船舶雙層底局部通風(fēng)有害氣體分布數(shù)值模擬研究

徐昆倫，盛進(jìn)路（1. 中遠(yuǎn)集團(tuán)培訓(xùn)中心，山東 青島 266071； 2. 青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 266071；3. 重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074；4. 大連海事大學(xué) 船機(jī)修造工程交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116026）

船舶雙層底局部通風(fēng)有害氣體分布數(shù)值模擬研究

徐昆倫1，2，盛進(jìn)路3，4
（1. 中遠(yuǎn)集團(tuán)培訓(xùn)中心，山東 青島 266071； 2. 青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 266071；
3. 重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074；
4. 大連海事大學(xué) 船機(jī)修造工程交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116026）

采用流體分析軟件Fluent，對(duì)典型船舶密閉艙室雙層底進(jìn)行二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接作業(yè)時(shí)的局部通風(fēng)風(fēng)流流場、有害氣體 CO2及 CO 濃度場分布進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確定有害氣體擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型。通過設(shè)置組分源項(xiàng)的方法利用組分輸運(yùn)方程得出在一定通風(fēng)量的情況下 CO2及 CO 氣體的濃度分布規(guī)律，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作對(duì)比，結(jié)果基本一致，由此可根據(jù)不同通風(fēng)條件下確定焊接作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域，為防止 CO2集聚和 CO 中毒采取有效措施提供理論依據(jù)。

數(shù)值模擬；雙層底；通風(fēng)；有害氣體；源項(xiàng)

0　引　言

船舶雙層底為密閉空間，其出入口狹窄，自然通風(fēng)不良，易造成有毒有害氣體的集聚或氧含量不足，作業(yè)人員在與外界環(huán)境相對(duì)隔離的環(huán)境中工作容易造成中毒和窒息或火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生。在船舶修造施工作業(yè)中焊接作業(yè)工作量非常大，危險(xiǎn)性高，現(xiàn)在我國修造船企業(yè)大多采用 CO2氣體保護(hù)焊［1］，而焊接產(chǎn)生大量的煙塵和有毒有害氣體極易造成職業(yè)危害，在密閉艙室中進(jìn)行 CO2氣體保護(hù)焊作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的 CO 極易造成人體組織缺氧中毒，必須通過通風(fēng)的方法排出有毒有害氣體。國內(nèi)學(xué)者對(duì)焊接污染進(jìn)行了大量研究，蔡治平［2］等針對(duì)大型船體裝焊車間焊接煙塵擴(kuò)散模式理論進(jìn)行了探討，提出了焊接煙塵在室內(nèi)的擴(kuò)散模式和濃度分布的理論計(jì)算方法；桑麗群［3］針對(duì)焊接污

2.1幾何模型的建立

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒㈦p層底局部通風(fēng)的三維幾何模型如圖2 所示，x = 3.6 m，y = 2 m，z = 2.4 m。由于作業(yè)人員對(duì)風(fēng)流流場的擾動(dòng)作用不能將其忽略，將人體用 x = 0.2 m，y = 0.9 m，z = 0.4 m的長方體代替，距離艙壁0.4 m，焊接作業(yè)區(qū)域緊貼艙壁?？紤]到艙室內(nèi)壁肋板對(duì)風(fēng)流流場的擾動(dòng)，將肋板假設(shè)為具有一定高度的固體壁面，風(fēng)筒出口為圓形，直徑0.3 m，風(fēng)速5 m/s。

2.2數(shù)學(xué)模型及邊界條件

船舶雙層底焊接作業(yè)的通風(fēng)風(fēng)流狀態(tài)為紊流，風(fēng)流從風(fēng)筒流出后與焊接區(qū)域的有害氣體混合，引起染，從物理、化學(xué)污染防治兩方面，提出了焊接污染的控制措施。目前國內(nèi)外學(xué)者通過數(shù)值模擬的方法對(duì)焊接溫度場和流場進(jìn)行了分析，鄭振太［4］等通過ANSYS對(duì)有強(qiáng)制對(duì)流效果的 CO2氣體保護(hù)焊溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了強(qiáng)制對(duì)流對(duì)氣體保護(hù)焊溫度場的影響；賈雪峰［5］等利用流體計(jì)算軟件模擬研究了某高大封閉焊接車間的置換通風(fēng)方案，得到了車間內(nèi)焊接煙塵的濃度場分布；夏勝全［6］等建立了 CO2氣體保護(hù)焊焊接電弧三維瞬態(tài)模型，模擬出了氣體保護(hù)焊焊接電弧的電場電流密度、磁場電磁力、溫度和速度場的分布；戚順順［7］等對(duì)焊接過程中產(chǎn)生的 CO 氣體在車間內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了 CO 氣體濃度場在車間內(nèi)的分布規(guī)律。

陳建平運(yùn)用仿真模型來分析了船舶密閉艙室在熱工作業(yè)條件下的溫度變化規(guī)律和通風(fēng)量［8］，針對(duì)船舶艙室的煙氣控制方面國內(nèi)學(xué)者也做了相關(guān)研究［9-10］，而針對(duì)船舶密閉艙室風(fēng)流流場及污染物分布的研究較少，研究船舶密閉艙室有毒有害氣體分布規(guī)律，對(duì)預(yù)防有毒有害氣體集聚和指導(dǎo)通風(fēng)方案設(shè)計(jì)具有重要意義，密閉艙室的局部通風(fēng)為射流通風(fēng)，包括射流區(qū)和回流區(qū)，流線彎曲較大，風(fēng)流流場不同于一般的廠房車間的通風(fēng)，容易造成有害氣體集聚。本文采用流體分析軟件Fluent對(duì)典型船舶密閉艙室雙層底的局部通風(fēng)風(fēng)流流場和有害氣體 CO2及 CO 濃度場分布進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出風(fēng)流流場和有害氣體分布的一般規(guī)律。

1　雙層底局部通風(fēng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃湍M條件

1.1雙層底局部通風(fēng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

為研究船舶雙層底局部通風(fēng)有害氣體分布規(guī)律，選取某船廠雙層底分段為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在雙層底艙室內(nèi)部進(jìn)行 CO2氣體保護(hù)焊接作業(yè)，船舶雙層底分段結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　船舶雙層底分段結(jié)構(gòu)圖Fig. 1　Structure block of the double bottom cell

在船舶雙層底進(jìn)行 CO2氣體保護(hù)焊接作業(yè)，CO2本身為窒息性氣體，如果通風(fēng)不良容易造成人員中毒窒息，由于 CO2保護(hù)氣體在電弧高溫的作用下的分解產(chǎn)生有毒氣體 CO，同時(shí) CO2及其分解后的氧對(duì)熔化金屬中的碳元素起氧化作用，經(jīng)過復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)也產(chǎn)生一部分 CO。因此，必須通過合理的通風(fēng)方式排出有毒有害氣體，包括風(fēng)筒布置位置、風(fēng)量及風(fēng)筒出口與作業(yè)點(diǎn)距離。

1.2模擬條件

根據(jù)雙層底 CO2焊接作業(yè)現(xiàn)場實(shí)際條件，CO2焊機(jī)型號(hào)為 XD500S，CO2流量為 15 L/min，CO 產(chǎn)生速率約為 170 mg/min。將風(fēng)筒布置在距離作業(yè)地點(diǎn) 1.2 m的艙室底部，風(fēng)筒直徑 0.3 m，風(fēng)流流速 5 m/s。為避免風(fēng)流對(duì)焊接表面 CO2氣體的直接擾動(dòng)作用，將作業(yè)人員布置在風(fēng)筒和作業(yè)點(diǎn)中間位置，距離作業(yè)地點(diǎn)0.4 m，風(fēng)流從風(fēng)筒出流后經(jīng)過人體區(qū)域饒流后攜帶有害氣體沿艙壁向上流動(dòng)，沿艙室頂部回流經(jīng)人孔排出。

2　有害氣體擴(kuò)散數(shù)值模擬

圖2　雙層底局部通風(fēng)的三維幾何模型Fig. 2　Three dimensional geometric model of double bottom with auxiliary ventilation

CO2和 CO 氣體的紊流擴(kuò)散，同時(shí)由于焊接作業(yè)釋放出大量熱量，有害氣體在浮升力的作用下自然上升，沿艙室頂部回流經(jīng)人孔排出艙外。從焊接區(qū)域流出有害氣體通過設(shè)置組分源項(xiàng)的形式表示，將 CO2和 CO及空氣 Air 設(shè)為 3 種單獨(dú)的組分，使用組分傳輸模型（Species Model）來模擬其混合輸運(yùn)過程。

對(duì)于雙層底局部通風(fēng)紊流擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，紊流擴(kuò)散的控制方程包括質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）、動(dòng)量守恒方程（Navier-Stokes方程）、組分傳輸方程及能量方程。湍流模型采用 RNG 雙方程湍流模型，對(duì)于近壁面的流動(dòng)采用壁面函數(shù)法處理［11］。根據(jù)上述簡化和假設(shè)，控制方程可表述為：

連續(xù)性方程：

式中：Sm為質(zhì)量源項(xiàng)；Fy為 y 方向上的動(dòng)量源項(xiàng)；Ss為組分的質(zhì)量源項(xiàng)。ST為組分的能量源項(xiàng)。邊界條件的設(shè)置如下：

1）壁面邊界條件：將巷道壁面處理為無滑移固體壁面；

2）速度入口邊界條件：艙室中的風(fēng)流可認(rèn)為是不可壓縮流體，設(shè)置風(fēng)筒出口邊界為速度入口邊界條件，指定速度大小為風(fēng)筒出口的平均流速，方向垂直于風(fēng)筒出口邊界，風(fēng)速為 5 m/s；

3）出口邊界條件為出流：人孔出口斷面風(fēng)流的流動(dòng)是完全發(fā)展的，設(shè)置為出流邊界條件；

4）源項(xiàng)：將焊接區(qū)域設(shè)置為流體區(qū)域，分別設(shè)置CO2和 CO 兩種組分的質(zhì)量源項(xiàng)、動(dòng)量源項(xiàng)及能量源項(xiàng)。

3　數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1風(fēng)流流場分析

根據(jù)上述模擬條件和邊界條件假設(shè)，對(duì)雙層底內(nèi)CO2體保護(hù)焊接作業(yè)通風(fēng)的風(fēng)流流場進(jìn)行模擬，在風(fēng)速為 5 m/s 的情況下，沿艙室軸向 XY 切面上風(fēng)流流場分布如圖3 所示。

圖3　雙層底軸向風(fēng)流流場分布z=1.2 mFig. 3　Distribution of stream line on section along axis z=1.2 m

風(fēng)流從風(fēng)筒出流后由于人體的擾動(dòng)作用，在風(fēng)筒出口上部和下部區(qū)域形成渦流，焊接區(qū)域風(fēng)流沿人體向下流動(dòng)，與區(qū)域內(nèi)的有害氣體混合并沿艙室向上流動(dòng)形成渦流，同時(shí)由于艙室內(nèi)肋板的阻擋作用，在艙室頂部形成渦流，風(fēng)流攜帶有害氣體從人孔排出。在形成渦流的區(qū)域內(nèi)容易造成有害氣體的集聚，不利于有害氣體的排出。

3.2有害氣體分布

焊接作業(yè)人員吸入高濃度的 CO2所出現(xiàn)的昏迷及腦缺氧情況，一般空氣中 CO2含量超過 1% 時(shí)，人即有輕度頭暈反應(yīng)；當(dāng)超過3%時(shí)，開始出現(xiàn)呼吸困難；超過 6% 時(shí)，就會(huì)重度缺氧窒息甚至死亡；而 CO 的安全上限濃度為 30 mg/m3或 50 ppm，超過這個(gè)濃度將影響作業(yè)人員的身體健康甚至死亡。沿艙室軸向 XY 切面上 CO2和 CO 濃度分布如圖4 和圖5 所示。

圖4　雙層底軸向CO2濃度分布z=1.2 mFig. 4　Distribution of Co2concentration on section z=1.2 m

圖5　雙層底軸向CO濃度分布z=1.2 mFig. 5　Distribution of CO concentration on section z=1.2 m

焊接區(qū)域上方距離艙壁 0.1 m 以內(nèi)的區(qū)域 CO2濃度超過 1%，而距離焊點(diǎn) 0.2 m 以外的區(qū)域內(nèi) CO2濃度達(dá)到 0.1%，這個(gè)區(qū)域正是作業(yè)人員頭部所在的區(qū)域，能夠滿足安全作業(yè)的要求。艙室頂部區(qū)域風(fēng)流與 CO2充分混合，CO2濃度在 0.04% ～ 0.1% 之間，沒有造成集聚。

焊接區(qū)域上方距離艙壁 0.2 m 以內(nèi)的區(qū)域 CO 濃度達(dá)到 20 ppm 以上，距離艙壁 0.1 m 以內(nèi)的區(qū)域 CO 濃度高達(dá) 100 ppm 以上。而距離焊點(diǎn) 0.2 m 以外的區(qū)域內(nèi)CO 濃度在 20 ppm 以下，作業(yè)人員在此區(qū)域內(nèi)作業(yè)能夠滿足要求。

焊接作業(yè)人員蹲立時(shí)鼻尖距地面高度距艙底約為0.5 ～ 0.7 m 的區(qū)域，選取 Y=0.6 m的橫切面作為監(jiān)測(cè)區(qū)域觀測(cè) CO 濃度的數(shù)值，如圖6 所示。

焊接區(qū)域周圍距離艙壁 0.1 m 以外的區(qū)域，CO 濃度在 5 ～ 17 ppm 之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于安全上限值 50 ppm，說明焊接作業(yè)人員在此區(qū)域內(nèi)作業(yè)是安全的。

在焊接作業(yè)區(qū)域周圍距離艙壁 0.2 m 以外的作業(yè)區(qū)域基本是人員頭部所在的區(qū)域，選取 X=0.3 m 的橫斷面作為檢測(cè)區(qū)域觀測(cè) CO 濃度的數(shù)值，如圖7所示。

圖6　艙室橫切面CO濃度分布y=0.6 mFig. 6　Distribution of CO concentration on section y=0.6 m

圖7　艙室橫斷面CO濃度分布x = 0.3 mFig. 7　Distribution of CO concentration on section x=0.3 m

在整個(gè)橫斷面上，距離艙底 0.5 m ～ 0.7 m 的高度上，CO 濃度在 10 ～ 40 ppm 之間，此區(qū)域?yàn)槿藛T呼吸的區(qū)域，說明區(qū)域 CO 濃度沒有超限滿足作業(yè)要求；而在艙室頂部區(qū)域造成 CO 集聚，濃度超過 50 ppm。

3.3數(shù)據(jù)對(duì)比

在雙層 CO2氣體保護(hù)焊實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袦y(cè)定焊接作業(yè)人員頭部鼻尖位置處的 CO 濃度，測(cè)氧測(cè)爆儀選用日本理研 GX-2003 四合一氣體檢測(cè)儀，測(cè)點(diǎn)位置為 x = 0.3 m，y = 0.6 m，z = 1.2，經(jīng)多次測(cè)量求得 CO 濃度平均值為 20 ppm，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，本文在數(shù)值模擬過程中將人體用長方體來代替，對(duì)模擬結(jié)果有一定的影響。

4　結(jié)　語

本文針對(duì)雙層底二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途植客L(fēng)的風(fēng)流流場和有害氣體濃度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

1）雙層底內(nèi)部在焊接作業(yè)區(qū)上方出現(xiàn)渦流，不利于有毒有害氣體的排出，在艙室頂部也出現(xiàn)渦流，容易造成有毒有害氣體的集聚。

2）利用設(shè)置源項(xiàng)的方法通過組分輸運(yùn)方程可以得出雙層底二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接作業(yè)時(shí)有害氣體的濃度分布情況，經(jīng)數(shù)據(jù)對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

3）風(fēng)筒位于艙室底部距離焊接作業(yè)地點(diǎn) 1.2 m處，風(fēng)速為 5 m/s 的情況下，艙室頂部不會(huì)造成 CO2的集聚，而在焊點(diǎn)正上方 CO2 濃度超過 1%，作業(yè)人員頭部在此區(qū)域內(nèi)有發(fā)生中毒窒息的可能性。

4）在焊點(diǎn)正上方區(qū)域內(nèi) CO 濃度高達(dá) 100 ppm 以上，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出安全限值，可能會(huì)造成人員中毒，在距離艙壁 0.2 m 以外的區(qū)域 CO 濃度逐漸降低；距離艙壁 0.3 m 處作業(yè)人員頭部所在位置上的 CO 濃度在50 ppm 以下，而在艙室頂部區(qū)域出現(xiàn) CO 集聚現(xiàn)象，最高濃度達(dá) 60 ppm。

本文采用數(shù)值模擬分析的方法能夠得出在局部通風(fēng)情況下船舶密閉艙室內(nèi)部的風(fēng)流流場和有毒有害氣體的濃度分布狀況，根據(jù)污染物集聚情況可指導(dǎo)現(xiàn)場通風(fēng)方案設(shè)計(jì)，為測(cè)氧測(cè)爆地點(diǎn)的選取提供理論依據(jù)，防止作業(yè)人員在密閉艙室內(nèi)發(fā)生中毒窒息事故。

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Numerical simulation analysis of the harmful gas distribution in ship's double bottom cell with auxiliary ventilation

XU Kun-lun1，2， SHENG Jin-lu3，4
（1. COSCO Group Training Center， Qingdao 266071， China； 2. Qingdao Ocean Shipping Mariners College， Qingdao 266071， China；
3. College of Traffic and Transportation， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China；
4. Laboratory of Ship-Machinery Maintenance and Manufacture for Ministry of Transportation， Dalian Maritime University，Dalian 116026， China）

A commercial CFD software Fluent is used to simulate the airflow and harmful gas distribution in ship's double bottom cell with forcing auxiliary ventilation during carbon dioxide gas welding， the mathematical model for simulation of harmful gas diffusion is established. The distribution pattern of CO2and CO in a certain amount of ventilation is obtained using species source term， the simulation results fit the model experiment data well. The dangerous areas in welding could be obtained the harmful gas distribution under different ventilation conditions， that provides the basic theory for avoiding CO2accumulation and CO poisoning.

numerical simulation；double bottom；ventilation；harmful gas；source term

U671.8

A

1672-7619（2016）05-0133-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.0028

2016-03-09；

2016-04-05

船機(jī)修造工程交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（2015KF05）；山東省高校科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（J15LN72）

徐昆倫（1981-），男，碩士，講師，研究方向?yàn)榇巴L(fēng)安全技術(shù)與安全管理。