送風速度對廠房氣流組織及煙塵控制的影響（其他）

                             孫如意 彭彪

                       中南大學能源科學與工程學院

摘要：置換通風以其在高大空間的節能、熱舒適性及室內空氣品質等方面的優越性，在焊接廠房的煙塵治理中得到了廣泛的應用。針對指導置換通風的規范標準相對缺乏，詳細的工程設計參考數據不足這一問題采用CFD方法研究焊接廠房置換通風的優化設計。影響焊接廠房室內氣流組織和空氣品質的因素有：送風溫度、送風速度、送風筒的安裝高度等，其中送風速度對廠房的氣流組織和人體舒適性有很大的影響。本文以南車長江車輛有限公司的焊接廠房為例，模擬分析不同的送風速度對焊接廠房內氣流組織和污染物濃度分布的影響。

關鍵詞：置換通風送風速度氣流組織煙塵濃度

    焊接車間的特點在于污染物伴隨熱源（焊點）產生，空間高大（通常廠房高達8～12 m，甚至更高），熱負荷不太高，工作區和熱源都在車間較低處等，使得焊接廠房比較適合采用置換通風的方式。影響焊接廠房室內氣流組織和空氣品質的因素有：送風溫度、送風速度、焊接臺距送風口的距離、送風筒的安裝高度等，其中送風速度對焊接廠房氣流組織的影響較大。本文以南車長江車輛有限公司的焊接廠房為例，模擬分析不同的送風速度對焊接廠房內氣流組織和污染物濃度分布的影響，使廠房內的參數滿足如下要求：4m以下工作區的粉塵濃度≤4 mg/m³，廠房內控溫區要求夏季溫度27℃以下，焊接臺處風速≤0.5 m/s，置換通風房間內的溫度梯度小于2C/m，站姿時，頭部和腳步溫差≤3℃。

1  數學模型的建立

    本文采用標準的k-兩方程模型，模擬的對象是焊接廠房內空氣的湍流流動，由于存在焊接熱源的作用，室內空氣溫度變化較大，不能忽略其引起的密度變化，于是引入Boussinesq假設。

    通用控制方程如下：

    1)連續性方程

2  物理模型及邊界條件

2.1物理模型

    本文研究對象是機車小部件鋁合金焊接車間，該車間的長24m，寬18m，高9m，車間共有6臺焊機，12個焊接點，由于該車間為對稱結構和模擬條件的限制，只選取車間的一部分進行研究（圖1），采用的焊接方法為氬弧焊，焊接材料是直徑為1.6 mm的實心焊絲，焊點發塵量按每個焊點平均8h的消耗的焊材為15 kg，每kg焊材的發塵量是10 g/kg，焊接操作點焊接煙塵發塵量約為5.2 mg/s，平均發熱量為9.28 kW，由于焊接煙塵的擴散是一個十分復雜的過程，目前還沒有研究出焊接煙塵擴散過程的計算模型，而煙塵在焊接廠房中會隨空氣一起流動，所以在本文中將對其進行簡化，將煙塵作為氣相流考慮，對焊接煙塵將采用mixture model進行模擬。

2.2數值模擬的邊界條件

    入口邊界條件：采用velocity-inlet，通風裝置采用圓柱形送風筒，高度為0.6 m，半徑為0.2 m，出風有效面積為50%，送風筒底部標高為0.8 m，送風溫度為24℃，送風速度依據換氣次數的不同分為0.6 m/s，0,9 m/s，1.1 m/s三種工況進行分析；出口邊界條件采用outflow；回風口為0.6 mx0.6 m的矩形回風口，置頂安裝；壁面邊界條件：均無滑移，絕熱。

3  送風速度對室內空氣品質的影響

    影響室內空氣品質的因素很多，其中送風速度對室內空氣品質和舒適性的影響很大，不同的送風速度對室內的溫度場、速度場和污染物濃度場都有著重要影響。本次模擬的目的在于對送風溫度、送風筒安裝高度一定的情況下，研究出適宜焊接廠房的最佳送風速度，使其既滿足4m以下工作區的粉塵濃度≤4 mg/m³，廠房內控溫區要求夏季溫度27℃以下，焊接臺處風速≤0.5 m/s，置換通風房間內的溫度梯度站姿時頭部和腳步溫差≤3℃的要求，又比較節能。送風工況見表1。

3.1送風速度對廠房內速度場的影響

    參考截面的速度等值線圖2-4可以看出，隨著送風速度的增加，廠房內的氣流速度整體都有所增加，《采暖通風與空氣調節設計規范》( GB50019-2003)中規定：工藝性空氣調節室內溫濕度活動區的風速夏季宜采用0.2～0.5 m/s，而南車長江車輛有限公司要求焊接廠房焊臺處風速小于0.5 m/s，風速過大會影響焊接質量。從圖中可以看出，當換氣次數由4次m增大到6次m時，送風速度由0.6 m/s增大到1.2 m/s時，廠房內主要工作區附件的送風速度都小于0.5 m/s，所以此設計滿足焊接車間速度的要求。

3.2送風速度對廠房內煙塵濃度的影響

    從圖5~7可以看出，隨著送風速度的增加廠房內污染物濃度都有所降低，尤其是廠房內煙塵濃度超過4mg/m³的區域都在明顯的減小，可見送風速度的增加可以很好地降低廠房內污染物的濃度。但是送風速度的增加會在工作區域內形成比較大的氣流漩渦，氣流漩渦會卷走更多的污染物帶到人呼吸的區域，使工作區域的空氣質量變差，影響焊接工人的身體健康，所以送風速度不是越大越好。南車長江車輛有限公司要求焊接廠房工作區的煙塵濃度小于4 mg/m³，從圖中可以看出，換氣次數為4次／h時的煙塵濃度大于4 mg/m³，所以從降低焊接廠房煙塵濃度的角度出發，送風速度為0.6 m/s時的送風工況不滿足要求。

3.3送風速度對廠房內溫度的影響

    從圖8可以看出，在廠房1m以下的工作區，隨著送風速度的增加，溫度是逐漸降低的，但是在2m以上的區間，隨著送風速度的增加，并沒有改變廠房內溫度分層的整體趨勢，但是卻降低了各層上的溫度值，這說明送風速度的增加有利于消除廠房內的熱負荷，從整體上降低廠房內的溫度。南車長江車輛有限公司要求置換通風房間內的溫度梯度小于2C/m，站姿時，頭部和腳步溫差≤3℃，從圖中可以看出三種工況都滿足要求，但是工況1卻不滿足廠房內控溫區要求夏季溫度27℃以下的要求。

4  結論

  在對送風速度對廠房內氣流組織及煙塵控制的影響的研究中，可以看出，在送風溫度、送風筒安裝高度不變的情況下，選取送風速度為0.6 m/s、0.9 m/s、1.1 m/s，換氣次數依次為4次m、5次m、6次m三種工況對焊接廠房內的流場進行了數值模擬并且進行了詳細的分析，得出送風速度越大，越有利于降低室內溫度，排出污染物，但是不能一味地提高送風速度，以免出現焊接臺的風速大于0.5 m/s，影響焊接質量，送風速度的一味增加還會容易增大工作區的氣流漩渦，使煙塵在氣流的帶動下進入工作區，影響工人的身體健康，但是送風速度低又達不到廠房要求的4m以下的工作區域夏季溫度在27℃以下的要求，例如工況1，所以針對南車長江車輛有限公司的焊接廠房的模型特點、焊接材料的使用及焊接方法，對廠房進行5次／h的換氣次數，即0.9 m/s的送風速度進行置換通風。