面粉車間粉塵風速及粉塵濃度分布的數值模擬

石威

（安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001）

關健詞：面粉車間；風速；粉塵濃度；數值模擬；后處理

粉塵指的是懸浮在空氣中的固體顆粒，可以產生于眾多生產車間，對于糧食加工業(yè)來說粉塵的產生數量是難以預料的，因此會造成很嚴重的危害，不僅會使得工作人員的身體健康受到嚴重威脅，更嚴重的還會導致爆炸事故。因此，對于車間的粉塵速度以及粉塵濃度的理論分析和控制顯得尤為重要。

1 模型建立

1.1 物理模型

建立面粉生產車間，如圖1 所示。該車間尺寸為10m×3.2m×3.5m，車間的墻壁上設置一0.6m×0.6m 的正方形排氣扇，車間大門尺寸為2m×2.5m。其內部并排放置5 臺磨粉機，可視作正方體，邊長尺寸為1.4m，制粉機上方存在塵源產生面，即0.6m×0.8m 的矩形產塵面。磨粉機距墻壁距離分別為1.8m 和3m，每臺磨粉機間距相等，都為0.3m，距兩側墻壁距離是0.9m，大門與排氣扇厚度均為0.2m。

圖1 制粉車間的幾何模型

1.2 初始條件與邊界條件

由于制粉車間內部屬于低湍流流動，因此對其采用標準k-ε 模型，其它選項均為默認。因為該面粉生產車間計算域內的粉塵和空氣屬于離散相模型，而且離散相體積率遠小于10%，因此可以采用lagrange 模型。因此模型選擇離散相模型，同時要使用隨機軌道模型來模擬車間內的風速及粉塵濃度分布。

塵緣面是0.6m×0.8m 的矩形面，其塵源產生粉塵的質量流率為1.68×10-5kg/s，車間為制粉車間，主要產生的是面粉粉塵，選擇惰性顆粒，設置其密度為1330kg/m3，設置該車間的面粉粉塵的粒徑分布符合rosin-rammler 分布規(guī)律，直徑分布取10，平均分布指數則取默認值3.5。設置粉塵粒徑范圍處于10μm-100μm 之間，平均直徑為20μm。

邊界條件的設定方式直接影響數值模擬的收斂速度和精確度。因此經過多次模擬，將大門設為速度入口，值為2.8m/s；正方形排氣扇也一樣設置，值為-2.8m/s，因此fluent 就自主識別，認為是速度出口。眾所周知，面粉粉塵存在粘附性，因此壁面離散相邊界條件設為trap（捕捉），而對于大門以及排氣扇來說，其離散相邊界條件設為escape（逃逸）。

2 模擬過程及分析

經模擬，將結果導入Tecplot，計算域內選取3 個截面來進行切片研究，切面依次為：z=1.0m、z=1.5m 以及z=2.8m，該計算域內模擬風速分布結果如圖2 及圖3 所示。

圖2 z=1.0m、z=1.5m 的速度云圖

圖3 z=2.8m 的速度云圖

由圖可得，風速以2.8m/s 初速度吹進面粉生產車間，同時也以2.8m/s 的速度從排氣扇出口吹出計算域外。大門吹進來風速相對較大，并且因為排氣扇放置原因，車間大門處存在的較大風速呈現向排氣扇方向靠近的現象。與此同時，右側墻壁附近的空間內也存在風速較大現象，而大門所在的墻壁側風速則是比較小，每個制粉機之間的風速則是因為制粉機對風流的阻礙作用比較小。制粉車間的內側隅角位置形成了風流流動的“死角”，可能會引起粉塵的集聚。

分別取z=1.0m，z=1.5m，z=2.8m，y=4.0m，這4 個截面來分析，模擬得到的粉塵濃度分布云圖如圖4、5 所示。

圖4 z=1.0m、z=1.5m 的粉塵濃度分布云圖

由圖4 及圖5 不難得到，因為風速原因，車間的粉塵整體濃度分布呈現出絕大部分存在濃度比較小的現象，但也不可否認的是存在局部空間內粉塵濃度較大。因為盡管風流可以將多數粉塵吹出計算域，但車間內存在風流“死角”，正是由于風流“死角”存在，導致粉塵難以吹出，通風除塵變得比較困難。

圖5 z=2.8m、y=4.0m 的粉塵濃度分布云圖

在z=1.0m 的截面圖中，因為制粉機的阻擋作用，風流入口成為了風速相對較小區(qū)域，不難發(fā)現這區(qū)域粉塵濃度比較高。也不難發(fā)現這部分計算域相對也是工作人員生產作業(yè)空間，因此會影響到工作人員的健康，過多的粉塵集聚也是引起粉塵爆炸的隱患。

人的呼吸帶高度約為1.5m，因此選取z=1.5m 截面，不難發(fā)現5 臺機器上方區(qū)域粉塵濃度較高，而且均高于國家規(guī)定的允許值10mg/m3。所以，如果工作員工運作機器時，工作人員的健康狀況會受到制粉機附近較高粉塵濃度的嚴重威脅，制粉機產生濃度過高的粉塵也是其它空間內的粉塵源。所以必須在塵源上加以改善措施以降低車間內的粉塵濃度。

由z=2.8m 粉塵濃度分布云圖可以看出，粉塵濃度普遍較小，主要是因為面粉粉塵因為自身存在重力作用，因此在產生后就處于沉降狀態(tài)，導致較高的位置處粉塵濃度較小。

而y=4.0m 截面是5 臺制粉機所在的截面，不難發(fā)現，因為制粉機上方是粉塵源的所在位置，所以粉塵濃度都比較高。

3 結論

本文選定制粉車間為研究對象，將制粉車間的塵源簡化為制粉機的上表面，建立了制粉車間的基本物理模型。

根據數值模擬結果可得出：計算域車間內部有風流“死角”，這些風流“死角”風速比較低，可以導致粉塵容易聚集。從粉塵濃度分布云圖也可以發(fā)現：盡管計算域車間大部分區(qū)域粉塵濃度較低，但也存在局部區(qū)域粉塵濃度較高，有些區(qū)域甚至遠高于國家標準。所以計算域車間內的粉塵分布需要采取控制措施來降低其濃度，除了可以降低排氣扇高度亦或是加強排氣扇風速，還可以通過對制粉機設備進行定期的清潔維護甚至更換設備、車間內配備粉塵過濾設備等方法進而有效降低粉塵濃度。