè)槽內(nèi)污染源控制情況進(jìn)行模擬，取排風(fēng)口上部、從排風(fēng)口到墻面之間一條線上的苯的濃度，得到不同速度下送風(fēng)口至排風(fēng)口之間苯的濃度分布，如圖4所示。

圖4 不同風(fēng)速下苯濃度分布Fig.4 Distribution of benzene concentration at different wind speeds

由圖4可知，隨著控制風(fēng)速的增大，在吹吸罩之間逸散到空氣中苯的濃度逐步減少。當(dāng)控制風(fēng)速為1.28 m/s(即v1=6.8 m/s，v2=3.3 m/s)時(shí)，苯未逸散到空間中，空間中苯的濃度約為0 mol/m3；當(dāng)控制風(fēng)速降到0.94 m/s(v1=5.56 m/s，v2=2.7 m/s)時(shí)，只有少量苯逸散到空氣中，但未能有效控制苯的擴(kuò)散。根據(jù)模擬結(jié)果，控制面板控制風(fēng)速不宜小于1.28 m/s，否則會(huì)導(dǎo)致毒物擴(kuò)散。

3 結(jié)論

1)利用無量綱化的處理方法消除工業(yè)槽寬度的影響，槽邊射流吹吸罩控制面處于0.6～0.8L處，一般取0.65L所在垂直截面為槽邊射流吹吸罩控制面。

2)為有效控制污染物的擴(kuò)散，槽邊射流吹吸罩控制面的風(fēng)速不宜小于1.28 m/s。

3)得出的相關(guān)結(jié)論可為槽邊射流吹吸罩的設(shè)計(jì)、應(yīng)用以及性能檢測與評(píng)價(jià)等提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

[1] Huebener D J, Hughes R T. Development of push-pull ventilation[J]. American Industrial Hygiene Association Journal, 1985, 46(5):262-267.

[2] Robert T. Hughes. An overview of push-pull ventilation characteristics[J]. Applied Occupational &Enviromental Hygiene, 1990, 5(3):156-161.

[3] F. Marzal, E. González, A. Miana, et al. Visualization of airflows in push-pull ventilation systems applied to surface treatment tanks[J]. Aiha Journal A Journal for the Science of Occupational & Environmental Health & Safety, 2003, 64(4):455-460.

[4] 鄭文亨,王怡, 唐易達(dá). 吹吸式通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J]. 暖通空調(diào), 2011,41 (4): 1-5.

ZHENG Wenheng, WANG Yi, TANG Yida. Status of researches and applications of push-pull ventilation technology [J]. HV&AC, 2011,41 (4): 1-5.

[5] 劉漢杰, 陳旺生, 吳高明, 等. 一種冷軋帶鋼吹吸式粉塵治理新技術(shù)研究[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保, 2010,36 (5): 17-18.

LIU Hanjie，CHEN Wangsheng，WU Gaoming，et al. A new blowing and sucking technology of collecting dust on cold strip surface [J].Industrial Safety and Environmental Protection, 2010,36 (5): 17-18.

[6] 郭配山, 付海明, 趙友軍,等. 吹吸氣流的設(shè)計(jì)方法及其數(shù)值模擬[J]. 潔凈與空調(diào)技術(shù), 2007(2):38-43.

GUO Peishan, FU Haiming, ZHAO Youjun, et al. The design methods and simulation of push-pull ventilation [J]. CC&AC, 2007(2): 38-43.

[7] American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH). Industrial Ventilation, A Manual of Recommended Practice(24th ed.)[M]. Lansing, MI:ACGIH, 2001:108-112

[8] Huang R F, Lin S Y, Jan S Y, et al. Aerodynamic characteristics and design guidelines of push-pull ventilation systems[J]. Annals of Occupational Hygiene, 2005, 49(1):1-15.

[9] 林太郎(日)著. 工廠通風(fēng)[M]. 張華本, 孫一堅(jiān)譯. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1986

[10] 成琳超.送風(fēng)口上置吹吸式通風(fēng)系統(tǒng)特性的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究[D].陜西：西安建筑科技大學(xué)，2013

[11] 邢增輝, 王增欣.吹吸式通風(fēng)罩計(jì)算方法探討[J]. 河南城專學(xué)報(bào), 1992(1):8-15.

XING Zenghui, WANG Zengxin. Discussion on calculation method of push-pull ventilation hood [J]. Ventilation and dust removal, 1992(1):8-15.

[12] 于廣榮. 幾種吹吸式通風(fēng)罩計(jì)算法的分析與比較[J]. 通風(fēng)除塵, 1984(1):1-5.

YU Guangrong. Comparison and analysis of several calculation methods of push-pull ventilation hood [J]. Ventilation and dust removal, 1984(1):1-5

[13] 周宇.基于傳質(zhì)法的吹吸式通風(fēng)系統(tǒng)流場特性研究[D].陜西：西安建筑科技大學(xué)，2014.

[14] 茅清希, 史建國, 孫莉華. 吹吸氣流的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 通風(fēng)除塵, 1995(3):11-14.

MAO Qingxi, SHI Jianguo, SUN Lihua. Research onairflows of push-pull by experiment [J].Ventilation and dust removal, 1995(3):11-14.

[15] 孫一堅(jiān), 沈恒根. 工業(yè)通風(fēng)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.