基于CFD?DPM的空氣幕協同排風罩增效除塵研究

摘要：以某機械廠打磨車間為研究對象，利用Solidworks軟件建立帶有空氣幕協同排風罩除塵的打磨車間模型，基于氣固兩相流理論，采用計算流體力學離散顆粒模型（CFD?DPM）模擬分析空氣幕送風速度、射流角度和射流寬度對除塵效率的影響，選取空氣幕的最優參數；在此基礎上，對比分析未開啟排風罩、開啟排風罩、同時開啟排風罩與空氣幕3種工況的風速分布、粉塵運移軌跡及粉塵質量濃度分布，探討空氣幕協同排風罩除塵的效果。結果表明：粉塵最大濃度、呼吸帶粉塵濃度隨空氣幕送風速度、射流寬度的增大而減小，但不隨空氣幕射流角度的變化而變化；粉塵濃度隨地面高度的增大先增后減，不同高度處粉塵濃度變化趨勢基本一致；當空氣幕射流寬度30 mm、射流角度30°、送風速度3 m/s時，通風除塵效果最佳，除塵效率高達94.2%。相比于僅開啟排風罩，排風罩與空氣幕協同作用下的除塵效率提高了38.8%，空氣幕協同排風罩對車間除塵具有較好的增效作用。

關鍵詞：打磨車間；金屬粉塵；排風罩；空氣幕；計算流體力學（CFD）；離散顆粒模型（DPM）；除塵；職業健康

中圖分類號：X 965文獻標志碼：A doi：10.12415/j.issn.1671?7872.24037

Research on Enhanced Dust Removal Using Air Curtain in Conjunction with Exhaust Hood Based on CFD?DPM

DING Houcheng，XUWanping，DENGQuanlong，CHENZhenyang，ZHU Qiang

（School of Architecture Engineering，Anhui University of Technology，Maanshan 243032，China）

Abstract：Taking a mechanical factory’s grinding workshop as the research object，a model of the grinding workshop equipped with a air curtain in conjunction with an exhaust hood for dust removal was established using Solidworkssoftware.Based on the gas-solid two-phase flow theory，the computational fluid dynamics–discrete particle model（CFD?DPM）was adopted to simulate and analyze the influence of air curtain supply air velocity，jet angle and jet width on dust removal efficiency，thereby selecting the optimal parameters for the air curtain.On this basis，the wind speed distribution，dust migration trajectory and dust mass concentration distribution were compared and analyzed under three working conditions of not opening the dust extraction hood，opening the dust extraction hood，opening the dust extraction hood and air curtain.The effectiveness of dust removal using the air curtain in conjunction with the exhaust hood was explored.The results show that the maximum dust concentration and respiratory zone dust concentration decrease with the increase of the air velocity and the jet width of the air curtain，but do not change with variations in the jet angle of the air curtain.The dust concentration first increases and then decreases with the increase of height from the ground，showing a consistent trend at different heights.When the air curtain jet width is 30 mm，the jet angle is 30°，and the air velocity is 3 m/s，the ventilation and dust removal effect istheoptimal，achieving a dust removal efficiency of up to 94.2%.Compared to operating the exhaust hood alone，the dust removal efficiency increases by 38.8%when the dust extraction hood and the air curtain work together，demonstrating that the air curtain in conjunction with the exhaust hood significantly enhances dust removal in the workshop.

Keywords：grinding workshop;metaldust;exhausthood;aircurtain;computational fluid dynamics（CFD）；discrete particle model（DPM）;dust removal;occupational health

金屬打磨是機械制造過程中的1個關鍵環節，是提高產品質量的重要步驟。但是，金屬打磨過程中，尤其在磨削處理大型金屬工件時會產生大量的金屬粉塵（主要成分為鋁），若處理不當，會引發安全事故[1]，嚴重影響員工生命健康及生產設備的安全運行。例如：2019年，昆山某工廠發生較大金屬粉塵爆炸事故，致使多人傷亡[2]；2022年，我國職業性塵肺病占全國各類職業病的68%[3]。有效的粉塵治理措施是保障車間安全運營的關鍵，控制打磨車間粉塵擴散一般使用排風罩，但單一使用排風罩難以達到理想的除塵效果[4?5]。因此，研究打磨車間除塵方式及其除塵效果，對于保障安全生產和工人職業健康等具有重要意義。

空氣幕是1種由風機、風管和出風口等組成的送風裝置，具有防塵、防污染的功能，且具有不占空間、不影響視野、便于操作的優點，廣泛用于電子、儀器儀表、制藥、食品、精密加工、化工等行業。為有效控制粉塵擴散，相關學者對由空氣幕組成除塵系統的阻隔粉塵效果進行了研究。Xiao等[6]實驗研究表明，當空氣幕射流速度為6.27 m/s、排氣壓力比為0.6、射流角為15°時，軟密封空氣幕系統的粉塵控制效率達到92.6%；Li等[7]實驗研究表明，當排氣壓力比為0.8、風幕射流速度為13.5 m/s時，旋轉流空氣幕系統除塵效率最高可達94.76%，可解決某煙草廠煙桿裝填點的粉塵逃逸問題；Zhang等[8]針對抑制抓斗卸船機卸料過程，設計1種粉塵擴散的空氣幕軟密封系統，該系統能有效阻斷氣流，限制污染物的擴散，使空氣幕平面外污染物的平均質量分數降低70.02%；Li等[9]模擬研究表明，當排氣壓力比為1.5、空氣幕出口速度為5～6 m/s時，由空氣幕組成的大豆轉運系統除塵效率可達95.54%～96.27%，可顯著降低職業性塵肺病的患病幾率。

上述研究表明由空氣幕組成的除塵系統可提高除塵效率。排風罩是局部排風系統中捕集粉塵的裝置，相關學者對空氣幕協同排風罩去除不同污染物進行了研究。舒心予[10]模擬研究表明，在打磨工位最佳工況下，對于煙霧狀粉塵，空氣幕協同排風罩的除塵效率接近100%；譚聰等[11]模擬分析打磨車間使用排風罩、排風罩與擋板、排風罩與空氣幕3種通風除塵系統的除塵效果，得出空氣幕與排風罩協同除塵的效果較優；羅薇[12]研究空氣幕協同大型落砂機半密閉罩的除塵效果，結果表明在上進風口增設風速10 m/s的單側空氣幕或增設風速5 m/s、與X軸夾角為?15°的雙側空氣幕，除塵效果最佳；于青玉等[13]使用空氣幕協同排風罩解決了消失模澆注工位因煙氣大、煙氣上升速度快而無法有效除塵的問題。現有研究表明，空氣幕與排風罩協同除塵可起到較好的除塵效果，但針對空氣幕送風速度、射流角度和射流寬度等參數對空氣幕協同排風罩除塵效果影響的研究不夠深入。因此，采用數值模擬的方法分析空氣幕送風速度、射流角度和射流寬度對除塵效率的影響，優化空氣幕的工況參數，基于此分析排風罩與空氣幕協同作用下的除塵效果，以期為降低車間粉塵濃度提供參考。

1打磨車間模型建立與驗證

1.1幾何模型

以某機械廠打磨車間為研究對象，利用Solidworks軟件按1∶1的結構比建立打磨車間幾何模型，如圖1。打磨車間長12 m、寬10 m、高4 m；車間大門寬1.5 m、高2.1 m；室內窗戶寬1.2 m、高1.5 m；墻壁一側設置直徑為0.5 m的排風扇；車間內有3個打磨臺，長2.0 m、寬1.5 m、高0.8 m。

空氣幕與排風罩結合除塵的局部圖如圖2。車間設有2個監測點（P1，P2），P1位于污染源與排風罩口距中心豎直向上的直線；P2位于污染源正上方呼吸帶高度處（距地面1.5 m高度）。GBZ 2—2002[14]規定，車間內的鋁合金粉塵質量濃度衛生標準為4 mg/m3，經測試該車間作業空間粉塵質量濃度為16 mg/m3，粉塵濃度遠超標準要求。

1.2數學模型

打磨車間離散相的體積分數小于10%[15]，將車間氣流和打磨過程產生的粉塵分別看作連續相和顆粒相，分別選用歐拉法和拉格朗日法計算連續相和顆粒相的運動。計算流體動力學中用到的控制方程[16?18]如下：

質量守恒方程

動量守恒方程

k-ε湍流方程

顆粒作用力平衡方程

其中：F=0：75C j da（a-）uj；t為時間；為氣體密度；u為流體速度；ui，uj為i，j方向的流體速度；p為流體壓力；τij為應力張量；g為重力體積力；gi為i方向的重力體積力；k為湍流動能；ui為i方向的速度；Gk為湍流動能變化率；μ為層流黏性系數；μt為湍流黏性系數；ε為湍流動能耗散率；xi，xj為i，j方向的坐標；Cε1，Cε2，Cμ，σε，σk分別取1.44，1.92，0.09，1.3，1.0；C為阻力系數；ua為顆粒速度；a為顆粒密度；da為顆粒直徑。

1.3邊界條件設定

將幾何模型導入FLUENT軟件，進行氣固兩相流設置，先計算連續相后加載離散相。對流場的仿真模擬采用速度入口inlet、壓力出口outlet的邊界條件[19?21]。設置門和窗的邊界條件為速度入口，排風罩與排風扇的邊界條件為壓力出口，排風扇的離散相邊界條件為逃逸，門窗與墻面的離散相邊界條件為反射，排風罩的離散相邊界條件為陷入。采用Realizable k?ε湍流模型迭代，采用SIMPLE算法。打磨工具為砂輪直徑為125 mm的角磨機，標準轉速為5 000 r·min?1、線速度為32.7 m/s，設置粉塵源時，將砂輪的線速度作為粉塵的初始速度。離散相參數設定見表1。

1.4網格劃分

在滿足計算要求的前提下，使用ICEM CFD軟件對圖1所示的模型進行網格劃分。為驗證網格無關性，模擬計算模型網格為56，98，129萬個條件下未開啟空氣幕和排風罩時呼吸帶高度處粉塵的質量濃度，結果如圖3，由圖3可見：3種網格下呼吸帶高度處粉塵的濃度變化趨勢基本一致，綜合考慮計算精度與時間，選擇98萬個的網格進行模擬。

1.5模型驗證

為驗證數值模擬結果的可靠性，以文獻[11]中的打磨車間為研究對象，采用本文模擬方法建立模型，對車間中部呼吸帶高度11個監測點粉塵濃度進行模擬計算，計算結果與文獻[11]中的實測結果如圖4。從圖4可看出：模擬結果與實驗結果較為接近，粉塵質量濃度變化趨勢基本一致，說明采用本文的數值模擬方法分析打磨車間粉塵質量濃度分布是可行的。

2模擬結果與分析

2.1空氣幕參數對空氣幕協同排風罩控制粉塵效果的影響

影響空氣幕除塵效果的主要因素為送風速度、射流角度和射流寬度。傳統的通風系統風量設計方法為速度控制法和流量比法，文中依據速度控制法，設定除塵排風量為10 080 m3/h，探究空氣幕送風速度、射流角度和射流寬度對空氣幕協同排風罩除塵效果的影響。

2.1.1空氣幕送風速度

空氣幕射流角度30°、射流寬度30 mm時，送風速度為2.0，2.5，3.0，3.5，4.0 m/s下打磨臺1周圍的空氣流速分布如圖5，粉塵源與排風罩間距中心豎直向上（r1點）不同高度處粉塵濃度分布如圖6，粉塵源正上方呼吸帶高度處（距地面1.5 m高度的r2點）粉塵濃度分布如圖7，空氣幕不同送風速度下的除塵效率如圖8。

由圖5可知：空氣幕送風速度為2.0～4.0 m/s時，隨送風速度的增大，形成的射流面越大，更易阻止粉塵擴散；同時，排風罩吸入的粉塵越多，越有利于提高除塵效率。

由圖6可知：同一送風速度下，隨地面高度的增加，粉塵濃度先增后減，粉塵最大濃度出現在距地面高度1.25 m附近；粉塵最大濃度隨空氣幕送風速度的增大而減小，且空氣幕送風速度4.0 m/s時，粉塵最大濃度最小為11.9 mg/m3。

由圖7可知：同一送風速度下，呼吸帶粉塵濃度隨與污染源距離的增大而減小；距污染源?0.7 m處，空氣幕送風速度最高為4.0 m/s時，呼吸帶粉塵濃度降低為2.5 mg/m3。

由圖8可知：空氣幕送風速度為2.0～4.0 m/s時，除塵效率隨空氣幕送風速度的增大逐漸增大，至送風速度為3.0 m/時，速度達到穩定狀態，除塵效率基本不變。考慮到節約能源、人員舒適度及除塵效果，選擇空氣幕送風速度為3.0 m/s。

2.1.2空氣幕射流角度

空氣幕送風速度3.0 m/s、射流寬度30 mm時，射流角度為0°，15°，30°，45°，60°下打磨臺1周圍的空氣幕流線如圖9，粉塵源與排風罩間距中心豎直向上（r1點）不同高度處粉塵濃度分布如圖10，粉塵源正上方呼吸帶高度處（距地面1.5 m高度的r2點）粉塵濃度分布如圖11，空氣幕不同射流角度下的除塵效率如圖12。

由圖9可知：射流角度為0°和15°時，空氣幕噴出的氣流大部分涌入排風罩，極少量氣流在打磨臺周圍盤旋；與射流角度45°相比，射流角度30°時空氣幕噴出的氣流更易涌入排風罩，更易阻隔粉塵與操作人員的接觸；射流角度為60°時，空氣幕噴出的氣流部分涌向排風扇，空氣幕無法形成有效射流面阻隔粉塵的擴散，除塵效果不佳。

由圖10可知：同一空氣幕射流角度時，粉塵濃度隨地面高度的增加先增后減，不同空氣幕射流角度時粉塵濃度隨高度變化的趨勢基本一致。距地面高度為1.20～1.25 m時，射流角度為0～45°時粉塵濃度達最大；距地面高度為1.70～1.75 m時，射流角度為60°時粉塵濃度達最大，30°時粉塵最大濃度最小。

由圖11可知：同一射流角度下，呼吸帶粉塵質量濃度隨著與污染源距離的增大而減小；射流角度為30°時，呼吸帶粉塵濃度達最小，且始終小于4 mg/m3。

由圖12可知：射流角度為0～60°時，除塵效率隨射流角度的增大先降后升再降；射流角度為30°時的除塵效率最高，60°時的除塵效率最低。基于最大粉塵濃度和除塵效率，實際應用中選擇空氣幕射流角度30°。

2.1.3空氣幕射流寬度

空氣幕送風速度3 m/s、射流角度30°時，空氣幕射流寬度為20，25，30，35，40 mm下打磨臺1周圍的空氣流速分布如圖13，粉塵源與排風罩間距中心豎直向上（r1點）不同高度處粉塵濃度分布如圖14，粉塵源正上方呼吸帶高度（距地面1.5 m高度的r2點）粉塵濃度分布如圖15，空氣幕不同射流寬度下的除塵效率如圖16。

由圖13可知：空氣幕射流寬度為20～40 mm時，隨射流寬度的增大，形成的射流范圍略有增大；射流寬度為40 mm時，空氣幕噴出的射流面更易阻止粉塵的擴散。

由圖14，15可知：同一離地高度下，粉塵濃度隨射流寬度的增大而減小；不同射流寬度下，呼吸帶粉塵質量濃度隨與污染源距離的增大而減小；空氣幕射流寬度為20～40 mm時，隨射流寬度的減小，呼吸帶粉塵濃度整體降低，射流寬度不小于30 mm時，呼吸帶粉塵濃度始終在4 mg/m3以下；在距離污染源?0.7 m處、射流寬度最大為40 mm時，呼吸帶粉塵濃度最低為0.828 mg/m3。

由圖16可知：空氣幕射流寬度為20～40 mm時，除塵效率隨空氣幕射流寬度的增大逐漸增大，至射流寬度為30 mm，除塵效率基本不變。考慮到節約能源、人員舒適性和除塵效果，選擇空氣幕射流寬度為30 mm。

2.2空氣幕協同排風罩的粉塵控制效果

基于2.1的結果，選定排風罩的排風量為10 080 m3/h，空氣幕的送風速度為3 m/s、射流角度為30°、射流寬度為30 mm，對比未開啟排風罩、開啟排風罩、同時開啟排風罩與空氣幕3種工況下，打磨車間空氣流速、運移軌跡、粉塵質量濃度、除塵效率。截取高度為1.1 m時3種工況下打磨車間空氣流速分布，結果如圖17。以自動打磨機磨削型材，打磨機反復運動產生的粉塵源為面塵源，打磨300 s時3種工況下粉塵從產生到擴散至車間各位置的運移軌跡如圖18。3種工況下打磨車間粉塵濃度分布如圖19，除塵效率如表2。

由圖17可知：未開啟排風罩時，受打磨臺和墻壁的阻擋，從門窗進入車間的氣流流場存在射流區、旋渦區和回流區；3臺打磨臺均阻擋空氣流動，通過的空氣流速迅速減小；同時，車間各個角落的空氣流速度較小，形成無風區域，不利于通風除塵。開啟排風罩時，排風罩口附近的空氣流速為1.28～3.41 m/s，空氣從門窗進入流向打磨臺附近區域，彼此相互流通，打磨臺之間的氣流較小；同時開啟空氣幕和排風罩時，受空氣幕射出氣流的影響，排風罩口風速增至1.45～3.88 m/s，風流的運移方向使打磨臺之間的氣流不再彼此流通。由此看出，空氣幕的開啟影響排風罩周圍局部空氣流速分布，使排風罩口的空氣流速增大，有助于粉塵從排風罩口排出。

由圖18可知：未開啟排風罩時，粉塵從污染面釋放，結合空氣流動方向（圖17），部分粉塵由于側邊窗戶與墻角產生渦旋隨風流擴散到車間兩端，部分粉塵因磨削有較大的速度而從排風罩逃逸，少量粉塵由于自身重力沉降到3臺打磨臺周圍；開啟排風罩時，排風罩口風速大，大量粉塵被排風罩吸收，部分粉塵從排風罩逃逸，部分粉塵仍擴散到車間兩端和打磨臺周圍，說明排風罩能夠排出一定量的粉塵，對車間粉塵濃度控制有重要作用，但仍有部分粉塵存留于車間；開啟空氣幕時，由于空氣幕射流的作用，從污染面釋放的粉塵短時間內被排風罩吸收，除塵效率大幅提高。

由圖19可知：未開啟排風罩時，打磨臺周圍存在高濃度粉塵，粉塵主要圍繞在打磨臺上方和靠墻兩側，污染源上方最高粉塵質量濃度可達16 mg/m3，呼吸帶高度粉塵質量濃度最高可達7 mg/m3；開啟排風罩，打磨車間整體粉塵濃度分布發生較大變化，靠墻兩側的粉塵質量濃度較低，說明排風罩可吸收打磨過程中無序擴散的大部分粉塵，能夠保證呼吸帶高度粉塵的質量濃度低于4 mg/m3，但距污染源中心1 m處粉塵的質量濃度達15 mg/m3，粉塵并未完全被排風罩吸收，未能達到理想的除塵效果；同時開啟空氣幕和排風罩后，除打磨臺以外區域的粉塵質量濃度基本降為0。

由表2可知：僅開啟排風罩時，除塵效率為55.4%；同時開啟排風罩與空氣幕時，除塵效率為94.2%，相比于僅開啟排風罩，空氣幕與排風罩協同作用下的除塵效率提高了38.8%，空氣幕協排風罩可顯著提升打磨車間的除塵效率。

3結論

基于氣固兩相流理論，利用CFD?DPM建立空氣幕協同排風罩除塵的打磨車間模型，模擬分析空氣幕參數對除塵效果的影響，優化空氣幕參數；在此基礎上，對比分析空氣幕與排風罩協同除塵的效果，所得主要結論如下：

1）呼吸帶粉塵濃度、粉塵最大濃度隨空氣幕送風速度、射流寬度的增大而減小，且不隨空氣幕射流角度的變化而變化。在距離污染源?0.7 m處，射流速度最高為4.0 m/s時，呼吸帶粉塵質量濃度降低為2.5 mg/m3；射流寬度最大為40 mm時，呼吸帶粉塵質量濃度最低為0.8 mg/m3。隨地面高度的增大，粉塵濃度先增后減，變化趨勢基本一致。

2）未開啟排風罩時，打磨臺周圍存在大量高濃度粉塵，污染源上方粉塵質量濃度最高可達16 mg/m3，呼吸帶高度最高可達7 mg/m3；開啟排風罩后，除污染源中心1 m處粉塵質量濃度達15 mg/m3，其他操作人員活動區域各高度粉塵濃度均較低。

3）為控制車間粉塵最大濃度，以呼吸帶高度粉塵濃度為標準，當空氣幕射流寬度為30 mm、射流角度30°、送風速度為3.0 m/s時，空氣幕協同排風罩通風除塵效果最佳，相比于僅開啟排風罩，排風罩與空氣幕協同作用下的除塵效率提高了38.8%。

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責任編輯：閆芳芳