焊接工藝多源散發的高溫顆粒污染物擴散特性數值模擬

韓 坤,莊加瑋,2,刁永發*,任 美,張儷安

焊接工藝多源散發的高溫顆粒污染物擴散特性數值模擬

韓 坤1,莊加瑋1,2,刁永發1*,任 美1,張儷安1

(1.東華大學環境科學與工程學院,上海 201620；2.常州大學石油工程學院,江蘇 常州 213164)

為探究熱工藝過程產生的熱氣流作用下顆粒的遷移規律,基于氣固兩相離散粒子模型(DPM)對多源浮射流伴生的高溫顆粒的擴散特性進行了數值研究,討論了兩相流運動過程中熱氣流與顆粒群的溫度和速度的瞬時變化情況.結果表明,對于473K￡0￡673K的高溫顆粒群,溫度衰減趨勢類似,顆粒群溫度分布呈中心對稱;當5μm￡p￡20μm時,顆粒與氣流之間的跟隨性隨著粒徑的增大而降低;熱羽流隨時間經歷了獨立發展和相互合并的過程,羽流之間渦旋結構的消失導致中心位污染源散發的p=10μm的顆粒更容易發生沉降.

高溫顆粒；空氣質量；熱工藝；擴散特性；熱羽流

鋼鐵、鑄造等行業存在大量的高溫熱工藝過程,例如澆注、補焊、切割、高溫物料傾倒等工藝過程會產生初始溫度高于附近環境溫度的高溫浮力射流[1-2].這些高溫浮射流通常攜帶較多的顆粒污染物,顆粒以一定的初速度散發到周圍環境中,隨著浮射流的運動與發展,顆粒不斷與周圍空氣摻混擴散,這些高溫顆粒一旦被人體吸入,可能會對人體產生較為嚴重的傷害[3-5].

目前高溫顆粒在室內流場中的擴散規律尚未明確,只有基于具體的工藝,探討其擴散過程與周圍環境參數的相互關系,才能為制定相應的控制方法提供科學有效的依據[6-8].國內外學者近年來針對工業熱工藝過程產生的高溫顆粒的流動特性進行了相關研究,包括熱源附近顆粒群的微觀形成機理,以及其所形成的煙羽流在空間內的擴散運動[9-11],在揭示高溫顆粒運動過程的動力學特性等方面取得了一定的研究進展.Li等[12]通過數值研究發現單個污染源散發的高溫亞微米氣溶膠粒子運動過程主要受空氣阻力、布朗力、薩夫曼升力和熱電泳力的影響.Zhuang等[13]的結果表明瞬時工藝局部污染源散發的熱量愈多,顆粒遷移過程獲得的最大平均速度越高.

現有工業建筑中關于熱工藝產生的熱氣流作用下顆粒群遷移規律的研究,大多局限于單一局部污染源,而同一工藝過程往往存在多個獨立的污染源,已有部分學者的研究表明多污染源對應單源時的流場特征存在顯著差異[14-16]. Lai等[17]發現浮射流的合并會導致與單個浮射流相關的被動標量場重疊,導致混合后的特性與獨立自由浮射流截然不同.為此他們提出了一種多股浮射流的動態相互作用的一般半解析模型,預測了理想環境中多個浮射流的動態相互作用.多個熱源產生的羽流之間相互作用會減少單股羽流的輸運空間,Yang等[18]為此研究了不同間距的兩個相等熱污染源產生的熱羽流的流動特性,獲得了不同間距比的空氣速度和溫度分布. Huang等[19]考慮了浮射流間距、初始速度和溫度比等因素,給出了控制兩個污染源的有效通風設計指導.

雖然前期學者們對多個污染源產生的高溫浮射流的流動特性開展了一定的工作,但是尚缺乏針對多源浮射流中伴生的顆粒污染物的擴散分布研究,且現有研究往往忽略了熱氣流與顆粒的兩相耦合作用. 本文以焊接工藝這一典型熱工藝為例,基于氣固兩相離散粒子模型(DPM)對多源瞬時散發的高溫顆粒的遷移規律進行研究,討論兩相流運動過程中熱氣流溫度和速度隨時間的變化,對初始溫度0、顆粒粒徑p等不同影響因素作用下高溫顆粒群隨時間的動態分布進行分析和評價,為多工位作業環境中顆粒污染物的控制提供一定的理論依據.

1 模擬方法

1.1 物理模型

圖1 物理模型

研究建立的物理模型如圖1所示,該模型為實際工業建筑的一部分.計算域尺寸長()×寬()×高()=12×10×8m3,三個污染源位于廠房底部,考慮作業符合實際安全規范的前提下,每兩個污染源之間設置間隔為1m,污染源距地面高度0.8m,顆粒群與氣流的混合物由直徑為0.4m的圓形出口釋放. 其中顆粒為車間常見的鐵基顆粒,顆粒密度ρ= 7800kg/m3,比熱容C*=460J/(kg·K),導熱系數λ=80W/(m·K).

研究過程涉及到的工況如表1所示:

表1 工況設置

1.2 氣固耦合兩相流輸運模型

1.2.1 氣流流動模型 在解決房間內部流體流動的問題方面,目前常用的數學模型包括標準模型和Realizable～湍流模型等[20-21].由于Realizable～湍流模型對標準模型中的湍流粘性和湍流耗散率進行了修正,對于模擬射流和混合流的自由流動具有更高的計算精度和更好的穩定性,因此研究過程中選取了Realizable～湍流模型.其中對于非穩態流動問題,其輸運方程表達式可以表示為以下形式:

湍流動能:

式中:為時間;為流體密度;σ是湍流動能對應的Prandtl數;為湍流耗散率;G和G分別是因平均速度梯度與熱浮力而產生的湍流動能;M表示不可壓縮湍流中因脈動膨脹而產生的全部耗散率;為湍流粘性系數;S為用戶定義源項.

湍流耗散率:

式中:1ε、2ε和3ε是經驗常數;為表面張力系數;σ為耗散率對應的Prandtl數;是湍流時間尺度與平均速度的比值.

1.2.2 氣溶膠傳輸模型 依據牛頓第二運動定律,單個顆粒運動過程的受力平衡方程為:

其中曳力系數D與顆粒的雷諾數p有關,其大小可通過式(5)得出[22-23]:

采用相間耦合的隨機游走模型(Discrete Radom Walk,DRW)預測因為流體湍流引起的顆粒擴散行為.該模型基于隨機格式通過連續相的瞬時速度(u)來預測顆粒的流動軌跡:

式中:ζ是服從正態分布的隨機數.

顆粒群的流動相態采用顆粒物的體積分數進行表征:

式中:N為顆粒數量;V為單顆粒體積;為氣固兩相混合物體積.研究設置的顆粒質量流量為0.00005kg/ s,經計算,任意工況下顆粒體積百分數均小于10-6.根據文獻[24]提到的兩相流劃分形式,視作稀疏兩相流,忽略顆粒間的相互作用.

考慮到顆粒與氣流之間存在動量和熱量的傳遞,因此選擇雙向耦合方法(Two-Way Coupling Method)求解各個時刻離散相和連續相之間的動量和熱量交換[25-26].兩相流間的動量交換量為:

式中:p為顆粒的質量流量,kg/s;?為時間步長,s.

熱量交換可以表示為:

式中:pin和pout分別代表顆粒發生熱交換前后的溫度,K;r為參考溫度,K.

2 模擬結果與分析

2.1 模型驗證

2.1.1 熱空氣流動模型可靠性驗證 Huang等[27]的煙霧可視化實驗結果以及Zhuang等[13]的速度流線輪廓模擬結果被用于驗證本文中熱空氣流動數值方法的合理性. Huang等[27]設置實驗所在的房間尺寸為10.30m×6.30m×3.50m,直徑為0.38m的浮射流噴口布置在距地面0.80m位置處,測試時,環境壓力為101325Pa,浮射流初始溫度為303K(工況一);Zhuang等[13]建立了直徑=0.4m的面散發源數值模型,面污染源沿豎直向上方向朝周圍環境直接釋放熱空氣和固態金屬顆粒.

在0=303K的工況一條件下,對單源散發污染物過程中熱氣流的流動進行了數值模擬,文獻數據與本文得到的模擬結果對比如圖2所示.

可以看出,氣流運動過程中在其邊緣存在明顯的渦旋結構.對比了實驗及模擬的氣流演化進程,本文數值模擬得到的渦旋結構的演化過程與文獻[13,27]的結果吻合度較高. 這說明,本研究中使用的Realizable-湍流模型可以準確地預測熱氣流的流動.

2.1.2 高溫顆粒輸運模型的驗證 為了進一步驗證本研究中采用的顆粒輸運模型的合理性,對初始溫度373K工況二下工業廠房內單污染源散發的粒徑為10μm的顆粒污染物的運動過程進行了數值模擬,并將數值計算結果與Duan等[28]的數據進行了比較.

圖2 速度流線軌跡隨時間的變化

圖3 顆粒群平均溫度隨時間的變化

圖4 顆粒群平均速度隨時間的變化

由圖3可見,對于初始溫度為373K的顆粒群,顆粒群在較短時間內與周圍環境產生了明顯的熱量和動量交換,=3.0s時溫度已接近常溫,隨著熱氣流速度的變化,顆粒群運動過程受重力和流體曳力的共同影響,速度呈現先增大而后減小的趨勢.這些結果與Duan等[28]的數據基本吻合,說明所采用的數值模擬方法可以準確預測瞬時熱工藝過程中的氣固兩相流運動過程,其可用于進一步研究.

2.2 多污染源氣流場流動特性

在工況三0=473K,0=0.1s,0=0.3m/s且p= 10μm條件下,分析了局部熱氣流運動過程中速度場與溫度場的動態變化情況.

多源時氣流速度場與單源時最本質的區別就是各污染源產生的羽流會隨時間的發展逐漸靠近.如圖5所示,多股羽流在上升過程中首先經歷獨立的向上部空間發展,熱羽流在浮升力的作用下向上運動不斷卷吸周圍空氣,各個羽流運動過程中在其邊緣存在明顯的渦旋結構.當>20s后,觀察到羽流與羽流之間的渦旋結構消失,速度場融合,羽流在發展過程中相互合并,這是由于羽流之間動量通量的不平衡,附近的羽流會對這種卷吸起一定程度上的抑制作用,即產生了康達效應[29],使得相鄰的羽流逐漸靠近.

圖6反映了工況三條件下氣流溫度場隨時間的變化情況,熱氣流沿程不斷卷吸周圍空氣,使羽流質量增加,而傳遞的熱量守恒,熱羽流不斷與卷吸而來的常溫氣流進行能量交換,熱氣流在短時間內與周圍環境交換了大量的熱量,整體溫度急劇下降,=5s時氣流核心溫度已下降135K左右.伴隨著羽流之間的合并和卷吸作用的減弱,氣流場溫度衰減速度變緩.

圖5 氣流速度場隨時間的變化

圖6 氣流溫度場隨時間的變化

2.3 多源散發高溫顆粒溫度演變特征

工況三條件下熱氣流運動過程中高溫顆粒的溫度變化如圖7所示.初始階段,高溫顆粒與周圍環境存在較大溫差,受熱交換的作用,高溫顆粒的溫度隨著時間的推移迅速減小,=10s時顆粒群已接近環境溫度.顆粒群外圍的顆粒溫度衰減較快,而中心區域的顆粒可以相對保持更高的溫度,一方面是因為外層顆粒與周圍空氣的接觸面積相對較大,更利于熱量傳遞;另一方面是因為外圍顆粒更容易與沿渦旋結構的回流區卷吸而來的常溫氣流換熱.結合圖5分析,受空氣卷吸作用的影響,隨著熱氣流的運動,兩側的顆粒群逐漸往中間區域逼近.由于羽流在發展過程中發生了相互合并,外圍兩側的顆粒群沿渦旋結構的回流區域繼續向上往中間區域偏轉運動,=150s時,原本處在中間區域的顆粒群因為兩側渦旋結構的消失,在重力的作用下產生了明顯的沉降.

圖7 顆粒群的溫度隨時間的變化

以上結果表明,顆粒的溫度變化與顆粒運動過程中同熱氣流的跟隨性緊密相聯.熱工藝過程前期,各污染源散發的顆粒表現出的溫度相對較高,并且越接近熱氣流與顆粒群混合物核心區域兩相流流速及溫度越高,人體暴露風險也越大,需要預防其對作業人員的燒傷.對于多個工位共同作業的工藝過程后期,處在中間工位的作業人員更容易受到顆粒污染物的影響,需要采取措施加強這一區域的安全衛生防護.

以工況三(0=473K)、工況四(0=573K)、工況五(0=673K)為例,探討了初始溫度這一因素對于高溫顆粒進入環境后不同區域顆粒的溫度分布情況,顆粒群不同區域在=3s時沿X方向的溫度分布如圖8所示.

從圖中可以看出,顆粒群初始溫度與外界環境溫差越大,顆粒群溫度衰減的幅度越高.不同初始溫度條件下的高溫顆粒的溫度衰減的變化趨勢類似,溫度分布呈中心對稱的趨勢,比較了當=3s時顆粒群位于=1.5m和=2m區域的溫度分布,發現每個污染源對應的顆粒群核心區域上方的溫度相對下方較高,這是因為起初顆粒上升過程中主要受周圍氣流的曳力,顆粒群下方的顆粒在擴散過程中更容易與熱氣流沿程不斷卷吸來的常溫氣流換熱.

2.4 高溫顆粒擴散過程的動力學分析

為了明確污染源的位置分布對于顆粒群在空間內遷移過程的影響,在初始條件0=473K,0=0.1s,0=0.3m/s,p=10μm的工況下,追蹤了不同位置污染源散發出的典型顆粒,分析了顆粒運動過程中瞬時速度及擴散距離隨時間的變化.

如圖9所示,<2s時,顆粒的速度逐漸增大,這一時段顆粒上升的動力主要來源于熱氣流向上運動附加給顆粒的曳力,而后隨著周圍空氣的卷吸作用逐漸減弱,熱氣流對顆粒的曳力逐漸降低,5s<￡40s時,顆粒群在慣性力的作用下繼續做減速上升運動.>40s后,中間污染源散發的顆粒運動過程中主要受重力影響,兩側污染源散發的顆粒受外圍空氣卷吸作用的影響,在曳力和慣性力的作用下以較低的速度繼續向上運動.

圖9 顆粒遷移過程速度隨時間的變化

圖10 顆粒垂直方向擴散距離隨時間的變化

由圖10可見,在高溫顆粒擴散初始階段,對于任一污染源散發的顆粒,顆粒在垂直方向的擴散距離都會隨時間的推移逐漸增大;在20s<￡40s時,周圍空氣的卷吸作用逐漸減弱,熱氣流對顆粒的曳力逐漸降低,兩側污染源散發的顆粒在慣性力的作用下繼續向上做減速運動;結合圖9可以發現,羽流與羽流在發展過程中相互合并,當>40s后,渦旋結構的消失使得曳力和慣性力難以將中間污染源散發的典型顆粒運輸至Y=4m以上的位置,顆粒在重力作用下逐漸沉降.

顆粒徑向擴散距離隨時間的變化如圖11所示,由于兩側污染源散發的顆粒更容易受周圍空氣卷吸作用的影響,顆粒隨著渦旋結構的擴散區沿水平方向運輸,后因顆粒在慣性力和重力作用下在垂直方向做減速運動進入渦旋結構回流區,兩側顆粒逐漸向中心軸區域靠攏.

圖11 顆粒徑向擴散距離隨時間的變化

進一步考察了粒徑這一因素對顆粒群遷移過程的影響,保持初始條件0= 473K,0= 0.1s,0= 0.3m/s不變,工況六(p=5μm)和工況七(p=20μm)條件下不同粒徑顆粒群運動過程中的速度分布情況如圖12所示.

結合圖5氣流速度場的變化可以發現,顆粒和氣流之間的跟隨性會隨著粒徑的增大而逐漸變差,當=20s時,粒徑為20μm的顆粒群已有較多顆粒發生沉降.除此之外,受熱空氣速度自核心區域逐漸向外圍衰減的影響,位于顆粒群邊緣處的顆粒速度相對較低,脫離氣流運動概率較大.

圖12 不同粒徑顆粒群在t=20s時的速度分布

3 結論

3.1 多股熱羽流隨時間經歷了獨立發展和相互合并的過程,羽流與羽流之間動量通量的不平衡導致了相鄰羽流間渦旋結構的消失,使得顆粒遷移過程受到的氣流曳力和慣性力難以將中間污染源散發的粒徑p=10μm的顆粒運輸至高度4m以上的位置,這部分顆粒在重力的作用下更容易發生沉降.對于多個工位共同作業的熱工藝過程后期,處在中間工位的作業人員更容易受到顆粒污染物的影響,需要采取措施加強這一區域的安全衛生防護.

3.2 各個污染源散發的高溫顆粒遷移過程與顆粒同熱氣流之間的跟隨性緊密相聯,高溫顆粒群在熱氣流的作用下會同時沿著垂直方向和徑向擴散,5μm

3.3 兩側污染源散發的顆粒更容易受周圍空氣卷吸作用的影響,顆粒會隨著渦旋結構的擴散區沿水平方向運輸,后在慣性力和重力作用下在垂直方向做減速運動進入渦旋回流區,兩側的顆粒逐漸向中心軸區域靠攏.

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Numerical simulation of diffusion characteristics of high-temperature particles generated by multiple pollution sources in welding process.

HAN Kun1, ZHUANG Jia-wei1,2, DIAO Yong-fa1*, REN Mei1, ZHANG Li-an1

(1.College of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China；2.College of Petroleum Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China)., 2022,42(6)：2552～2560

In order to explore the migration law of particles under the action of hot airflow in the process of hot working, the diffusion characteristics of high-temperature particles associated with multiple buoyant jets are numerically studied based on the gas-solid two-phase discrete particle model (DPM). The instantaneous changes of the temperature and velocity of the hot airflow and the particle group during the two-phase flow are discussed. The results show that for the high-temperature particle group with 473K￡0￡673K, the temperature attenuation trend is similar, and the temperature distribution of the particle group is centrosymmetric. When the particle size is between 5μm and 20μm, the followability between particles and airflow decreases as the particle size increases.Thermal plumes have undergone independent development and merging processes over time.The disappearance of the vortex structure between the plumes causes the particles with a particle size of 10mm emitted by the central pollution source to settle moreeasily.

high-temperature particles；air quality；heat process；diffusion characteristics；thermal plume

X513

A

1000-6923(2022)06-2552-09

韓 坤(1995-),男,江蘇泰州人,東華大學博士研究生,主要從事工業建筑室內環境污染物控制研究.發表論文3篇.

2021-11-10

國家重點研發計劃(2018YFC0705300);中央高校基本科研業務費重點項目(2232017A-09)

* 責任作者, 教授, diaoyongfa@dhu.edu.cn