基于數值模擬的槽邊射流吹吸罩控制面與控制風速研究*

王志麗

(1.中國安全生產科學研究院，北京 100029； 2.塵毒危害預防與控制技術國家安全生產監督管理總局安全生產重點實驗室，北京 100029)

0 引言

1 槽邊吹吸罩計算方法及模型的建立

1.1 計算方法

蘇聯巴杜林的射流末端速度法、B.H.巴索興和B.A.博羅達的臨界斷面法、美國W.C.L.海米昂方法等幾種方法，在條件和所取控制參數均相同的條件下，所得結論基本相同，幾種計算方法并無本質上的差別，選擇正確的控制參數是設計的關鍵[11]。

本文選取常用的蘇聯巴杜林的射流末端速度法為例進行分析，該方法主要思想是只要保持吸風口前吹氣射流末端的平均速度不小于一定值，就能對槽內散發的污染物進行有效控制，通過大量實驗，確定了槽內氣流溫度和槽的寬度與吹氣射流末端平均速度的關系，而忽略其他影響因素。對于槽邊吹吸罩，該方法的設計與計算過程[15]如下：

2)吹風口高度h一般為0.010B～0.015B，為防止吹風口發生堵塞，吹風口高度h應大于5～7 mm。

4)根據平面射流計算得到吹風口出口風速v1，按式(1)進行計算：

(1)

式中:α為紊流系數，條縫式吹風口或吸風口取α=0.2。吹風口出口風速不宜超過10～12 m/s，以免液面波動。

5)吹風口的風量L1按式(2)進行計算。

L1=h·l·v1

(2)

式中:l為風罩罩口長度(單位：m)。

(3)

9)排風口高度H按式(4)進行計算。

(4)

1.2 幾何模型

建立1個長4 m，寬4 m，高3 m的計算空間，計算空間內設置1個長2 m，寬2 m，高1.5 m的工業槽，送風口和排風口大小及風速按照巴士林計算方法進行計算，假設槽內污染氣體為苯，以0.1m/s的速度向車間散發，槽內溶液溫度為40℃。

采用三維幾何模型，考慮到吹吸罩是研究重點，將送風罩、排風罩和工業槽寬度等全部設置在模型內，工業槽長度對于控制面和控制風速影響較小，因此，模型中對工業槽長度進行了適當簡化，設置為2 m進行研究；送排風機及其管道對研究影響較低，模型中對管道進行了適當簡化，省去了送風機和排風機等部件。根據實際情況，適當簡化后，用GAMBIT建立模型，如圖1(a)所示，對其模型進行網格劃分(0.05 m為基本尺寸)，如圖1(b)所示。

1.3 邊界條件

結合模型和Fluent的模擬方法，確定數值模擬的邊界條件，如表2所示。

2 風速對控制面位置和控制效果的影響

2.1 風速對控制面位置的影響

利用Fluent軟件，對巴杜林方法計算得到的6組不同風速時的吹吸罩進行模擬計算，得到不同風速時空間內風流流場分布，如圖2所示。

圖1 槽邊射流吹吸罩的模型與網格劃分Fig. 1 The model and meshing of jet push-pull hood for industrial tank

圖2 不同風速時空間內風流流場分布云Fig. 2 Flow distribution in different wind speeds

計算模型模型設定求解器非耦合求解法湍流模型k-ε雙方程模型能量方程開啟入口邊界類型速度入口入口速度/(m·s-1)2.47水力直徑/m8湍流強度/%1出口邊界類型出流

由圖2可知，不同送排風風速時，槽邊射流吹吸罩控制面板(風速最小點)主要集中在距離送風口1.2～1.6 m范圍的位置。為進一步消除吹吸罩寬度B的影響，提出通用共性結論，采用無量化的處理方法，將距離送風口的距離x用k代替，k=距送風口距離(x)/吹吸罩間距(L)，從而得到，在距送風口0.6～0.8倍L處，風速達到最小值，即控制面位置。

為進一步精確確定控制面位置，在排風口上邊緣處取一條線，觀察這條線上的速度變化情況，如圖3所示。

圖3 不同風速時排風口上邊緣處速度分布Fig. 3 Velocity distribution at the upper edge of exhaust for different air speeds

由圖3可知，在不同的送排風速條件下，吹吸罩口之間污染源上方最低風速在距離送風罩罩口0.65倍L的位置，即控制面位置。根據模擬結果，槽邊射流吹吸罩的控制面一般為距離送風口0.65倍L處與氣流方向垂直的截面。

2.2 風速對污染物控制效果的影響

由模擬分析結果導出數據可知，0.65L處控制面風速如表3所示。

表3 風速對控制面風速的影響

利用Fluent對射流吹吸罩對工業槽內污染源控制情況進行模擬，取排風口上部、從排風口到墻面之間一條線上的苯的濃度，得到不同速度下送風口至排風口之間苯的濃度分布，如圖4所示。

圖4 不同風速下苯濃度分布Fig.4 Distribution of benzene concentration at different wind speeds

由圖4可知，隨著控制風速的增大，在吹吸罩之間逸散到空氣中苯的濃度逐步減少。當控制風速為1.28 m/s(即v1=6.8 m/s，v2=3.3 m/s)時，苯未逸散到空間中，空間中苯的濃度約為0 mol/m3；當控制風速降到0.94 m/s(v1=5.56 m/s，v2=2.7 m/s)時，只有少量苯逸散到空氣中，但未能有效控制苯的擴散。根據模擬結果，控制面板控制風速不宜小于1.28 m/s，否則會導致毒物擴散。

3 結論

1)利用無量綱化的處理方法消除工業槽寬度的影響，槽邊射流吹吸罩控制面處于0.6～0.8L處，一般取0.65L所在垂直截面為槽邊射流吹吸罩控制面。

2)為有效控制污染物的擴散，槽邊射流吹吸罩控制面的風速不宜小于1.28 m/s。

3)得出的相關結論可為槽邊射流吹吸罩的設計、應用以及性能檢測與評價等提供基礎理論依據。

[1] Huebener D J, Hughes R T. Development of push-pull ventilation[J]. American Industrial Hygiene Association Journal, 1985, 46(5):262-267.

[2] Robert T. Hughes. An overview of push-pull ventilation characteristics[J]. Applied Occupational &Enviromental Hygiene, 1990, 5(3):156-161.

[3] F. Marzal, E. González, A. Miana, et al. Visualization of airflows in push-pull ventilation systems applied to surface treatment tanks[J]. Aiha Journal A Journal for the Science of Occupational & Environmental Health & Safety, 2003, 64(4):455-460.

[4] 鄭文亨,王怡, 唐易達. 吹吸式通風技術應用研究現狀[J]. 暖通空調, 2011,41 (4): 1-5.

ZHENG Wenheng, WANG Yi, TANG Yida. Status of researches and applications of push-pull ventilation technology [J]. HV&AC, 2011,41 (4): 1-5.

[5] 劉漢杰, 陳旺生, 吳高明, 等. 一種冷軋帶鋼吹吸式粉塵治理新技術研究[J]. 工業安全與環保, 2010,36 (5): 17-18.

LIU Hanjie，CHEN Wangsheng，WU Gaoming，et al. A new blowing and sucking technology of collecting dust on cold strip surface [J].Industrial Safety and Environmental Protection, 2010,36 (5): 17-18.

[6] 郭配山, 付海明, 趙友軍,等. 吹吸氣流的設計方法及其數值模擬[J]. 潔凈與空調技術, 2007(2):38-43.

GUO Peishan, FU Haiming, ZHAO Youjun, et al. The design methods and simulation of push-pull ventilation [J]. CC&AC, 2007(2): 38-43.

[7] American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH). Industrial Ventilation, A Manual of Recommended Practice(24th ed.)[M]. Lansing, MI:ACGIH, 2001:108-112

[8] Huang R F, Lin S Y, Jan S Y, et al. Aerodynamic characteristics and design guidelines of push-pull ventilation systems[J]. Annals of Occupational Hygiene, 2005, 49(1):1-15.

[9] 林太郎(日)著. 工廠通風[M]. 張華本, 孫一堅譯. 北京：中國建筑工業出版社，1986

[10] 成琳超.送風口上置吹吸式通風系統特性的實驗及數值模擬研究[D].陜西：西安建筑科技大學，2013

[11] 邢增輝, 王增欣.吹吸式通風罩計算方法探討[J]. 河南城專學報, 1992(1):8-15.

XING Zenghui, WANG Zengxin. Discussion on calculation method of push-pull ventilation hood [J]. Ventilation and dust removal, 1992(1):8-15.

[12] 于廣榮. 幾種吹吸式通風罩計算法的分析與比較[J]. 通風除塵, 1984(1):1-5.

YU Guangrong. Comparison and analysis of several calculation methods of push-pull ventilation hood [J]. Ventilation and dust removal, 1984(1):1-5

[13] 周宇.基于傳質法的吹吸式通風系統流場特性研究[D].陜西：西安建筑科技大學，2014.

[14] 茅清希, 史建國, 孫莉華. 吹吸氣流的實驗研究[J]. 通風除塵, 1995(3):11-14.

MAO Qingxi, SHI Jianguo, SUN Lihua. Research onairflows of push-pull by experiment [J].Ventilation and dust removal, 1995(3):11-14.

[15] 孫一堅, 沈恒根. 工業通風[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.