網(wǎng)板對(duì)濾毒罐氣動(dòng)特性影響研究

司芳芳，葉平偉,2，皇甫喜樂(lè)，王立瑩，吳 瓊

(1.防化研究院， 北京 100191； 2.國(guó)民核生化災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102205)

防毒面具濾毒罐作為呼吸道個(gè)人防護(hù)裝備中最核心的部件之一，主要是過(guò)濾灰塵、氣溶膠和吸收毒劑。目前研究的弧形濾毒罐結(jié)構(gòu)相比國(guó)內(nèi)裝備的防毒面具采用的圓柱形濾毒罐結(jié)構(gòu)通氣阻力減小，防護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)，離面部較近，扭矩減小，增加了佩戴人員的生理舒適性。為了進(jìn)一步降低弧形濾毒罐的通氣阻力、延長(zhǎng)防護(hù)時(shí)間和防護(hù)性能，可以通過(guò)以下兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：一是提升裝填防護(hù)材料的性能；二是優(yōu)化濾毒罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)。欒志強(qiáng)等[1]一直致力于防護(hù)材料的研究，開(kāi)發(fā)出了性能優(yōu)異的系列防護(hù)材料，包括ASZM-TEDA型(Cu-Zn-Mo-Ag-TEDA體系)無(wú)鉻浸漬炭、穿透性毒劑防護(hù)炭、燒結(jié)纖維防護(hù)材料等，提升了對(duì)化學(xué)戰(zhàn)劑的高效、廣譜防護(hù)性能。

目前，國(guó)內(nèi)濾毒罐的設(shè)計(jì)往往以經(jīng)驗(yàn)為主，基本還是沿襲以往的濾毒罐結(jié)構(gòu)。隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法的發(fā)展，可以通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)分析濾紙和活性炭等多孔介質(zhì)內(nèi)部氣流場(chǎng)[2-3]，以確定優(yōu)先流和死區(qū)的區(qū)域，為設(shè)計(jì)出濾紙和活性炭利用率更高的結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。Yin Chia Su等[4-5]采用CFD方法對(duì)62A濾毒罐進(jìn)行3D數(shù)值模擬，主要研究了網(wǎng)板上開(kāi)孔方式和吸附層厚度對(duì)濾毒罐通氣阻力和吸附層死區(qū)范圍的影響。防化研究院李小銀、黃強(qiáng)、王立瑩等長(zhǎng)期進(jìn)行防毒面具和濾毒罐結(jié)構(gòu)的研究，并采用CFD方法數(shù)值模擬研究了濾毒罐內(nèi)多孔介質(zhì)氣動(dòng)特性和弧形罐氣動(dòng)特性。

在前期弧形罐研究工作的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步減小濾毒罐的通氣阻力，提高防護(hù)性能，提升使用人員的舒適性和安全性，對(duì)弧形濾毒罐上下網(wǎng)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。本文主要采用CFD方法數(shù)值模擬研究不同網(wǎng)板結(jié)構(gòu)對(duì)弧形濾毒罐氣動(dòng)特性影響，重點(diǎn)研究吸附層氣流分布情況；并進(jìn)行了弧形濾毒罐的通氣阻力和防護(hù)性能實(shí)測(cè)，與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證，從理論上深入剖析，為濾毒罐上下網(wǎng)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)，加快濾毒罐的更新?lián)Q代。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 控制方程

控制方程是三維雷諾平均Navier-Stokes(納維-斯托克斯)方程。防毒面具濾毒罐實(shí)測(cè)氣流流量Q= 30 L/min，相應(yīng)雷諾數(shù)約1 800，因此需要考慮湍流的影響，采用低雷諾數(shù)修正k-ε湍流模型。

1.2 網(wǎng)格和研究模型

本文主要研究四種網(wǎng)板結(jié)構(gòu)對(duì)圓柱形濾毒罐及弧形濾毒罐(如圖1和圖2所示)氣動(dòng)特性影響，網(wǎng)板開(kāi)孔方式如圖3所示，其中a網(wǎng)板為目前國(guó)內(nèi)常用圓柱形濾毒罐網(wǎng)板。不同網(wǎng)板對(duì)應(yīng)的濾毒罐模型具體特征參見(jiàn)表1。

圖1 通用的濾毒罐(模型A)

圖2 雙面弧結(jié)構(gòu)濾毒罐(模型B)

圖3 網(wǎng)板開(kāi)孔示意圖

模型上網(wǎng)板下網(wǎng)板模型Aa網(wǎng)板a網(wǎng)板模型Ba網(wǎng)板a網(wǎng)板模型D1b1網(wǎng)板a網(wǎng)板模型D2b2網(wǎng)板a網(wǎng)板模型D3b3網(wǎng)板a網(wǎng)板模型E1b1網(wǎng)板b1網(wǎng)板模型E2b1網(wǎng)板b2網(wǎng)板模型E3b1網(wǎng)板b3網(wǎng)板

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文研究省略多褶濾紙的影響，把過(guò)濾層視為單一層，且假定多濾層和吸附層這兩個(gè)多孔介質(zhì)層為均勻的；由于所有模型都是左右對(duì)稱的，所以僅模擬1/2結(jié)構(gòu)。由于弧形狀濾煙層折疊過(guò)程中容易造成過(guò)濾紙的損壞，降低過(guò)濾效率，故實(shí)驗(yàn)仍采用平面結(jié)構(gòu)濾煙層，因此計(jì)算中濾煙層也采用平面結(jié)構(gòu)。本文重點(diǎn)研究濾毒罐弧形結(jié)構(gòu)對(duì)吸附層氣動(dòng)特性影響，因此所有模型濾紙高度和褶數(shù)一樣。所有模型的數(shù)值模擬均采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。由于7個(gè)弧形罐模型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)類似，本文僅給出模型B的網(wǎng)格示意圖，如圖4所示。

圖4 模型B網(wǎng)格

1.3 多孔介質(zhì)參數(shù)

濾紙和活性炭都是多孔介質(zhì)，是濾毒罐通氣阻力的主要來(lái)源。濾毒罐數(shù)值模擬時(shí)氣流流量相對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)要增加對(duì)流項(xiàng)以考慮慣性影響，而達(dá)西方程僅考慮黏度影響，因此選用Forchheimer方程：

(1)

其中：ΔP是多孔介質(zhì)區(qū)域的通氣阻力；L是流經(jīng)方向的長(zhǎng)度；μ是流體黏度；VS表示進(jìn)入多孔介質(zhì)區(qū)流體的表面速度；α是多孔材料或黏度參數(shù)的滲透率倒數(shù)；β通常稱為慣性參數(shù)。 當(dāng)VS很低或雷諾數(shù)很小時(shí)，慣性效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于黏效應(yīng)。

實(shí)測(cè)中弧形濾毒罐濾煙層采用機(jī)折玻纖紙，高度為12 mm，褶層數(shù)為43；吸附層為ASZM-TEDA型無(wú)鉻浸漬炭(椰殼破碎炭)，該材料能夠?qū)?jīng)典毒劑，如沙林、氯化氰、氫氰酸以及光氣等進(jìn)行廣譜、高效防護(hù)。該材料粒度范圍為12～30目，裝填層高度為20 mm，具體的參數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 濾毒罐裝填浸漬炭的主要參數(shù)值

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得玻纖紙和ASZM-TEDA型無(wú)鉻浸漬炭不同氣流流量下的通氣阻力，利用曲線擬合獲取濾煙層及吸附層Forchheimer方程中的參數(shù)。

濾煙層的多項(xiàng)式是

(2)

吸附層的多項(xiàng)式是

(3)

濾煙層系數(shù)：

α1=2.81×109m-2，β1=0.75×105m-1

吸附層系數(shù)：

α2=2.86×109m-2，β2=1.25×105m-1

2 結(jié)果分析

2.1 上網(wǎng)板影響

首先對(duì)不裝填濾紙和活性炭的空罐進(jìn)行了數(shù)值模擬，入口氣流流量Q=30 L/min。

圖5給出了模型B、模型D1、模型D2和模型D3對(duì)稱截面上速度矢量分布圖，可以看出，吸附層最外側(cè)都有回流區(qū)。當(dāng)流體流經(jīng)吸附層時(shí)，多孔流不會(huì)造成周邊區(qū)域的回流。但是，如果流體不易流入該區(qū)域，容易形成死區(qū)，減少了流動(dòng)區(qū)域，進(jìn)而增加流經(jīng)區(qū)域的表面速度和通氣阻力。

圖5 空罐吸附層x=0截面處速度矢量

為了具體分析4個(gè)模型對(duì)弧形罐氣動(dòng)特性的影響，重點(diǎn)研究了Q=30 L/min時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果。表3給出了不同模型的通氣阻力。模型B的通氣阻力最大，模型D2的通氣阻力最小，二者相差10%。上網(wǎng)板開(kāi)孔為方形時(shí)的3個(gè)模型D1/D2/D3通氣阻力都比上網(wǎng)板開(kāi)孔為圓形時(shí)的模型B小，由此可見(jiàn)，上網(wǎng)板為方形孔結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)吸附層遮擋面積減小，濾毒罐的通氣阻力減小。

4個(gè)模型對(duì)稱截面上的滯留時(shí)間等值線分布如圖6所示。4個(gè)模型在吸附層外側(cè)出口附近區(qū)域氣體滯留時(shí)間均較長(zhǎng)，在中間區(qū)域滯留時(shí)間較短，氣流滯留時(shí)間不均勻。結(jié)合圖7、圖8可以看出：4個(gè)模型氣流滯留時(shí)間在距中心點(diǎn)1/5～3/5處均停留時(shí)間最短，在距中心點(diǎn)1/5到最外側(cè)，4個(gè)模型的氣流滯留時(shí)間差別很小，僅在距中心1/5處差別明顯。在距中心1/5區(qū)域內(nèi)，模型B的氣流滯留時(shí)間相比模型D1長(zhǎng)，模型D3相比模型D1、D2的停滯時(shí)間最長(zhǎng)，氣流滯留時(shí)間短表明氣流通過(guò)該區(qū)域的速度值高，而氣流滯留時(shí)間長(zhǎng)表明氣流通過(guò)該區(qū)域的速度值低。隨著活性炭層高度增加，模型D1、D2、D3在中心1/5區(qū)域氣流滯留時(shí)間相差由原來(lái)最大的1 s到0.5 s，差值越來(lái)越小。這表明上網(wǎng)板中心處孔封閉，可以對(duì)中心區(qū)域氣流產(chǎn)生一定的阻擋作用，孔封閉的越多，氣流阻擋作用越強(qiáng)，氣流在中心區(qū)域滯留時(shí)間增長(zhǎng)，易形成死區(qū)，降低了中心區(qū)域活性炭利用率。

圖6 吸附層對(duì)稱截面上氣流停滯時(shí)間等值線(UDS0代表停滯時(shí)間，單位s)

圖7 吸附層x=0截面上不同吸附層高度氣流滯留時(shí)間分布(h代表活性炭高度，單位mm)

2.2 下網(wǎng)板影響

主要考察了入流流量Q=30 L/min時(shí)模型D1與模型E1、E2、E3吸附層氣流滯留時(shí)間和速度，研究上網(wǎng)板均為方孔結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)濾毒罐氣動(dòng)特性影響。

首先對(duì)比研究模型D1和模型E1不裝填濾紙和活性炭時(shí)吸附層氣流分布。圖9給出了模型E1對(duì)稱截面上速度矢量分布，與圖5(a)對(duì)比可以看出，模型E1在吸附層最外側(cè)也有回流區(qū)，二者流場(chǎng)結(jié)構(gòu)類似，表明上網(wǎng)板為圓孔或方孔對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響較小。

圖8 吸附層x=0截面上不同吸附層高度氣流速度分布

圖9 模型E空罐吸附層x=0截面處速度矢量

模型E1的通氣阻力比模型D1小5.5 Pa，二者相差約4.6%，模型E1與模型E2的通氣阻力分別為113.8 Pa和113.9 Pa,差別較小，模型E3的通氣阻力較大為115.5 Pa，比模型E1大1.7 Pa，相差約1.5%。這表明下網(wǎng)板為方形孔可以減小濾毒罐通氣阻力，下網(wǎng)板中心區(qū)域孔封閉使得濾毒罐的通氣阻力增加。

從模型D1、E1、E2、E3不同吸附層高度滯留時(shí)間和氣流速度分布圖(圖10、圖11)可以看出：h=10 mm時(shí)，模型D1、E1、E2滯留時(shí)間差別較小，模型E3在距中心點(diǎn)2/5區(qū)域氣流滯留時(shí)間與模型D1、E1、E2差別明顯，隨著碳層高度增加，在出口附近，模型E3、E2在距中心點(diǎn)2/5區(qū)域氣流滯留時(shí)間與模型D1、E1差別較大，模型E3氣流滯留時(shí)間最長(zhǎng)，相應(yīng)氣流速度最低。這表明下網(wǎng)板為方形孔時(shí)，中心區(qū)域孔封閉的越多，對(duì)吸附層中心區(qū)域氣流阻擋作用越強(qiáng)，氣流在中心區(qū)域滯留時(shí)間增長(zhǎng)，易形成死區(qū)，降低了出口附近中心區(qū)域活性炭利用率。

2.3 不同模型實(shí)際通氣阻力及防護(hù)時(shí)間驗(yàn)證

對(duì)上述5個(gè)模型進(jìn)行了模具加工，裝填了玻纖紙和ASZM-TEDA型無(wú)鉻浸漬炭，進(jìn)行了通氣阻力以及CNCL(氯化氰)和DMMP(沙林模擬劑)防護(hù)性能的測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。測(cè)試條件如下：氣流流量Q=30 L/min；氯化氰和DMMP評(píng)價(jià)濃度均為4 mg/L。

圖10 吸附層x=0截面上不同吸附層高度氣流滯留時(shí)間分布(左：h=10 mm；右：h=15 mm)

圖11 吸附層x=0截面上不同吸附層高度氣流速度分布(左：h=5 mm；右：h=10 mm)

由表4可見(jiàn)，5種模型下的通氣阻力其計(jì)算值和實(shí)測(cè)值均比較接近，誤差分別為1.3%，1.7%，3.1%，0.5%以及0.7%，均不超過(guò)5%。為了進(jìn)一步考察網(wǎng)板開(kāi)孔結(jié)構(gòu)對(duì)濾毒罐防護(hù)性能的影響，分別進(jìn)行了CNCl和DMMP防護(hù)性能的測(cè)試。由防護(hù)性能測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，模型E的兩者防護(hù)時(shí)間在5種模型中均為最長(zhǎng)，由此也驗(yàn)證了上下網(wǎng)板均為方孔結(jié)構(gòu)，且網(wǎng)板中心區(qū)域孔不封閉時(shí)，對(duì)吸附層遮擋面積減小，提高了活性炭的利用率，防護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)。

表4 濾毒罐模型通氣阻力及實(shí)測(cè)阻力和防護(hù)性能

3 結(jié)論

本文采用CFD 方法研究了7種弧形濾毒罐的氣動(dòng)特性，主要考察了4種網(wǎng)板結(jié)構(gòu)對(duì)弧形罐空氣動(dòng)力學(xué)特性的影響，并進(jìn)行了五種弧形濾毒罐的通氣阻力和防護(hù)性能實(shí)測(cè)，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果表明所研究的弧形濾毒罐通氣阻力的實(shí)測(cè)值與模擬計(jì)算值相比誤差較小，均在5%以內(nèi)；上網(wǎng)板為方形孔結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)吸附層遮擋面積減小，濾毒罐的通氣阻力減小，活性炭利用率提高；上網(wǎng)板和下網(wǎng)板中心處孔封閉的越多，氣流阻擋作用越強(qiáng)，氣流在中心區(qū)域滯留時(shí)間增長(zhǎng)，易形成死區(qū)，相應(yīng)中心區(qū)域活性炭利用低，濾毒罐防護(hù)時(shí)間縮短；下網(wǎng)板均為方形孔結(jié)構(gòu)時(shí)，通氣阻力減小；下網(wǎng)板中心處孔封閉的越多，通氣阻力越大。下一步我們將進(jìn)一步研究濾毒罐其他組件結(jié)構(gòu)影響，進(jìn)一步降低濾毒罐的通氣阻力，提高濾紙和活性炭利用率。