基于CFD的激光安全房通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃冬徽，王志剛，李良帥，李思佳

（上海嘉強(qiáng)自動(dòng)化有限公司，上海 201600）

1 前言

近年來(lái)，激光切割在板材加工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。激光切割是利用高功率密度激光束掃描工件表面，使材料在極短時(shí)間內(nèi)局部加熱到幾千至幾萬(wàn)℃，使被照射材料迅速熔化、氣化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)借助高速氣流吹除熔融物，達(dá)到切割目的。在切割過程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵和煙霧，一方面會(huì)影響機(jī)床的使用壽命，另一方面被人體吸入后對(duì)身體危害很大。

激光切割主要分為三種，有激光氣化切割、激光熔化切割、激光氧化切割。這三種激光切割的工作原理不太相同，所產(chǎn)生的粉塵和煙霧也不太一樣。激光氣化切割：在高功率密度激光束的加熱下，大約40%的材料汽化成蒸汽消失，60%的材料作為噴出物從切縫底部被輔助氣體吹走，與空氣中的細(xì)小顆粒結(jié)合，形成粉塵；激光熔化切割：當(dāng)入射的激光束功率密度超過某一值后，照射處的材料開始蒸發(fā)，形成孔洞，而光速周圍的材料則被熔化，與光速同軸的輔助氣流把周圍的熔融材料帶走，形成煙塵；激光氧化切割：材料表面在激光束的照射下，很快被加熱到燃點(diǎn)溫度，隨之與氧氣發(fā)生激烈的燃燒反應(yīng)，放出大量熱量，使材料內(nèi)部形成充滿蒸汽的小孔，而小孔的周圍為熔融的金屬壁包圍所包圍，這些蒸汽和熔融物質(zhì)被輔助氣流帶走，漂浮在作業(yè)車間，形成粉塵和煙霧。切割板材的材料不同，形成煙塵的材料也會(huì)不同。另外有時(shí)為了切割需要，還會(huì)在工件表面涂層潤(rùn)滑油，這樣切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生十分復(fù)雜的碳?xì)浠衔餁怏w。

目前企業(yè)使用的通風(fēng)系統(tǒng)基本都不能有效地去除激光安全房中的煙塵，操作環(huán)境十分惡劣。本文利用CFD技術(shù)來(lái)研究激光安全房中煙塵的擴(kuò)散路徑及濃度分布情況，從而對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

2 激光安全房CFD分析

2.1 通風(fēng)方案

如圖1所示，激光安全房按通風(fēng)口、抽風(fēng)口的布局及抽風(fēng)功率，將對(duì)五個(gè)方案進(jìn)行仿真，通過仿真了解氣流的運(yùn)動(dòng)軌跡、污染物的濃度等信息。五種通風(fēng)方案為：

（1）設(shè)置一個(gè)抽風(fēng)口和一個(gè)通風(fēng)口，抽風(fēng)功率為6000m3/h，通風(fēng)口在位置1處；

（2）設(shè)置一個(gè)抽風(fēng)口和一個(gè)通風(fēng)口，抽風(fēng)功率為6000m3/h，通風(fēng)口在位置2處；

（3）設(shè)置兩個(gè)抽風(fēng)口和一個(gè)通風(fēng)口，增加的抽風(fēng)口在原抽風(fēng)口對(duì)面壁面的相同位置處，兩個(gè)抽風(fēng)口連接同一臺(tái)抽風(fēng)機(jī)，抽風(fēng)功率為6000m3/h，通風(fēng)口在位置1處；

（4）設(shè)置兩個(gè)抽風(fēng)口和一個(gè)通風(fēng)口，增加的抽風(fēng)口在原抽風(fēng)口對(duì)面壁面的相同位置處，兩個(gè)抽風(fēng)口連接同一臺(tái)抽風(fēng)機(jī)，抽風(fēng)功率為6000m3/h，通風(fēng)口在位置2處；

圖1 激光安全房

（5）設(shè)置一個(gè)抽風(fēng)口和一個(gè)通風(fēng)口，抽風(fēng)功率為9000m3/h，通風(fēng)口在位置1處。

2.2 CFD模擬分析

2.2.1 模型簡(jiǎn)化、邊界條件及求解器設(shè)置

采用CFD數(shù)值模擬分析方法對(duì)激光安全房通風(fēng)狀態(tài)進(jìn)行模擬分析。為了提高計(jì)算速度，對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，去除了不必要的小特征，然后提取出需要計(jì)算的流體區(qū)域。通風(fēng)口按抽風(fēng)功率折算成流量入口，激光切割頭的出口流量為0.04kg/s，抽風(fēng)口為壓力出口，其他面設(shè)置為無(wú)滑移壁面，環(huán)境溫度為25℃。不考慮空氣壓縮性的影響,按不可壓縮流體計(jì)算。數(shù)值模擬模型采用Realized K-ε兩方程模型，壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。

2.2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

由于不知道污染物具體的成分比例，這里計(jì)算的污染物值是指激光加工時(shí)從激光頭出口流出的所有氣體。考慮到人體身高大約在1.5m～2m范圍內(nèi)，呼吸高度范圍大約在1.35m～1.85m，所以選取這一區(qū)域內(nèi)的污染物最大濃度和平均濃度作為參考值。前四個(gè)方案采用相同的抽風(fēng)功率，得到的四組數(shù)據(jù)差異不大，說明目前通風(fēng)口的兩個(gè)位置和通風(fēng)孔數(shù)量的增加對(duì)污染物的排出沒有太大影響。方案五增大抽風(fēng)功率后，污染物的濃度明顯降低，說明增大抽風(fēng)功率有利于污染物的疏散。

為了解污染物在房間中的濃度分布情況和運(yùn)動(dòng)軌跡，選取方案（5）進(jìn)行分析。圖2為方案（5）房間內(nèi)污染物濃度A（PPM）的等值面圖。方案（5）房間內(nèi)有害氣體平均濃度為12384PPM，圖中所示，污染物濃度大于15000PPM的高濃度區(qū)域主要在工作臺(tái)桌面周圍，在通風(fēng)口下方的區(qū)域污染物濃度低于平均濃度，其余區(qū)域污染物濃度接近平均濃度。圖3是激光頭噴出的氣體在兩個(gè)截面上的矢量圖和從通風(fēng)口進(jìn)入的干凈空氣的矢量圖。如圖所示，激光頭噴嘴噴出的氣體流到工作臺(tái)桌面后向四周反射，與通風(fēng)口流進(jìn)的干凈空氣混合后，擴(kuò)散整個(gè)房間，最后由抽風(fēng)口流出。這也解釋了前面污染物濃度等值面圖中抽風(fēng)口處污染物濃度接近平均濃度的原因，通風(fēng)口位于機(jī)械手上方，而抽風(fēng)口的位置在下方角落處，并不在開始的流線行程附近，抽風(fēng)口不能及時(shí)有效地將污染物抽出，激光頭噴出的氣體反射后，由通風(fēng)口進(jìn)入的干凈空氣攜帶到整個(gè)房間中。

表1 不同通風(fēng)方案下污染物統(tǒng)計(jì)

以上分析說明目前通風(fēng)口的位置設(shè)置不是很合理，通風(fēng)口設(shè)置在污染源的正上方，有助于把污染物吹散，雖然這種設(shè)置能夠快速降低污染物濃度，起到稀釋作用，但是由于抽風(fēng)口在桌底下方，這個(gè)區(qū)域是整個(gè)房間的滯留區(qū)，是濃度相對(duì)較低的區(qū)域，所以污染物不能及時(shí)有效地從房間排出。要起到良好的通風(fēng)效果，后續(xù)改進(jìn)的方向應(yīng)該是將抽風(fēng)口設(shè)置在污染物高濃度區(qū)域，這樣少量的風(fēng)就可以把污染物集中排放，從而不用提高抽風(fēng)功率也能達(dá)到更好的通風(fēng)效果。

3 激光安全房通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在已通過仿真了解氣流的運(yùn)動(dòng)軌跡、污染物濃度分布等信息的基礎(chǔ)上，嘗試在不改變抽風(fēng)功率的前提下，通過改變抽風(fēng)口和通風(fēng)口的位置來(lái)提高通風(fēng)效率。通風(fēng)口位置改為工作臺(tái)正上方；工作臺(tái)桌面與底座開孔，使空氣能通過孔洞從桌面上方流入工作臺(tái)下方；工作臺(tái)下方與抽風(fēng)口之間建立抽風(fēng)管道，使混有污染物的氣體進(jìn)入工作臺(tái)下面后經(jīng)抽風(fēng)管道抽除。

圖2 方案（5）的污染物濃度等值面圖

圖3 方案（5）的速度矢量圖

在此優(yōu)化設(shè)計(jì)下，按照抽風(fēng)功率為6000m3/h再次進(jìn)行模擬計(jì)算。結(jié)果得到房間內(nèi)污染物總體積為0.52884m3，污染物平均濃度為15561PPM，平均濃度比之前的方案（1）降低了20.36%。人體高度區(qū)域內(nèi)污染物平均濃度為15242PPM，比之前的方案（1）降低了21.21%。這說明優(yōu)化后的設(shè)計(jì)能夠提高通風(fēng)效果。

圖5是氣體在兩個(gè)截面上的速度矢量圖和激光頭噴出氣體的流線圖。氣體從噴嘴流出后，污染物伴隨氣體將通過工作臺(tái)桌面的孔洞進(jìn)入工作臺(tái)下方，通過抽風(fēng)管道被抽走，所以此處為污染物高濃度區(qū)域。這部分污染物的集中排放使得房間內(nèi)污染物濃度降低。但仍有部分污染物未進(jìn)入工作臺(tái)中，一處為未能進(jìn)入桌面圓孔中的污染物在桌面向四周反射，另一處為通過桌面圓孔而沒有進(jìn)入底座的污染物直物從桌面下逃逸出去。

圖4 優(yōu)化后的模型

4 結(jié)語(yǔ)

為改善激光安全房的通風(fēng)效果，本文進(jìn)行了CFD分析計(jì)算，通過對(duì)比五種方案下的房間內(nèi)污染物濃度，同時(shí)分析了優(yōu)化方案能否改善通風(fēng)效果，可以得出以下結(jié)論：

（1）抽風(fēng)口應(yīng)設(shè)置在污染物高濃度區(qū)域，即工作臺(tái)附近，這樣才能減少污染物在房間中的擴(kuò)散，及時(shí)接逃逸到環(huán)境中，這兩處的污染物與通風(fēng)口進(jìn)入的干凈空氣混合，擴(kuò)散到整個(gè)房間中。

圖5 優(yōu)化后的速度矢量圖和流線圖

經(jīng)過本次優(yōu)化提高了激光安全房?jī)?nèi)的通風(fēng)效果，在相同抽風(fēng)功率下，能夠降低污染物平均濃度約20%。但仍存在不足，部分未能進(jìn)入工作臺(tái)下面抽風(fēng)管道的污染物仍會(huì)擴(kuò)散到空氣中。能夠進(jìn)入工作臺(tái)下方的污染物占比很大程度上決定了房間內(nèi)的污染物平均濃度大小。后續(xù)進(jìn)一步降低房間內(nèi)污染物濃度，則要提高污染物的捕集率，使其更多地進(jìn)入到工作臺(tái)下方，減少其擴(kuò)散到周圍環(huán)境中。一方面要使污染物更多地進(jìn)入工作臺(tái)桌面，另一方面要阻止污染將其排出。

（2）提高污染物的捕集率，一方面要使污染物更多地進(jìn)入工作臺(tái)桌面，另一方面要阻止污染物從桌面下逃逸出去。