基于CFD的激光安全房通風系統的優化設計

黃冬徽，王志剛，李良帥，李思佳

（上海嘉強自動化有限公司，上海 201600）

1 前言

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

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，與空氣中的細小顆粒結合，形成粉塵；激光熔化切割：當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，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，很快被加熱到燃點溫度，隨之與氧氣發生激烈的燃燒反應，放出大量熱量，使材料內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被輔助氣流帶走，漂浮在作業車間，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不同。另外有時為了切割需要，還會在工件表面涂層潤滑油，這樣切割時會產生十分復雜的碳氫化合物氣體。

目前企業使用的通風系統基本都不能有效地去除激光安全房中的煙塵，操作環境十分惡劣。本文利用CFD技術來研究激光安全房中煙塵的擴散路徑及濃度分布情況，從而對通風系統進行改進。

2 激光安全房CFD分析

2.1 通風方案

如圖1所示，激光安全房按通風口、抽風口的布局及抽風功率，將對五個方案進行仿真，通過仿真了解氣流的運動軌跡、污染物的濃度等信息。五種通風方案為：

（1）設置一個抽風口和一個通風口，抽風功率為6000m3/h，通風口在位置1處；

（2）設置一個抽風口和一個通風口，抽風功率為6000m3/h，通風口在位置2處；

（3）設置兩個抽風口和一個通風口，增加的抽風口在原抽風口對面壁面的相同位置處，兩個抽風口連接同一臺抽風機，抽風功率為6000m3/h，通風口在位置1處；

（4）設置兩個抽風口和一個通風口，增加的抽風口在原抽風口對面壁面的相同位置處，兩個抽風口連接同一臺抽風機，抽風功率為6000m3/h，通風口在位置2處；

圖1 激光安全房

（5）設置一個抽風口和一個通風口，抽風功率為9000m3/h，通風口在位置1處。

2.2 CFD模擬分析

2.2.1 模型簡化、邊界條件及求解器設置

采用CFD數值模擬分析方法對激光安全房通風狀態進行模擬分析。為了提高計算速度，對模型進行了簡化處理，去除了不必要的小特征，然后提取出需要計算的流體區域。通風口按抽風功率折算成流量入口，激光切割頭的出口流量為0.04kg/s，抽風口為壓力出口，其他面設置為無滑移壁面，環境溫度為25℃。不考慮空氣壓縮性的影響,按不可壓縮流體計算。數值模擬模型采用Realized K-ε兩方程模型，壁面采用標準壁面函數法。

2.2.2 計算結果與分析

由于不知道污染物具體的成分比例，這里計算的污染物值是指激光加工時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，呼吸高度范圍大約在1.35m～1.85m，所以選取這一區域內的污染物最大濃度和平均濃度作為參考值。前四個方案采用相同的抽風功率，得到的四組數據差異不大，說明目前通風口的兩個位置和通風孔數量的增加對污染物的排出沒有太大影響。方案五增大抽風功率后，污染物的濃度明顯降低，說明增大抽風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動軌跡，選取方案（5）進行分析。圖2為方案（5）房間內污染物濃度A（PPM）的等值面圖。方案（5）房間內有害氣體平均濃度為12384PPM，圖中所示，污染物濃度大于15000PPM的高濃度區域主要在工作臺桌面周圍，在通風口下方的區域污染物濃度低于平均濃度，其余區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截面上的矢量圖和從通風口進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桌面后向四周反射，與通風口流進的干凈空氣混合后，擴散整個房間，最后由抽風口流出。這也解釋了前面污染物濃度等值面圖中抽風口處污染物濃度接近平均濃度的原因，通風口位于機械手上方，而抽風口的位置在下方角落處，并不在開始的流線行程附近，抽風口不能及時有效地將污染物抽出，激光頭噴出的氣體反射后，由通風口進入的干凈空氣攜帶到整個房間中。

表1 不同通風方案下污染物統計

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

3 激光安全房通風系統優化設計

在已通過仿真了解氣流的運動軌跡、污染物濃度分布等信息的基礎上，嘗試在不改變抽風功率的前提下，通過改變抽風口和通風口的位置來提高通風效率。通風口位置改為工作臺正上方；工作臺桌面與底座開孔，使空氣能通過孔洞從桌面上方流入工作臺下方；工作臺下方與抽風口之間建立抽風管道，使混有污染物的氣體進入工作臺下面后經抽風管道抽除。

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

在此優化設計下，按照抽風功率為6000m3/h再次進行模擬計算。結果得到房間內污染物總體積為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%。人體高度區域內污染物平均濃度為15242PPM，比之前的方案（1）降低了21.21%。這說明優化后的設計能夠提高通風效果。

圖5是氣體在兩個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桌面的孔洞進入工作臺下方，通過抽風管道被抽走，所以此處為污染物高濃度區域。這部分污染物的集中排放使得房間內污染物濃度降低。但仍有部分污染物未進入工作臺中，一處為未能進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入底座的污染物直物從桌面下逃逸出去。

圖4 優化后的模型

4 結語

為改善激光安全房的通風效果，本文進行了CFD分析計算，通過對比五種方案下的房間內污染物濃度，同時分析了優化方案能否改善通風效果，可以得出以下結論：

（1）抽風口應設置在污染物高濃度區域，即工作臺附近，這樣才能減少污染物在房間中的擴散，及時接逃逸到環境中，這兩處的污染物與通風口進入的干凈空氣混合，擴散到整個房間中。

圖5 優化后的速度矢量圖和流線圖

經過本次優化提高了激光安全房內的通風效果，在相同抽風功率下，能夠降低污染物平均濃度約20%。但仍存在不足，部分未能進入工作臺下面抽風管道的污染物仍會擴散到空氣中。能夠進入工作臺下方的污染物占比很大程度上決定了房間內的污染物平均濃度大小。后續進一步降低房間內污染物濃度，則要提高污染物的捕集率，使其更多地進入到工作臺下方，減少其擴散到周圍環境中。一方面要使污染物更多地進入工作臺桌面，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入工作臺桌面，另一方面要阻止污染物從桌面下逃逸出去。