煤場廠房通風(fēng)和污染擴(kuò)散的CFD研究

宋曉程

（大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

隨著工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量高品位化的需求和人們物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，對(duì)工業(yè)廠房內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的要求愈來愈高。煤場廠房中煤塵污染是長期以來一直未能徹底解決的疑難問題[1]。煤在廠房中通常需要經(jīng)過裝卸、輸送、轉(zhuǎn)運(yùn)、篩分、破碎等一系列運(yùn)輸及工藝加工過程，會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，使室內(nèi)空氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染。在運(yùn)輸或工藝加工過程中所生成的煤粉，雖然主要以粒徑大于100 μm的大粒徑顆粒。但在風(fēng)速小于3 m的低風(fēng)速條件下，對(duì)人體危害較大的總懸浮顆粒TSP，可吸入顆粒PM10和細(xì)顆粒PM2.5所占的比例有所增加，上述粒徑顆?？杀蝗梭w吸入，尤其是可吸入顆粒PM10和細(xì)顆粒PM2.5可直接深入肺部并留存其中，不易被人體排出，粒徑較小顆粒給安全生產(chǎn)和工人的身心健康帶來極大的危害[2]。當(dāng)廠房內(nèi)通風(fēng)氣流組織不合理時(shí)，煤粉會(huì)從發(fā)散源向廠房內(nèi)其他空間擴(kuò)散，造成廠房室內(nèi)空氣環(huán)境嚴(yán)重污染。因而，預(yù)測廠房內(nèi)煤粉擴(kuò)散規(guī)律，合理組織廠房內(nèi)部通風(fēng)，在廠房通風(fēng)設(shè)計(jì)及工程改造中具有重要意義。

綜上，本文借助于計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法，對(duì)煤場廠房不同通風(fēng)條件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，利用可視化的圖像輸出技術(shù)，得到廠房內(nèi)風(fēng)環(huán)境的氣流方向、速度和渦流以及顆粒污染物分布等方面的量化信息，幫助設(shè)計(jì)人員從方案設(shè)計(jì)初期就對(duì)設(shè)計(jì)方案的風(fēng)環(huán)境和污染分布有一個(gè)全面而直觀的了解，從而可以方便、快捷地進(jìn)行多方案比較，并及時(shí)對(duì)方案做出調(diào)整，使設(shè)計(jì)規(guī)劃方案的廠房通風(fēng)氣流組織更加舒適、健康和符合功能要求。

1 模擬方法

1.1 模型建立

根據(jù)廠房建筑尺寸和煤堆分布情況，建立數(shù)值分析用物理模型如圖1所示。其中在廠房橢圓型穹頂頂部和底部共設(shè)有4個(gè)風(fēng)口，其中穹頂圓弧部分2個(gè)風(fēng)口，底部2個(gè)風(fēng)口，以模擬廠房內(nèi)上送下回和下送上回不同通風(fēng)形式的氣流組織分布。

數(shù)值模擬過程中，顆粒物模型采用拉格朗日-歐拉模型[3]，根據(jù)工業(yè)廠房內(nèi)常用通風(fēng)形式，考慮上送下回、下送上回2種機(jī)械通風(fēng)方式。模擬中同時(shí)考慮對(duì)人體危害較大的粒徑為100 μm、10 μm和2.5 μm這3種顆粒物的污染和擴(kuò)散分布水平。

根據(jù)所建模型，數(shù)值模擬過程中進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格基本尺寸為1.5 m，對(duì)壁面和風(fēng)口部分進(jìn)行了局部細(xì)化，并進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)。根據(jù)無關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)模擬網(wǎng)格數(shù)量約為200萬時(shí)，不同網(wǎng)格間模擬所產(chǎn)生的誤差已小于10%，結(jié)果已足夠精確。CFD模擬過程中模型網(wǎng)格示意如圖2所示。

圖1 CFD模擬物理模型

圖2 CFD模擬模型網(wǎng)格劃分

1.2 邊界條件

模擬中主要需要給出的邊界條件有下面幾種：

(1)出口邊界：出口選為壓力出口邊界條件，即pressure outlet形式；

(2)入口邊界：主要考慮風(fēng)速分布，設(shè)定為質(zhì)量流量入口邊界，即mass flow inlet形式；

(3)各表面：定義為無滑移壁面，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

本文模擬過程中，選取5次/h的通風(fēng)換氣次數(shù)來進(jìn)行不同通風(fēng)形式的CFD模擬研究[4]。模擬過程中，不同通風(fēng)形式下煤堆的起塵量完全相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文根據(jù)以下方法和指標(biāo)，對(duì)廠房內(nèi)的通風(fēng)氣流組織和污染擴(kuò)散水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（1）風(fēng)速矢量圖和云圖

風(fēng)速矢量圖和云圖可以直觀地評(píng)價(jià)通風(fēng)系統(tǒng)氣流組織形式及其對(duì)顆粒污染物擴(kuò)散的影響。

（2）粉塵顆粒質(zhì)量濃度

由于工業(yè)廠房中通風(fēng)系統(tǒng)的作用之一為消除粉塵顆粒污染水平，數(shù)值模擬中采用100 μm、10 μm和2.5 μm這3種不同粒徑粉塵顆粒的質(zhì)量濃度來評(píng)價(jià)廠房不同通風(fēng)形式下粉塵顆粒污染水平及擴(kuò)散規(guī)律。

2.2 模擬結(jié)果

本文將廠房y方向中部立面作為研究對(duì)象，分別分析風(fēng)速矢量和云圖分布以及粒徑2.5 μm、10 μm和100 μm粉塵質(zhì)量濃度分布。

2.2.1 上送下回機(jī)械通風(fēng)

圖3和圖4分別為上送下回通風(fēng)形式的風(fēng)速矢量和云圖分布情況。當(dāng)廠房內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)為上送下回形式時(shí)，送風(fēng)從風(fēng)口送入工廠內(nèi)，遇到煤堆的阻礙而發(fā)生了擾流，流入各個(gè)煤堆之間的區(qū)域并在其中形成漩渦流。由圖中分布情況可知，從左數(shù)第1和第2煤堆之間的風(fēng)速值較大，風(fēng)速處于1 m/s以上的量級(jí)且漩渦較明顯，該部分較大的風(fēng)速應(yīng)該對(duì)顆粒污染物的排除具有積極作用。右側(cè)煤堆與廠房墻壁之間受到回風(fēng)口抽吸的影響，風(fēng)速同樣處于1 m/s及以上的水平。但風(fēng)速變化方向較為單一，從送風(fēng)口流向排風(fēng)口。靠近頂棚區(qū)域風(fēng)速較大，風(fēng)速梯度明顯。對(duì)于中間煤堆上方，由于通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)口布置特點(diǎn)，雖然形成了明顯的漩渦卷吸效應(yīng)，但風(fēng)速較低，約為0.4 m/s。

圖3 上送下回風(fēng)速矢量圖（m/s）

圖4 上送下回風(fēng)速云圖（m/s）

圖5為上送下回通風(fēng)形式的2.5 μm粉塵質(zhì)量濃度分布圖。當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)采用上送下回形式時(shí)，受到通風(fēng)氣流的稀釋作用，左側(cè)和右側(cè)煤堆上部的2.5 μm粉塵質(zhì)量濃度很低，幾乎為0 mg/m3。在各煤堆表面附近，2.5 μm粉塵質(zhì)量濃度很高，處于1 mg/m3以上的水平。其他區(qū)域2.5 μm粉塵質(zhì)量濃度大體處于0.2～0.8 mg/m3的水平，但中部煤堆上方由于通風(fēng)氣流流通不暢，2.5 μm粉塵質(zhì)量濃度較高，大于0.6 mg/m3。煤堆之間的2.5 μm粉塵質(zhì)量濃度基本小于0.6 mg/m3。這表明，上送下回通風(fēng)系統(tǒng)可以很好的達(dá)到稀釋廠房內(nèi)粉塵污染的目的。

圖5 上送下回通風(fēng)形式的2.5 μm粉塵質(zhì)量濃度圖（mg/m3）

圖6和圖7分別為上送下回通風(fēng)形式的10 μm和100 μm粉塵質(zhì)量濃度分布圖。當(dāng)廠房內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)為上送下回形式時(shí)，10 μm粉塵質(zhì)量濃度分布與2.5 μm粉塵大體相同，說明中粒徑粉塵擴(kuò)散特性基本相同。但中部煤堆上方的10 μm粉塵質(zhì)量濃度要大于2.5 μm粉塵，已達(dá)到0.7 mg/m3以上的水平，這是由于煤堆起塵中10 μm粒徑比例要大于2.5 μm。煤堆之間的10 μm粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到0.5 mg/m3，仍略大于2.5 μm粉塵。100 μm粉塵質(zhì)量濃度的要小于2.5 μm粉塵和10 μm粉塵，基本處于0.2 mg/m3的水平。說明低風(fēng)速條件下，上送下回通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)100 μm粉塵質(zhì)量濃度的稀釋作用較好。

圖6 上送下回10 μm粉塵質(zhì)量濃度圖（mg/m3）

圖7 上送下回100 μm粉塵質(zhì)量濃度圖（mg/m3）

2.2.2 下送上回機(jī)械通風(fēng)

圖8和圖9分別為下送上回通風(fēng)形式的風(fēng)速矢量和云圖分布情況。從圖中可以看出送風(fēng)從下部風(fēng)口送入工廠內(nèi)，遇到煤堆的阻礙而沿著煤堆側(cè)面流向上部回風(fēng)口，在左右側(cè)煤堆和廠房墻面之間出現(xiàn)氣流的“短路”現(xiàn)象，造成該區(qū)域風(fēng)速值較大（大于1 m/s）且流動(dòng)方向較明顯，對(duì)顆粒污染物的排除具有積極作用。對(duì)于中間煤堆上方，雖然形成了明顯的漩渦卷吸效應(yīng)，但風(fēng)速量級(jí)相比左右側(cè)煤堆和廠房墻面之間區(qū)域而言較低，約為0.6 m/s的量級(jí)。模擬結(jié)果可表明，下送上回通風(fēng)形式同樣可保證廠房內(nèi)大部分區(qū)域的風(fēng)速大于0.6 m/s，廠房內(nèi)通風(fēng)氣流組織較好。

圖8 下送上回風(fēng)速矢量圖（m/s）

圖9 下送上回風(fēng)速云圖（m/s）

圖10為下送上回通風(fēng)形式的2.5 μm粉塵質(zhì)量濃度分布圖。當(dāng)廠房內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)為下送上回形式時(shí)，受到通風(fēng)氣流的稀釋作用，左側(cè)和右側(cè)煤堆與廠房墻壁之間區(qū)域的2.5 μm粉塵質(zhì)量濃度很低，幾乎為0 mg/m3。在各煤堆表面附近，2.5 μm粉塵質(zhì)量濃度很高，處于1 mg/m3以上的水平。其他區(qū)域2.5 μm粉塵質(zhì)量濃度的平均值約為0.7 mg/m3的水平，中部煤堆上方同樣由于通風(fēng)不暢，2.5 μm粉塵質(zhì)量濃度較高，接近于0.9 mg/m3，此處是廠房內(nèi)粉塵污染較重的區(qū)域，在通風(fēng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮該區(qū)域的污染稀釋問題。煤堆之間的2.5 μm粉塵質(zhì)量濃度基本處于0.6～0.8 mg/m3的水平。

圖10 下送上回2.5 μm粉塵質(zhì)量濃度圖（mg/m3）

圖11和圖12分別為下送上回通風(fēng)形式的10 μm和100 μm粉塵質(zhì)量濃度分布圖。中部煤堆上方的10 μm粉塵質(zhì)量濃度要大于2.5 μm粉塵，已接近1 mg/m3以上的水平。煤堆之間的10 μm粉塵質(zhì)量濃度同樣接近1 mg/m3的量級(jí)，明顯大于2.5 μm粉塵。100 μm粉塵質(zhì)量濃度的要小于2.5 μm粉塵和10 μm粉塵，基本處于0.6 mg/m3的水平。

圖11 下送上回10 μm粉塵質(zhì)量濃度圖（mg/m3）

圖12 下送上回100 μm粉塵質(zhì)量濃度圖（mg/m3）

3 結(jié)論

本文通過對(duì)煤場廠房不同通風(fēng)條件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出以下結(jié)論：

（1）在氣流組織方面，下送上回通風(fēng)條件下廠房內(nèi)平均風(fēng)速和局部風(fēng)速均大于上送下回通風(fēng)形式，氣流組織形式較好。

（2）在粉塵質(zhì)量濃度的方面，由于下部進(jìn)風(fēng)條件對(duì)處于送風(fēng)口附近的煤堆具有很強(qiáng)的卷吸和促進(jìn)擴(kuò)散作用，加速煤堆粉塵的擴(kuò)散速度和在空間的濃度水平；而上送下回通風(fēng)系統(tǒng)會(huì)抑制煤堆粉塵向上部空間擴(kuò)散的趨勢，并將粉塵污染主要控制在煤堆附近區(qū)域。綜上，該煤場廠房通風(fēng)系統(tǒng)宜采用上送下回的通風(fēng)形式。但本文研究結(jié)果是以廠房整體環(huán)境為評(píng)價(jià)對(duì)象，當(dāng)研究對(duì)象為廠房局部區(qū)域或不同工作高度時(shí)，其結(jié)論不盡相同。