基于凸形壁面的虛擬沖擊式呼吸性粉塵采樣器研究*

劉丹丹，黃鵬升，李德文，代英鵬，單 馳

(1.黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引言

呼吸性粉塵的空氣動力學(xué)直徑均小于7.07 μm，能沉積于肺泡，對人體危害較大。2020年我國職業(yè)性塵肺病新增14 367人，占全國新增職業(yè)病總?cè)藬?shù)的84.19%，因此，進(jìn)行井下呼吸塵監(jiān)測對保護(hù)人身安全十分重要[1-2]。國內(nèi)外針對大氣顆粒物的研究主要集中于PM10/PM2.5方面，有關(guān)呼吸塵的研究相對較少[3-7]。為精確測量呼吸性粉塵濃度，需設(shè)計出滿足呼吸塵采樣的采樣器。惠立鋒[8]通過響應(yīng)曲面原理對呼吸塵旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行尋優(yōu)，得到該結(jié)構(gòu)下的旋風(fēng)分離器對呼吸塵的分離完全符合BMRC分離曲線標(biāo)準(zhǔn)，且在5.9 μm時，分離效率偏差為1.06%；謝雙[9]基于BMRC分離曲線設(shè)計虛擬沖擊式呼吸塵分離器，通過模擬對虛擬沖擊式分離器的不斷優(yōu)化，得到該分離器的最大誤差為4.73%，最小誤差為0.88%；蔣靖坤等[10]針對現(xiàn)有商業(yè)化固定源PM2.5采樣器不足，設(shè)計1種固定源PM10/PM2.5雙極虛擬沖擊式分離器。本文利用文獻(xiàn)[9]中采樣器原型，提出1種基于虛擬沖擊原理的呼吸塵采樣器結(jié)構(gòu)，對隔離主流和弱流通道的“平滑型”壁面進(jìn)行變換，分為“凸型”、“凹型”。利用Ansys Fluent氣-固2相流模擬采樣器中的流場，計算模型中各粒徑的分離效能，并與BMRC曲線進(jìn)行對比分析。

1 虛擬沖擊原理

傳統(tǒng)慣性沖擊分離器由粉塵噴射孔和沖擊板組成，沖擊板上附著黏性物質(zhì)，利用顆粒物直接撞擊沖擊板捕捉粒徑較大的顆粒物。與傳統(tǒng)慣性沖擊分離采樣不同，虛擬沖擊式分離器采用收集腔代替沖擊板，利用不同粒徑顆粒物慣性進(jìn)行分離。當(dāng)含塵氣流進(jìn)入虛擬沖擊分離器后，進(jìn)入噴嘴氣流速度提高，高速氣流被分成2部分：一部分氣流發(fā)生變向，約占總氣流的90%，稱為主流；另一部分氣流直接由噴嘴進(jìn)入到收集腔，約占總流的10%，稱為弱流。粒徑小的顆粒物慣性小，容易隨主流流動；粒徑大的顆粒物慣性大，容易隨弱流流動。因此，粒徑大顆粒物容易隨弱流進(jìn)入收集腔，粒徑小的容易隨主流流出至下一級[11-16]。虛擬沖擊原理如圖1所示。

圖1 虛擬沖擊原理Fig.1 Schematic diagram of virtual impact

2 基于虛擬沖擊原理的呼吸塵采樣器設(shè)計

2.1 呼吸塵分離效能

分離效能指顆粒物進(jìn)入分離器時，被捕捉到的特定粒徑顆粒與總顆粒比值。我國分離效能根據(jù)現(xiàn)行《呼吸性粉塵測量儀采樣效能測定方法》(MT 394—1995)[17]規(guī)定，呼吸塵分離效能曲線采用由英國醫(yī)學(xué)研究會制定的BMRC曲線，只要呼吸性粉塵采樣器在各個粒徑點(diǎn)的分離效能誤差小于5%則滿足我國標(biāo)準(zhǔn)。美國政府采用工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會制定的ACGIH標(biāo)準(zhǔn)曲線，歐盟則采用EN481標(biāo)準(zhǔn)曲線[18-19]。不同呼吸性粉塵分離效能曲線對比如圖2所示。

圖2 不同呼吸性粉塵分離效能曲線對比Fig.2 Comparison of different respirable dust separation efficiency curves

其中，BMRC曲線分離效能計算公式如式(1)所示：

(1)

式中：ηB為分離效能，%；x為呼吸塵的采樣粒徑，μm；d為顆粒粒徑，μm，本文d=7.07 μm。

在滿足BMRC曲線采樣規(guī)范時，分離效能計算如式(2)所示：

(2)

式中：x50為切割粒徑，x50=5 μm。

2.2 虛擬沖擊式采樣器的基本參數(shù)設(shè)計

切割效率為50%時的切割粒徑x50=5.0 μm，對應(yīng)斯托克斯數(shù)Stk50，如式(3)所示：

(3)

式中：W為噴嘴直徑，mm；ρp為顆粒物密度，kg/m3；u為噴嘴噴出氣流速度，m/s；Cc為坎寧安修正因子，當(dāng)顆粒物大于1 μm時，一般取1；μ為空氣的動力黏度，μ=1.8×10-5Pa·s。

噴出氣流速度u如式(4)所示：

(4)

式中：Q為入口總流量，L·min-1。

根據(jù)公式(1)～(4)確定采樣器流量Q和噴嘴直徑D0。理論與實(shí)驗結(jié)果表明，收集腔直徑D1約為D0的1.3～1.4倍；收集腔與噴嘴的距離S約為噴嘴直徑D0的1.2～1.8倍，基本參數(shù)見表1。虛擬沖擊式采樣器模型截面示意如圖3所示。

表1 虛擬沖擊式呼吸塵采樣器基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of virtual impact respirable dust sampler

圖3 虛擬沖擊式呼吸塵采樣器模型截面示意Fig.3 Schematic diagram for model section of virtual impact respirable dust sampler

根據(jù)基本參數(shù)的設(shè)置，本文對隔離主流和弱流通道的“平滑型”壁面進(jìn)行變換，包括“凸型”、“凹型”，虛擬沖擊式呼吸塵采樣器壁面形狀如圖4所示。以“平滑型”為例，得到虛擬沖擊式呼吸塵采樣器模型三維模型，如圖5所示。

圖4 虛擬沖擊式呼吸塵采樣器壁面形狀Fig.4 Wall shapes of virtual impact respirable dust sampler

圖5 虛擬沖擊式呼吸塵采樣器模型三維示意Fig.5 3D drawing of virtual impact respirable dust sampler model

3 模擬仿真

3.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

網(wǎng)格劃分是進(jìn)行模擬仿真時的重要步驟，理論上相同模型前提下，網(wǎng)格數(shù)量越多，即計算網(wǎng)格越小，計算精度越高。選擇合適的網(wǎng)格數(shù)量對提高仿真結(jié)果可靠性，減少仿真成本影響較大。選用所設(shè)計的虛擬沖擊采樣器的不同網(wǎng)格數(shù)量與噴嘴速度進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。

表2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證Table 2 Grid independence verification

由表2可知，隨網(wǎng)格數(shù)量增加，速度最高偏差率為0.39%；在誤差±5%以內(nèi)，為虛擬沖擊采樣器網(wǎng)格數(shù)量劃分提供參考。為節(jié)省仿真時間，最終網(wǎng)格數(shù)量為496 046，網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖6 虛擬沖擊式呼吸塵采樣器網(wǎng)格劃分Fig.6 Grid generation of virtual impact respirable dust sampler

3.2 計算方法及邊界條件

1)計算方法。由于虛擬沖擊式呼吸塵采樣器內(nèi)部流體速度較小，故采用壓力基求解器，并采用雷諾應(yīng)力(RSM)湍流模型、離散相模型(DPM)和隨機(jī)軌道模型(DRWM)，湍流流場采用SIMPLEC方式。由于呼吸性粉塵測量采樣標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定實(shí)驗中熒光素銨中的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于10%，故可以忽略顆粒與顆粒、顆粒與氣相之間的作用。

2)邊界條件。虛擬沖擊式呼吸塵采樣器進(jìn)口采用Velocity_inlet，主流和弱流均采用Outflow，其中主流流量權(quán)重為0.9，弱流流量權(quán)重為0.1，主流出口對于離散相設(shè)置為Trap，虛擬沖擊式呼吸塵采樣器壁面均設(shè)置為Wall，采用無滑移邊界條件，離散相設(shè)置為Reflect。采樣時間為10 min，采樣流量為2.375 L/min-1，空氣密度為1.225 kg/m3，黏度為1.8×10-5Pa·s，采樣顆粒密度為1 500 kg/m3，粉塵濃度為200 mg/m3，入口顆粒速度為2.5 m/s。粉塵顆粒分散度由1～7.1 μm按Rosin-Rammler分布。

4 結(jié)果分析

在建立虛擬沖擊式采樣器模型和網(wǎng)格劃分后，對BMRC曲線中對應(yīng)各顆粒物粒徑進(jìn)行模擬仿真，追蹤各粒徑顆粒物由進(jìn)氣口射入和出口捕捉的數(shù)量，得到分離效能。仿真得到的3種虛擬沖擊式采樣器模型的分離效能與BMRC曲線的分離效能對應(yīng)值比較見表3，分離效能曲線如圖7所示。

表3 仿真值與BMRC曲線對應(yīng)值比較Table 3 Comparison between simulation values and corresponding values of BMRC curve %

圖7 不同虛擬沖擊器模型的分離效能Fig.7 Separation efficiencies of different virtual impactor models

由表3和圖7可知，由于“平滑型”虛擬沖擊式采樣器在粒徑為7.1 μm，“凹型”虛擬沖擊式采樣器在粒徑為3.9，7.1 μm時分離效能與BMRC曲線偏差均大于5%，故3種虛擬沖擊式采樣器的分離效能只有“凸型”虛擬沖擊式呼吸塵采樣器能夠滿足BMRC曲線，其中3.9 μm對應(yīng)分離效能偏差相對最小，僅為0.5%。同時，由圖7中可知，“凸型”虛擬沖擊式采樣器更加貼合BMRC曲線。標(biāo)準(zhǔn)差如式(5)所示：

(5)

通過式(5)計算虛擬沖擊式呼吸性粉塵采樣器在主弱流壁面為“凸型”時的分離效能與BMRC曲線的分離效能的標(biāo)準(zhǔn)差δ=2.65%小于5%，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的偏差要求。

5 結(jié)論

1)虛擬沖擊式呼吸塵采樣器中弱流與主流之間的壁面為“凸型”時相對“平滑型”和“凹型”對呼吸塵分離的效果更好。

2)虛擬沖擊式呼吸塵采樣器主弱流夾壁面形狀在“凸型”時，對粒徑為7.1 μm分離偏差相比于“平滑型”減小4.6%，提高了對呼吸塵中顆粒粒徑較大的分離效果；“凹型”在粒徑為2.2 μm時的分離偏差為0%，但其他粒徑分離偏差較大，不能滿足分離采樣的要求。

3)本文虛擬沖擊式呼吸塵采樣器主弱流夾壁面形狀在“凸型”時，分離效能與BMRC曲線標(biāo)準(zhǔn)的偏差更小，且標(biāo)準(zhǔn)差δ=2.65%，滿足偏差小于等于5%的要求，研究結(jié)果為虛擬沖擊式采樣器的改進(jìn)提供參考。下一步將針對“凸型”壁面的最優(yōu)參數(shù)繼續(xù)研究。