弧形濾毒罐氣動(dòng)特性3D數(shù)值模擬研究

司芳芳，葉平偉,2，皇甫喜樂(lè)，王泠沄，楊德瑞

(1.防化研究院， 北京 100191； 2.國(guó)民核生化災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102205)

防毒面具濾毒罐是呼吸道個(gè)人防護(hù)裝備中最核心的部件之一。濾毒罐主要由濾煙層(過(guò)濾層)、吸附層(吸收層)組成，以確保對(duì)灰塵、氣溶膠的過(guò)濾和毒劑的吸收。

西方國(guó)家在濾毒罐產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)方面主要由3M、AVON、BACOU和North等幾家大公司壟斷。英國(guó)AVON protection公司在軍用防毒面具和濾毒罐開(kāi)發(fā)中占有重要的地位，由其開(kāi)發(fā)的濾毒罐系列產(chǎn)品在國(guó)際上具有代表性，在美國(guó)、英國(guó)和北約其它國(guó)家得到了大量的應(yīng)用。

因?yàn)閭鹘y(tǒng)圓柱形濾毒罐結(jié)構(gòu)(非異形結(jié)構(gòu))重心偏下移，離面部較遠(yuǎn)，扭矩偏大，劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)由于濾毒罐的擺動(dòng)易造成防毒面具漏氣；此外，呼吸阻力過(guò)大，生理負(fù)荷較重。因此，從2000年開(kāi)始，英國(guó)AVON protection公司歷時(shí)5年成功開(kāi)發(fā)出了FM50系列(含F(xiàn)M50、FM52、FM53)濾毒罐。其中FM50是為美軍研制的JSGPM濾毒罐，該型濾毒罐采取異性結(jié)構(gòu)，罐蓋設(shè)計(jì)有導(dǎo)流槽，使得氣流分布更均勻。FM53面具濾毒罐采用弧形結(jié)構(gòu)，濾毒罐和面罩能更有效的貼合，從而在一定程度上提高了面具佩戴的動(dòng)氣密性，且濾毒罐采用弧形設(shè)計(jì)，有效提高了過(guò)濾面積，降低了通氣阻力。

開(kāi)發(fā)高效、低阻力的新型防毒面具濾毒罐，可以通過(guò)以下兩方面來(lái)進(jìn)行：一是提升裝填材料的濾毒性能；二是優(yōu)化濾毒罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)。優(yōu)化濾毒罐結(jié)構(gòu)必須考慮濾毒罐空氣動(dòng)力學(xué)特性，包括通氣阻力和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值計(jì)算方法的快速發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 方法可以克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法無(wú)法觀察多孔介質(zhì)內(nèi)氣流場(chǎng)分布的難點(diǎn)[1～4]，通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)確定吸附層和濾煙層內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。Yin Chia Su和Chun Chi Li等采用CFD方法對(duì)濾毒罐進(jìn)行3D數(shù)值模擬，他們主要研究了62A濾毒罐上網(wǎng)板和下網(wǎng)板上開(kāi)孔方式、吸附層厚度對(duì)濾毒罐通氣阻力和死區(qū)范圍的影響[5～7]。

目前國(guó)內(nèi)常用濾毒罐仍為傳統(tǒng)的圓柱形結(jié)構(gòu)，為了在不降低防護(hù)能力基礎(chǔ)上減小濾毒罐的通氣阻力，提高使用人員的舒適性和安全性，本文采用CFD數(shù)值分析方法，參考FM53弧形濾毒罐結(jié)構(gòu)，研究了多種弧形濾毒罐結(jié)構(gòu)形式，數(shù)值模擬分析其內(nèi)部氣動(dòng)特性，重點(diǎn)研究吸附層氣流分布情況；并研究了導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)對(duì)濾毒罐氣動(dòng)特性影響，從理論上深入剖析，為濾毒罐結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

1 弧形罐結(jié)構(gòu)

目前國(guó)內(nèi)常用的濾毒罐結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文研究濾毒罐模型的殼體參考M53面具弧形罐的殼體弧度，通過(guò)改變上網(wǎng)板弧度，設(shè)計(jì)研究了三種濾毒罐結(jié)構(gòu)形式，如圖2、圖3、圖4所示。

圖1 通用的濾毒罐(模型A)

圖2 單面弧結(jié)構(gòu)濾毒罐(模型B)

圖3 雙面弧結(jié)構(gòu)濾毒罐(模型C)

圖4 導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)濾毒罐(模型D)

模型B炭層進(jìn)氣一端為平面結(jié)構(gòu)，出氣口(與面罩相連接的一端)為弧形結(jié)構(gòu)；模型C炭層兩端均為弧形；模型D無(wú)下網(wǎng)板，出氣口附近殼體為導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)。對(duì)比圓柱形濾毒罐和弧形濾毒罐可以看出，弧形濾毒罐和面罩能更有效貼合，從而在一定程度上提高了面具佩戴的動(dòng)氣密性；雙面弧結(jié)構(gòu)濾毒罐吸附層是弧形設(shè)計(jì)，能有效提高過(guò)濾面積。

同時(shí)設(shè)計(jì)了兩種網(wǎng)板開(kāi)孔方式，如圖5所示，其中圖5(a)與目前通用的某型號(hào)罐模型A(圖1)的網(wǎng)板開(kāi)孔方式一致，該網(wǎng)板定義為a網(wǎng)板，另一個(gè)定義為b網(wǎng)板。具體模型參見(jiàn)表1。

圖5 網(wǎng)板開(kāi)孔示意圖

模型網(wǎng)板外形結(jié)構(gòu)模型Aa網(wǎng)板傳統(tǒng)圓柱形模型Ba網(wǎng)板吸附層出氣口一端為弧形模型Ca網(wǎng)板吸附層兩端均為弧形模型Db網(wǎng)板吸附層兩端均為弧形模型Eb網(wǎng)板吸附層兩端均為弧形,出氣口為導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模擬方法

2.1 控制方程

控制方程采用三維雷諾平均納維-斯托克斯(Navier-Stokes)方程。本文引入滯留時(shí)間來(lái)確定濾毒罐防護(hù)能力的保持情況。滯留時(shí)間是指：空間中某一點(diǎn)，空氣在空間內(nèi)已停留的時(shí)間，滯留時(shí)間越大表明空氣停留時(shí)間越長(zhǎng)。滯留時(shí)間指數(shù)取代吸附時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)是復(fù)雜的瞬態(tài)吸附模式不再求解，大大縮短了計(jì)算時(shí)間。滯留時(shí)間方程[3]是：

(1)

式(1)中，ρ是氣體密度；τ是當(dāng)?shù)仄骄鶞魰r(shí)間；μeff/στ是湍流模型中的當(dāng)?shù)貙?shí)際擴(kuò)散系數(shù)；μeff=μl+μt(μeff是有效粘度、μl是分子粘度，μt是紊動(dòng)粘度)；στ= 1。

本文所有模擬中濾毒罐入口氣流流量是恒定的，因此入口邊界定義為速度入口。在入口處，參考?jí)毫χ禐?101 325 Pa。出口邊界條件是壓力出口邊界。壁面為無(wú)滑移邊界。

本研究使用 FLUENT 求解器。對(duì)流項(xiàng)離散采用二階迎風(fēng)格式，粘性項(xiàng)離散采用二階中心差分格式。壓力-速度耦合采用COUPLE算法。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文研究省略多褶濾紙的影響，把過(guò)濾層視為單一層，且假定兩個(gè)多孔介質(zhì)層為各向均勻的。由于所有模型都是左右對(duì)稱的，所以僅模擬1/2結(jié)構(gòu)。對(duì)于異形結(jié)構(gòu)濾煙層而言，弧形狀濾煙層折疊過(guò)程中容易造成過(guò)濾紙的損壞，降低過(guò)濾效率，故實(shí)驗(yàn)仍采用平面結(jié)構(gòu)濾煙層，因此計(jì)算中濾煙層也采用平面結(jié)構(gòu)。本文重點(diǎn)研究濾毒罐弧形結(jié)構(gòu)對(duì)吸附層氣動(dòng)特性影響，因此所有模型濾紙高度和褶數(shù)一樣。所有模型的數(shù)值模擬均采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。由于5個(gè)模型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)類似，本文僅給出模型A和模型C的網(wǎng)格示意圖，如圖6、圖7所示。

圖6 模型A網(wǎng)格圖7 模型C網(wǎng)格

2.2 多孔介質(zhì)參數(shù)

濾毒罐的通氣阻力主要來(lái)自濾紙和活性炭，濾紙和活性炭都是多孔介質(zhì)。達(dá)西首先推導(dǎo)出描述流體流經(jīng)多孔介質(zhì) 的動(dòng)量耗散方程，即達(dá)西方程：

(2)

式(2)中，ΔP是多孔介質(zhì)區(qū)域的通氣阻力；L是流經(jīng)方向的長(zhǎng)度；κ是滲透率；μ是流體粘度，Vs表示進(jìn)入多孔介質(zhì)區(qū)流體的表面速度。達(dá)西方程只考慮粘度的影響，當(dāng)雷諾數(shù)增加時(shí)，必須增加對(duì)流項(xiàng)以考慮慣性效應(yīng)，這就產(chǎn)生了Forchheimer方程。 Forchheimer方程描述了在多孔介質(zhì)區(qū)域的通氣阻力和表面速度之間的關(guān)系。

(3)

式(3)中，α是多孔材料或粘度參數(shù)的滲透率倒數(shù)；β通常稱為慣性參數(shù)。 當(dāng)Vs很低或雷諾數(shù)很小時(shí)，慣性效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于粘效應(yīng)。隨著雷諾數(shù)的增加，多孔介質(zhì)的流動(dòng)特性逐漸從線性 (Darcy方程) 變?yōu)榉蔷€性(Forchheimer方程)，該流動(dòng)行為包括從層流到湍流流動(dòng)的瞬時(shí)變化[6]。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得玻纖濾紙和活性炭不同入流流量下的通氣阻力，利用曲線擬合獲取濾煙層及吸附層Forchheimer方程中的參數(shù)。 濾煙層的多項(xiàng)式是：

(4)

吸附層的多項(xiàng)式是：

(5)

濾煙層系數(shù)為：

α1=2.19×109m-2，β1=7.5×104m-1

吸附層系數(shù)為：

α2=2.03×109m-2，β2=7.5×104m-1

3 結(jié)果分析

3.1 外形結(jié)構(gòu)影響

首先數(shù)值模擬了無(wú)濾紙和活性炭的空罐，入口氣流流量為 30 L/min。圖8、圖9給出了模型A、模型B和模型C對(duì)稱截面上速度矢量分布圖。

圖8 模型A(空罐)吸附層x=0截面處速度矢量

圖9 空罐吸附層x=0截面處速度矢量

從圖8、圖9中可以看出，吸附層最外側(cè)都有回流區(qū)。當(dāng)流體流經(jīng)吸附層時(shí)，多孔流不會(huì)造成周邊區(qū)域的回流。但是，如果流體不易流入該區(qū)域，容易形成死區(qū)，減少了流動(dòng)區(qū)域，進(jìn)而增加了流經(jīng)區(qū)域的表面速度和通氣阻力。

考察了入流流量Q=15、20、30、45、60、85、110 L/min時(shí)，模型A、模型B和模型C僅吸附層、僅濾煙層和包含濾煙層和吸附層兩種多孔介質(zhì)的通氣阻力，如圖10所示。

圖10 不同Q時(shí)模型A、B、C通氣阻力比較

對(duì)比模型A數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，相差不到3%，表明本文采用的數(shù)值方法模擬精度較高。從圖10中可以看出，隨著流量增加，濾毒罐通氣阻力增加；Q≤30 L/min時(shí)，吸附層與濾煙層通氣阻力相差很小，隨著Q增大，吸附層通氣阻力與濾煙層通氣阻力差值越來(lái)越大。

為了具體分析三個(gè)模型對(duì)濾毒罐氣動(dòng)特性的影響，重點(diǎn)研究了Q=30 L/min時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果。模型C的通氣阻力為108 Pa，相比模型A減小4.6%，相比模型B減小2.7%，由此可見(jiàn)，弧形結(jié)構(gòu)能減小濾毒罐通氣阻力，且雙弧形罐的通氣阻力最小。圖11給出了吸附層對(duì)稱截面上氣流停滯時(shí)間等值線分布。

圖11 吸附層對(duì)稱截面上氣流停滯時(shí)間等值線(UDS0代表停滯時(shí)間；Q=30 L/min)

從圖11可以看出，模型B在吸附層外側(cè)出口附近大片區(qū)域氣體停留時(shí)間較長(zhǎng)，在中間區(qū)域停留時(shí)間較短，氣流停留時(shí)間不均勻，而模型A和模型C的氣流停留時(shí)間相對(duì)均勻，僅在吸附層外側(cè)出氣口區(qū)域停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。結(jié)合圖12、圖13可以看出，模型A和C的氣流滯留時(shí)間在活性炭外側(cè)1/5區(qū)域開(kāi)始明顯增加，而模型B在吸附層外側(cè)2/5區(qū)域開(kāi)始明顯增加；氣流滯留時(shí)間短表明氣流通過(guò)該區(qū)域的速度值高，而氣流滯留時(shí)間長(zhǎng)表明氣流通過(guò)該區(qū)域的速度值低；局部高速流快速通過(guò)出口，導(dǎo)致氣體不易流經(jīng)外側(cè)區(qū)域，會(huì)增加死區(qū)范圍，且造成高速區(qū)吸附不充分，進(jìn)而降低整個(gè)炭層的利用效率。模型A和模型C的滯留時(shí)間曲線分布趨勢(shì)類似，但模型C氣流在炭層停留時(shí)間較長(zhǎng)，速度較小，這表明雙弧形濾毒罐吸附層能提高氣流的接觸面積，整體氣流流速變慢，氣體與吸附層的接觸時(shí)間變長(zhǎng)，炭層的利用率有一定程度的提高。

圖12 吸附層x=0截面上不同吸附層高度氣流滯留時(shí)間分布(h代表活性炭高度；Q=30 L/min)

3.2 導(dǎo)流槽影響

主要考察了入流流量Q=15、20、30、45、60 L/min時(shí)模型D、E的通氣阻力，通過(guò)對(duì)比Q=30 L/min時(shí)模型D與模型E吸附層氣流滯留時(shí)間和速度，研究去掉下網(wǎng)板，出氣口殼體改為導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)對(duì)濾毒罐氣動(dòng)特性影響。

首先研究了模型D和模型E在不裝填濾紙和活性炭時(shí)內(nèi)部流場(chǎng)分布，重點(diǎn)研究了吸附層氣流分布。圖14給出了模型D、模型E對(duì)稱截面上速度矢量分布圖。

從圖14可以看出，模型D吸附層最外側(cè)有回流區(qū)，而模型E在吸附層中間部分有大的回流區(qū)。圖15給出了模型D、E裝填濾紙和活性炭時(shí)通氣阻力隨氣流流量變化。

圖13 吸附層x=0截面上不同吸附層高度氣流速度分布(Q=30 L/min)

圖14 空罐吸附層x=0截面處速度矢量

從圖15可以看出，模型D的通氣阻力略大于模型E的通氣阻力，隨著氣流增大，二者差值增大，Q=30L/min時(shí)相差約2.4%。這表明導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)可以減小濾毒罐通氣阻力。

模型D和模型E吸附層對(duì)稱截面上氣流停滯時(shí)間等值線分布圖和不同吸附層高度滯留時(shí)間分布圖如圖16、17所示。

圖15 不同Q時(shí)模型D、E通氣阻力

圖16 吸附層對(duì)稱截面上氣流停滯時(shí)間等值線(UDS0代表停滯時(shí)間，單位s)

圖17 吸附層x=0截面上不同吸附層高度氣流滯留時(shí)間分布曲線

從圖16、圖17可以看出，模型D氣流在整個(gè)吸附層滯留時(shí)間比模型E長(zhǎng)，且二者差距較大。模型D在吸附層外側(cè)近下網(wǎng)板附近區(qū)域氣體停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，其他區(qū)域氣流滯留時(shí)間相對(duì)均勻；而模型E氣流滯留時(shí)間分布不均勻，在吸附層內(nèi)側(cè)1/5區(qū)域和外側(cè)1/5區(qū)域停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。吸附層不同高度氣流速度分布如圖18所示。

從圖18可以看出，在活性炭層高度為5 mm處，模型D和模型E在外側(cè)3/10區(qū)域氣流速度基本一致，而在內(nèi)側(cè)區(qū)域模型E速度較大；隨著活性炭層高度增加，模型D與模型E在外側(cè)3/10區(qū)域氣流速度仍基本一致，而在內(nèi)側(cè)區(qū)域氣流速度差值增大。這表明下網(wǎng)板對(duì)氣流產(chǎn)生一定的阻力，使中間區(qū)域氣流流速變慢，氣體與吸附層的接觸時(shí)間變長(zhǎng)，而導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)不能抑制中間高速氣流，使得氣體快速通過(guò)吸附層，有可能會(huì)造成毒劑吸附不充分，但導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)明顯減小吸附層外側(cè)區(qū)域氣體停留時(shí)間。

圖18 吸附層x=0截面上不同吸附層高度氣流速度分布曲線

4 結(jié)論

本文采用CFD 方法研究了五種濾毒罐(一種圓柱形濾毒罐和四種弧形濾毒罐)的氣動(dòng)特性，主要考察了弧形罐結(jié)構(gòu)和導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)對(duì)濾毒罐空氣動(dòng)力學(xué)特性的影響。

數(shù)值模擬結(jié)果表明網(wǎng)板開(kāi)孔大小、數(shù)量和位置相同時(shí)，雙弧形濾毒罐吸附層能提高氣流的接觸面積，整體氣流流速變慢，氣體與吸附層的接觸時(shí)間變長(zhǎng)，活性炭的利用率有一定程度的提高，且通氣阻力相比目前通用的濾毒罐和單弧形罐小。導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)可以減小濾毒罐通氣阻力，但不能抑制吸附層中間高速氣流，使得氣體快速通過(guò)吸附層。因此，我們將進(jìn)一步研究弧形的弧度對(duì)濾毒罐氣動(dòng)特性影響，優(yōu)化濾毒罐結(jié)構(gòu)，達(dá)到既降低濾毒罐通氣阻力，又能提高炭層利用效率的目的。