面粉車間粉塵風(fēng)速及粉塵濃度分布的數(shù)值模擬

石威

（安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001）

關(guān)健詞：面粉車間；風(fēng)速；粉塵濃度；數(shù)值模擬；后處理

粉塵指的是懸浮在空氣中的固體顆粒，可以產(chǎn)生于眾多生產(chǎn)車間，對于糧食加工業(yè)來說粉塵的產(chǎn)生數(shù)量是難以預(yù)料的，因此會造成很嚴(yán)重的危害，不僅會使得工作人員的身體健康受到嚴(yán)重威脅，更嚴(yán)重的還會導(dǎo)致爆炸事故。因此，對于車間的粉塵速度以及粉塵濃度的理論分析和控制顯得尤為重要。

1 模型建立

1.1 物理模型

建立面粉生產(chǎn)車間，如圖1 所示。該車間尺寸為10m×3.2m×3.5m，車間的墻壁上設(shè)置一0.6m×0.6m 的正方形排氣扇，車間大門尺寸為2m×2.5m。其內(nèi)部并排放置5 臺磨粉機(jī)，可視作正方體，邊長尺寸為1.4m，制粉機(jī)上方存在塵源產(chǎn)生面，即0.6m×0.8m 的矩形產(chǎn)塵面。磨粉機(jī)距墻壁距離分別為1.8m 和3m，每臺磨粉機(jī)間距相等，都為0.3m，距兩側(cè)墻壁距離是0.9m，大門與排氣扇厚度均為0.2m。

圖1 制粉車間的幾何模型

1.2 初始條件與邊界條件

由于制粉車間內(nèi)部屬于低湍流流動，因此對其采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型，其它選項均為默認(rèn)。因為該面粉生產(chǎn)車間計算域內(nèi)的粉塵和空氣屬于離散相模型，而且離散相體積率遠(yuǎn)小于10%，因此可以采用lagrange 模型。因此模型選擇離散相模型，同時要使用隨機(jī)軌道模型來模擬車間內(nèi)的風(fēng)速及粉塵濃度分布。

塵緣面是0.6m×0.8m 的矩形面，其塵源產(chǎn)生粉塵的質(zhì)量流率為1.68×10-5kg/s，車間為制粉車間，主要產(chǎn)生的是面粉粉塵，選擇惰性顆粒，設(shè)置其密度為1330kg/m3，設(shè)置該車間的面粉粉塵的粒徑分布符合rosin-rammler 分布規(guī)律，直徑分布取10，平均分布指數(shù)則取默認(rèn)值3.5。設(shè)置粉塵粒徑范圍處于10μm-100μm 之間，平均直徑為20μm。

邊界條件的設(shè)定方式直接影響數(shù)值模擬的收斂速度和精確度。因此經(jīng)過多次模擬，將大門設(shè)為速度入口，值為2.8m/s；正方形排氣扇也一樣設(shè)置，值為-2.8m/s，因此fluent 就自主識別，認(rèn)為是速度出口。眾所周知，面粉粉塵存在粘附性，因此壁面離散相邊界條件設(shè)為trap（捕捉），而對于大門以及排氣扇來說，其離散相邊界條件設(shè)為escape（逃逸）。

2 模擬過程及分析

經(jīng)模擬，將結(jié)果導(dǎo)入Tecplot，計算域內(nèi)選取3 個截面來進(jìn)行切片研究，切面依次為：z=1.0m、z=1.5m 以及z=2.8m，該計算域內(nèi)模擬風(fēng)速分布結(jié)果如圖2 及圖3 所示。

圖2 z=1.0m、z=1.5m 的速度云圖

圖3 z=2.8m 的速度云圖

由圖可得，風(fēng)速以2.8m/s 初速度吹進(jìn)面粉生產(chǎn)車間，同時也以2.8m/s 的速度從排氣扇出口吹出計算域外。大門吹進(jìn)來風(fēng)速相對較大，并且因為排氣扇放置原因，車間大門處存在的較大風(fēng)速呈現(xiàn)向排氣扇方向靠近的現(xiàn)象。與此同時，右側(cè)墻壁附近的空間內(nèi)也存在風(fēng)速較大現(xiàn)象，而大門所在的墻壁側(cè)風(fēng)速則是比較小，每個制粉機(jī)之間的風(fēng)速則是因為制粉機(jī)對風(fēng)流的阻礙作用比較小。制粉車間的內(nèi)側(cè)隅角位置形成了風(fēng)流流動的“死角”，可能會引起粉塵的集聚。

分別取z=1.0m，z=1.5m，z=2.8m，y=4.0m，這4 個截面來分析，模擬得到的粉塵濃度分布云圖如圖4、5 所示。

圖4 z=1.0m、z=1.5m 的粉塵濃度分布云圖

由圖4 及圖5 不難得到，因為風(fēng)速原因，車間的粉塵整體濃度分布呈現(xiàn)出絕大部分存在濃度比較小的現(xiàn)象，但也不可否認(rèn)的是存在局部空間內(nèi)粉塵濃度較大。因為盡管風(fēng)流可以將多數(shù)粉塵吹出計算域，但車間內(nèi)存在風(fēng)流“死角”，正是由于風(fēng)流“死角”存在，導(dǎo)致粉塵難以吹出，通風(fēng)除塵變得比較困難。

圖5 z=2.8m、y=4.0m 的粉塵濃度分布云圖

在z=1.0m 的截面圖中，因為制粉機(jī)的阻擋作用，風(fēng)流入口成為了風(fēng)速相對較小區(qū)域，不難發(fā)現(xiàn)這區(qū)域粉塵濃度比較高。也不難發(fā)現(xiàn)這部分計算域相對也是工作人員生產(chǎn)作業(yè)空間，因此會影響到工作人員的健康，過多的粉塵集聚也是引起粉塵爆炸的隱患。

人的呼吸帶高度約為1.5m，因此選取z=1.5m 截面，不難發(fā)現(xiàn)5 臺機(jī)器上方區(qū)域粉塵濃度較高，而且均高于國家規(guī)定的允許值10mg/m3。所以，如果工作員工運作機(jī)器時，工作人員的健康狀況會受到制粉機(jī)附近較高粉塵濃度的嚴(yán)重威脅，制粉機(jī)產(chǎn)生濃度過高的粉塵也是其它空間內(nèi)的粉塵源。所以必須在塵源上加以改善措施以降低車間內(nèi)的粉塵濃度。

由z=2.8m 粉塵濃度分布云圖可以看出，粉塵濃度普遍較小，主要是因為面粉粉塵因為自身存在重力作用，因此在產(chǎn)生后就處于沉降狀態(tài)，導(dǎo)致較高的位置處粉塵濃度較小。

而y=4.0m 截面是5 臺制粉機(jī)所在的截面，不難發(fā)現(xiàn)，因為制粉機(jī)上方是粉塵源的所在位置，所以粉塵濃度都比較高。

3 結(jié)論

本文選定制粉車間為研究對象，將制粉車間的塵源簡化為制粉機(jī)的上表面，建立了制粉車間的基本物理模型。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可得出：計算域車間內(nèi)部有風(fēng)流“死角”，這些風(fēng)流“死角”風(fēng)速比較低，可以導(dǎo)致粉塵容易聚集。從粉塵濃度分布云圖也可以發(fā)現(xiàn)：盡管計算域車間大部分區(qū)域粉塵濃度較低，但也存在局部區(qū)域粉塵濃度較高，有些區(qū)域甚至遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)。所以計算域車間內(nèi)的粉塵分布需要采取控制措施來降低其濃度，除了可以降低排氣扇高度亦或是加強(qiáng)排氣扇風(fēng)速，還可以通過對制粉機(jī)設(shè)備進(jìn)行定期的清潔維護(hù)甚至更換設(shè)備、車間內(nèi)配備粉塵過濾設(shè)備等方法進(jìn)而有效降低粉塵濃度。