木質(zhì)家具噴漆房內(nèi)氣流組織優(yōu)化模擬研究

林大建 馬淋淋 姜鑫

(江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 江西贛州 341000)

0 引言

木制家具生產(chǎn)過程中，往往會進行噴漆處理，噴漆過程中產(chǎn)生的甲苯等有害物質(zhì)不僅會對人體、空氣、水環(huán)境造成污染[1]。對木制家具噴漆房進行氣流組織優(yōu)化研究，并提出有效方案，就可采取針對性的措施來減少其帶來的危害。

傳統(tǒng)氣流組織優(yōu)化研究往往采取現(xiàn)場測量采樣和實驗分析的方法，檢測環(huán)境存在危險，因測點較多而耗費時間與人力，且數(shù)據(jù)受多種因素的影響而無法保證其準(zhǔn)確性[2]。現(xiàn)如今，對室內(nèi)氣流組織污染擴散問題的研究已成為熱門，CFD方法模擬時間短、成本低，且易于實現(xiàn)多種工況，被大量學(xué)者應(yīng)用于對氣流組織的優(yōu)化研究[3-4]。蔣明輝[5]基于CFD方法結(jié)合正交試驗對車輛在裝料時產(chǎn)生的揚塵進行了模擬，采用k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，拉格朗日離散相模型用作兩相流模型，對正交數(shù)據(jù)進行多元回歸分析，對現(xiàn)有塵源控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化，并且達到了符合預(yù)期的治理效果。李瑞[6]采用CFD數(shù)值仿真模擬，基于優(yōu)化的機柜模型，對不同形式下的氣體環(huán)境進行了分析，針對不同影響因素獲得每個因素的最優(yōu)工況，最后通過正交分析得出整體最優(yōu)方案，有效解決了機房制冷能耗、優(yōu)化數(shù)據(jù)中心氣流組織的問題。徐麗等[7]采用k-ε粘性湍流模型和Navier-Stokes方程并結(jié)合CFD方法，對房間中污染物CO2的濃度進行仿真研究，對3種不同的通風(fēng)方案進行對比，得出了提高空氣品質(zhì)和通風(fēng)效率的最優(yōu)通風(fēng)方案。李思師等[8]以傳統(tǒng)辦公室為研究模型，提出用豎直貼附射流結(jié)合導(dǎo)流板的新送風(fēng)形式，對不同影響因素進行正交試驗設(shè)計，通過對比不同工況下氣流組織的流場及溫度場分布規(guī)律，得出了既滿足舒適性又保證通風(fēng)效果的導(dǎo)流板優(yōu)化方案。

文中采用ICEM建立物理模型，導(dǎo)入FLUENT進行參數(shù)設(shè)定并求解，把噴涂過程中甲苯擴散的過程作為研究對象，在不同通風(fēng)量、排風(fēng)口高度、排風(fēng)口位置、通風(fēng)口形狀的工況下，結(jié)合CFD方法，研究其分布規(guī)律，把垂直、水平控制面上污染物的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)和平均速度作為評價指標(biāo)，通過方差分析并綜合考慮勞動者舒適性等因素，對木制家具涂裝過程中影響通風(fēng)效率的因素進行正交設(shè)計。

1 模型的建立

模擬的過程為室內(nèi)污染物的擴散過程，在不影響模擬結(jié)果的前提下，需對相關(guān)條件進行必要假設(shè)：連續(xù)性介質(zhì)、非穩(wěn)態(tài)湍流、無化學(xué)反應(yīng)、t=0時污染物濃度為零。室內(nèi)污染物擴散屬于流體流動的范疇，因此應(yīng)遵循流體流動基本物理守恒定律，包括：質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、動量守恒定律、組分守恒定律。

以某家具廠涂裝過程中化學(xué)揮發(fā)性有機化合物(VOCs)擴散作為數(shù)值模擬研究對象,通過室內(nèi)甲苯擴散速度場、濃度場的數(shù)據(jù)來研究其擴散規(guī)律并設(shè)計正交方案進行優(yōu)化。

根據(jù)《涂裝作業(yè)安全規(guī)程 涂漆工藝安全及其通風(fēng)凈化》(GB 6514—2008)，可知噴漆過程中化學(xué)揮發(fā)性有機物含量約占油漆總量的0.65。物理模型選擇常規(guī)噴漆房模型(見圖1)，室內(nèi)濕度、壓力、溫度等參數(shù)采用默認(rèn)值,污染物散發(fā)源為油漆噴槍，噴槍噴射速度最大可達4.248 kg/h，在噴漆過程中C7H8有組織擴散速度約0.167 kg/h，占污染物濃度的3.93%。模型的具體參數(shù)見表1。

2 甲苯分布規(guī)律的模擬分析

家具制造業(yè)手動噴漆房通風(fēng)設(shè)施技術(shù)規(guī)程對室內(nèi)污染物監(jiān)測點做出相關(guān)要求：通風(fēng)形式為上送下排時，地面標(biāo)高為0 m，取1.5 m處(即z=1.5 m)水平截面為控制面；通風(fēng)形式為上送側(cè)排時，取涂裝作業(yè)人員所在位置(即x=3.05 m)垂直截面為控制面。

1—出口；2—光源；3—噴漆臺；4—通風(fēng)口；5—收集池； 6—水簾幕板；7—排風(fēng)口。

表1 模型具體參數(shù)

2.1 初始設(shè)置情況下的甲苯分布

本次研究初始設(shè)置條件：送風(fēng)量為8.0×103m3/h，排風(fēng)口為0.64 m2(正方形)，排風(fēng)口標(biāo)高0.2 m。初始設(shè)置條件下，甲苯分布見圖2。當(dāng)室內(nèi)甲苯擴散基本平穩(wěn)時，垂直、水平控制面上甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.54×10-5(質(zhì)量濃度為1.89×10-2g/m3)、1.30×10-5(質(zhì)量濃度為1.59×10-2g/m3)；平均速度分別為0.50、0.46 m/s。

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

2.2 改變通風(fēng)量

通風(fēng)量的大小會直接影響甲苯的擴散速度及濃度分布。保持通風(fēng)口尺寸一致，改變通風(fēng)量大小，研究3種不同的工況下氣流組織分布情況。通風(fēng)量為1.0×104m3/h時，甲苯分布見圖3。室內(nèi)甲苯擴散基本穩(wěn)定時，垂直、水平控制面上甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為7.89×10-6(質(zhì)量濃度9.7×10-3g/m3)、6.23×10-6(質(zhì)量濃度7.6×10-3g/m3)；平均速度分別為0.63、0.51 m/s。通風(fēng)量為1.2×104m3/h時，噴漆房內(nèi)甲苯擴散基本穩(wěn)定時，垂直、水平控制面上甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.38×10-6(質(zhì)量濃度5.4×10-3g/m3)、2.59×10-6(質(zhì)量濃度3.12×10-3g/m3)；平均速度分別為0.79、0.66 m/s。

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

對比分析3種工況下甲苯速度場、濃度場的變化：當(dāng)送風(fēng)量由8.0×103m3/h增至到1.0×104m3/h時，甲苯的濃度出現(xiàn)快速降低趨勢，擴散速度加快；當(dāng)送風(fēng)量1.0×104m3/h增至1.2×104m3/h時，甲苯濃度呈現(xiàn)緩慢降低趨勢，擴散速度加快?？芍谝欢ǚ秶鷥?nèi)增大通風(fēng)量可降低室內(nèi)污染物濃度，但通過增加通風(fēng)量來降低污染物濃度具有一定局限性，當(dāng)通風(fēng)量達到一定值后，增加通風(fēng)量后噴漆房內(nèi)污染物濃度下降趨勢緩慢。各工況下控制面濃度均為可接受范圍，但當(dāng)作業(yè)人員周圍風(fēng)速過大時會影響其勞動舒適感(風(fēng)速應(yīng)控制在0.3～0.5 m/s)，故通風(fēng)量為8.0×103m3/h時通風(fēng)效果最優(yōu)。

2.3 改變排風(fēng)口高度

排風(fēng)口距地面高度會直接影響噴漆房內(nèi)通風(fēng)效率。本次模擬取排風(fēng)口標(biāo)高為0.1、0.2、0.3 m等3種工況，對甲苯擴散規(guī)律進行分析。排風(fēng)口標(biāo)高0.1 m時，甲苯分布云圖見圖4。室內(nèi)甲苯擴散基本穩(wěn)定后，垂直、水平控制面上甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.60×10-5(質(zhì)量濃度1.96×10-2g/m3)、9.89×10-6(質(zhì)量濃度1.21 ×10-2g/m3)；平均速度分別為0.55、0.40 m/s。排風(fēng)口標(biāo)高0.3 m時，室內(nèi)甲苯擴散基本穩(wěn)定后，垂直、水平控制面上甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.49×10-5(質(zhì)量濃度1.82×10-2g/m3)、9.95×10-6(質(zhì)量濃度1.22×10-2g/m3)；平均速度分別為0.55、0.41 m/s。

對比分析可認(rèn)為：排風(fēng)口標(biāo)高0.3 m時，污染物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)較另外兩種工況略小。隨著排風(fēng)口標(biāo)高增加，甲苯濃度降低，控制面風(fēng)速上升，室內(nèi)通風(fēng)效果更好。綜合考慮控制面上平均質(zhì)量濃度及勞動者作業(yè)舒適度的要求，認(rèn)為排風(fēng)口標(biāo)高0.2 m時通風(fēng)效果更好。

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

2.4 改變排風(fēng)口位置

當(dāng)室內(nèi)排風(fēng)口位置發(fā)生改變時，室內(nèi)甲苯擴散規(guī)律也會發(fā)生變化。本次分析取排風(fēng)口距離左墻3.5、5.0、6.5 m等3種工況下甲苯分布情況。排風(fēng)口距左墻3.5 m時，甲苯分布云圖見圖5。室內(nèi)甲苯擴散基本穩(wěn)定時，垂直、水平控制面上甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6.59×10-6(質(zhì)量濃度8.07×10-3g/m3)、6.75×10-6(質(zhì)量濃度8.27×10-3g/m3)；平均速度分別為0.68、0.47 m/s。排風(fēng)口距左墻3.5 m時，室內(nèi)甲苯擴散基本穩(wěn)定時，垂直、水平控制面上甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.49×10-5(質(zhì)量濃度1.83×10-2g/m3)、1.10×10-5(質(zhì)量濃度1.35×10-2g/m3)；平均速度分別為0.45、0.46 m/s。

對比可知，當(dāng)噴漆房內(nèi)甲苯擴散基本穩(wěn)定時，排風(fēng)口與左墻距離由3.5 m增大到5.0 m時，控制面周圍的甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，風(fēng)速降低；排風(fēng)口與左墻距離由5.0 m增大到6.5 m時，控制面附近甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)少量降低，風(fēng)速降低。分析后可認(rèn)為工況一通風(fēng)效果更佳。

2.5 改變通風(fēng)口形狀

對于噴漆房內(nèi)污染物擴散，通風(fēng)口的形狀也同樣起到重大影響作用。本次模擬取通風(fēng)口形狀分別為長方形(3.2 m×0.2 m)、正方形(0.8 m×0.8 m)、圓形(R=0.9 m)條件下，研究室內(nèi)甲苯擴散規(guī)律。

通風(fēng)口形狀為長方形時，甲苯分布云圖見圖6。室內(nèi)甲苯擴散基本穩(wěn)定時，垂直、水平控制面上甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.21×10-5(質(zhì)量濃度1.48×10-2g /m3)、1.68×10-5(質(zhì)量濃度2.06×10-2g /m3)；平均速度分別為0.41、0.37 m/s。

通風(fēng)口形狀為圓形時，甲苯分布云圖見圖7。室內(nèi)甲苯擴散基本穩(wěn)定時，垂直、水平控制面上污染物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.60×10-5(質(zhì)量濃度1.96×10-2g/m3)、1.07×10-5(質(zhì)量濃度1.31×10-2g/m3)；平均速度分別為0.57、0.48 m/s。

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

對比圖2、圖6、圖7可認(rèn)為：通風(fēng)口形狀為圓形時室內(nèi)污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于另外兩種情況；通風(fēng)口形狀對甲苯運動速度影響程度：圓形>正方形>長方形。通風(fēng)口形狀為正方形時，控制面上污染物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。綜合考慮控制面上平均質(zhì)量濃度及勞動者作業(yè)舒適度的要求，通風(fēng)口形狀為正方形狀時通風(fēng)效果最優(yōu)。

3 基于正交方案的氣流組織優(yōu)化設(shè)計

本文選定4個因素、3個等級，采用正交方案設(shè)計，按正交表為L9(34)=4×(3-1)+1=9種。

3.1 編制方案

結(jié)合單一因素對噴漆房內(nèi)氣流組織的影響，針對各單一影響因素及各工況進行正交性分析，制定正交方案因素等級表，設(shè)計方案及方案結(jié)果見表2。

表2 設(shè)計方案及方案結(jié)果

續(xù)表2

基于正交方案對數(shù)據(jù)進行方差分析，在進行檢驗顯著性前，可通過設(shè)置低影響因素為誤差項來提高F檢驗的靈敏性。通過在2.5節(jié)對通風(fēng)口形狀分析可知通風(fēng)口形狀對室內(nèi)通風(fēng)影響較低，在此將通風(fēng)口形狀設(shè)為誤差項，方差分析見表3。

表3 方差分析

從表3可以看出，4種因素對噴漆房內(nèi)污染物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響顯著性低；排風(fēng)口位置對甲苯平均速度的影響的顯著性高于其他因素。兩組方案指標(biāo)的優(yōu)水平一致，得出對室內(nèi)甲苯擴散影響程度的大?。号棚L(fēng)口距左墻位置>排風(fēng)口標(biāo)高>通風(fēng)量>通風(fēng)口形狀，優(yōu)組合方案數(shù)據(jù)： 1.0×104m3/h、5.0 m、0.2 m、長方形。

3.2 氣流組織優(yōu)化設(shè)計方案

基于正交方案設(shè)計并進行方差分析得出氣流組織優(yōu)化設(shè)計方案，但其真正通風(fēng)效果仍需進一步驗證。由圖8可以看出，噴漆房內(nèi)甲苯擴散基本穩(wěn)定時， 垂直、水平控制面上甲苯平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.75×10-5(質(zhì)量濃度2.14×10-2g/m3)、9.33×10-6(質(zhì)量濃度1.14×10-2g/m3)；平均速度分別為0.45、0.37 m/s。

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

通過對比初始設(shè)置條件下及優(yōu)化方案條件下垂直、水平控制面上甲苯分布云圖，可知前者垂直控制面上甲苯濃度略低，后者水平控制面甲苯濃度略低，但前者平均速度處于勞動者舒適度要求速度范圍的臨界值附近，選取最優(yōu)方案時，通風(fēng)要求及作業(yè)人員舒適度均需考慮。綜合考慮后可認(rèn)為后者更符合現(xiàn)實要求。

4 結(jié)論

(1)本文利用CFD模擬研究噴漆房內(nèi)通風(fēng)量、排風(fēng)口高度、排風(fēng)口位置、通風(fēng)口形狀等因素對污染物擴散的影響。在噴涂油漆過程中污染物釋放量一定條件下，各單一因素的改變均會改變污染物擴散的運動軌跡，通過對木制家具涂裝過程中氣流組織擴散規(guī)律分析，得出單組最優(yōu)解。

(2)基于正交設(shè)計并對噴涂過程中影響污染物擴散的因素進行方差分析及綜合考慮勞動者作業(yè)舒適度的角度提出了氣流組織優(yōu)化方案數(shù)據(jù)：通風(fēng)量1.0×104m3/h、排風(fēng)口距左墻5.0 m、排風(fēng)口標(biāo)高0.2 m、通風(fēng)口形狀為長方形。

(3)CFD模擬方法在保證模擬數(shù)據(jù)可靠性前提下進行多因素多水平組合模擬，對提高室內(nèi)通風(fēng)效率方面有著重要的指導(dǎo)意義，對噴涂工藝過程提出可量化、易實現(xiàn)的措施，為企業(yè)提高噴漆房內(nèi)通風(fēng)效率，降低勞動者職業(yè)危害提供了參考性建議。