司芳芳，葉平偉,2，皇甫喜樂，王立瑩，吳 瓊

(1.防化研究院， 北京 100191； 2.國民核生化災(zāi)害防護國家重點實驗室， 北京 102205)

防毒面具濾毒罐作為呼吸道個人防護裝備中最核心的部件之一，主要是過濾灰塵、氣溶膠和吸收毒劑。目前研究的弧形濾毒罐結(jié)構(gòu)相比國內(nèi)裝備的防毒面具采用的圓柱形濾毒罐結(jié)構(gòu)通氣阻力減小，防護時間增長，離面部較近，扭矩減小，增加了佩戴人員的生理舒適性。為了進一步降低弧形濾毒罐的通氣阻力、延長防護時間和防護性能，可以通過以下兩個方面進行優(yōu)化：一是提升裝填防護材料的性能；二是優(yōu)化濾毒罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)。欒志強等[1]一直致力于防護材料的研究，開發(fā)出了性能優(yōu)異的系列防護材料，包括ASZM-TEDA型(Cu-Zn-Mo-Ag-TEDA體系)無鉻浸漬炭、穿透性毒劑防護炭、燒結(jié)纖維防護材料等，提升了對化學戰(zhàn)劑的高效、廣譜防護性能。

目前，國內(nèi)濾毒罐的設(shè)計往往以經(jīng)驗為主，基本還是沿襲以往的濾毒罐結(jié)構(gòu)。隨著計算機和計算流體力學(CFD)方法的發(fā)展，可以通過數(shù)值模擬來分析濾紙和活性炭等多孔介質(zhì)內(nèi)部氣流場[2-3]，以確定優(yōu)先流和死區(qū)的區(qū)域，為設(shè)計出濾紙和活性炭利用率更高的結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。Yin Chia Su等[4-5]采用CFD方法對62A濾毒罐進行3D數(shù)值模擬，主要研究了網(wǎng)板上開孔方式和吸附層厚度對濾毒罐通氣阻力和吸附層死區(qū)范圍的影響。防化研究院李小銀、黃強、王立瑩等長期進行防毒面具和濾毒罐結(jié)構(gòu)的研究，并采用CFD方法數(shù)值模擬研究了濾毒罐內(nèi)多孔介質(zhì)氣動特性和弧形罐氣動特性。

在前期弧形罐研究工作的基礎(chǔ)上，為了進一步減小濾毒罐的通氣阻力，提高防護性能，提升使用人員的舒適性和安全性，對弧形濾毒罐上下網(wǎng)板結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計研究。本文主要采用CFD方法數(shù)值模擬研究不同網(wǎng)板結(jié)構(gòu)對弧形濾毒罐氣動特性影響，重點研究吸附層氣流分布情況；并進行了弧形濾毒罐的通氣阻力和防護性能實測，與數(shù)值模擬結(jié)果對比驗證，從理論上深入剖析，為濾毒罐上下網(wǎng)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)，加快濾毒罐的更新?lián)Q代。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 控制方程

控制方程是三維雷諾平均Navier-Stokes(納維-斯托克斯)方程。防毒面具濾毒罐實測氣流流量Q= 30 L/min，相應(yīng)雷諾數(shù)約1 800，因此需要考慮湍流的影響，采用低雷諾數(shù)修正k-ε湍流模型。

1.2 網(wǎng)格和研究模型

本文主要研究四種網(wǎng)板結(jié)構(gòu)對圓柱形濾毒罐及弧形濾毒罐(如圖1和圖2所示)氣動特性影響，網(wǎng)板開孔方式如圖3所示，其中a網(wǎng)板為目前國內(nèi)常用圓柱形濾毒罐網(wǎng)板。不同網(wǎng)板對應(yīng)的濾毒罐模型具體特征參見表1。

圖1 通用的濾毒罐(模型A)

圖2 雙面弧結(jié)構(gòu)濾毒罐(模型B)

圖3 網(wǎng)板開孔示意圖

模型上網(wǎng)板下網(wǎng)板模型Aa網(wǎng)板a網(wǎng)板模型Ba網(wǎng)板a網(wǎng)板模型D1b1網(wǎng)板a網(wǎng)板模型D2b2網(wǎng)板a網(wǎng)板模型D3b3網(wǎng)板a網(wǎng)板模型E1b1網(wǎng)板b1網(wǎng)板模型E2b1網(wǎng)板b2網(wǎng)板模型E3b1網(wǎng)板b3網(wǎng)板

為了簡化計算，本文研究省略多褶濾紙的影響，把過濾層視為單一層，且假定多濾層和吸附層這兩個多孔介質(zhì)層為均勻的；由于所有模型都是左右對稱的，所以僅模擬1/2結(jié)構(gòu)。由于弧形狀濾煙層折疊過程中容易造成過濾紙的損壞，降低過濾效率，故實驗仍采用平面結(jié)構(gòu)濾煙層，因此計算中濾煙層也采用平面結(jié)構(gòu)。本文重點研究濾毒罐弧形結(jié)構(gòu)對吸附層氣動特性影響，因此所有模型濾紙高度和褶數(shù)一樣。所有模型的數(shù)值模擬均采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。由于7個弧形罐模型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)類似，本文僅給出模型B的網(wǎng)格示意圖，如圖4所示。

圖4 模型B網(wǎng)格

1.3 多孔介質(zhì)參數(shù)

濾紙和活性炭都是多孔介質(zhì)，是濾毒罐通氣阻力的主要來源。濾毒罐數(shù)值模擬時氣流流量相對應(yīng)的雷諾數(shù)要增加對流項以考慮慣性影響，而達西方程僅考慮黏度影響，因此選用Forchheimer方程：

(1)

其中：ΔP是多孔介質(zhì)區(qū)域的通氣阻力；L是流經(jīng)方向的長度；μ是流體黏度；VS表示進入多孔介質(zhì)區(qū)流體的表面速度；α是多孔材料或黏度參數(shù)的滲透率倒數(shù)；β通常稱為慣性參數(shù)。 當VS很低或雷諾數(shù)很小時，慣性效應(yīng)遠遠小于黏效應(yīng)。

實測中弧形濾毒罐濾煙層采用機折玻纖紙，高度為12 mm，褶層數(shù)為43；吸附層為ASZM-TEDA型無鉻浸漬炭(椰殼破碎炭)，該材料能夠?qū)?jīng)典毒劑，如沙林、氯化氰、氫氰酸以及光氣等進行廣譜、高效防護。該材料粒度范圍為12～30目，裝填層高度為20 mm，具體的參數(shù)值見表2。

表2 濾毒罐裝填浸漬炭的主要參數(shù)值

通過實驗測得玻纖紙和ASZM-TEDA型無鉻浸漬炭不同氣流流量下的通氣阻力，利用曲線擬合獲取濾煙層及吸附層Forchheimer方程中的參數(shù)。

濾煙層的多項式是

(2)

吸附層的多項式是

(3)

濾煙層系數(shù)：

α1=2.81×109m-2，β1=0.75×105m-1

吸附層系數(shù)：

α2=2.86×109m-2，β2=1.25×105m-1

2 結(jié)果分析

2.1 上網(wǎng)板影響

首先對不裝填濾紙和活性炭的空罐進行了數(shù)值模擬，入口氣流流量Q=30 L/min。

圖5給出了模型B、模型D1、模型D2和模型D3對稱截面上速度矢量分布圖，可以看出，吸附層最外側(cè)都有回流區(qū)。當流體流經(jīng)吸附層時，多孔流不會造成周邊區(qū)域的回流。但是，如果流體不易流入該區(qū)域，容易形成死區(qū)，減少了流動區(qū)域，進而增加流經(jīng)區(qū)域的表面速度和通氣阻力。

圖5 空罐吸附層x=0截面處速度矢量

為了具體分析4個模型對弧形罐氣動特性的影響，重點研究了Q=30 L/min時數(shù)值模擬結(jié)果。表3給出了不同模型的通氣阻力。模型B的通氣阻力最大，模型D2的通氣阻力最小，二者相差10%。上網(wǎng)板開孔為方形時的3個模型D1/D2/D3通氣阻力都比上網(wǎng)板開孔為圓形時的模型B小，由此可見，上網(wǎng)板為方形孔結(jié)構(gòu)時，對吸附層遮擋面積減小，濾毒罐的通氣阻力減小。

4個模型對稱截面上的滯留時間等值線分布如圖6所示。4個模型在吸附層外側(cè)出口附近區(qū)域氣體滯留時間均較長，在中間區(qū)域滯留時間較短，氣流滯留時間不均勻。結(jié)合圖7、圖8可以看出：4個模型氣流滯留時間在距中心點1/5～3/5處均停留時間最短，在距中心點1/5到最外側(cè)，4個模型的氣流滯留時間差別很小，僅在距中心1/5處差別明顯。在距中心1/5區(qū)域內(nèi)，模型B的氣流滯留時間相比模型D1長，模型D3相比模型D1、D2的停滯時間最長，氣流滯留時間短表明氣流通過該區(qū)域的速度值高，而氣流滯留時間長表明氣流通過該區(qū)域的速度值低。隨著活性炭層高度增加，模型D1、D2、D3在中心1/5區(qū)域氣流滯留時間相差由原來最大的1 s到0.5 s，差值越來越小。這表明上網(wǎng)板中心處孔封閉，可以對中心區(qū)域氣流產(chǎn)生一定的阻擋作用，孔封閉的越多，氣流阻擋作用越強，氣流在中心區(qū)域滯留時間增長，易形成死區(qū)，降低了中心區(qū)域活性炭利用率。

圖6 吸附層對稱截面上氣流停滯時間等值線(UDS0代表停滯時間，單位s)

圖7 吸附層x=0截面上不同吸附層高度氣流滯留時間分布(h代表活性炭高度，單位mm)

2.2 下網(wǎng)板影響

主要考察了入流流量Q=30 L/min時模型D1與模型E1、E2、E3吸附層氣流滯留時間和速度，研究上網(wǎng)板均為方孔結(jié)構(gòu)時對濾毒罐氣動特性影響。

首先對比研究模型D1和模型E1不裝填濾紙和活性炭時吸附層氣流分布。圖9給出了模型E1對稱截面上速度矢量分布，與圖5(a)對比可以看出，模型E1在吸附層最外側(cè)也有回流區(qū)，二者流場結(jié)構(gòu)類似，表明上網(wǎng)板為圓孔或方孔對流場結(jié)構(gòu)影響較小。

圖8 吸附層x=0截面上不同吸附層高度氣流速度分布

圖9 模型E空罐吸附層x=0截面處速度矢量

模型E1的通氣阻力比模型D1小5.5 Pa，二者相差約4.6%，模型E1與模型E2的通氣阻力分別為113.8 Pa和113.9 Pa,差別較小，模型E3的通氣阻力較大為115.5 Pa，比模型E1大1.7 Pa，相差約1.5%。這表明下網(wǎng)板為方形孔可以減小濾毒罐通氣阻力，下網(wǎng)板中心區(qū)域孔封閉使得濾毒罐的通氣阻力增加。

從模型D1、E1、E2、E3不同吸附層高度滯留時間和氣流速度分布圖(圖10、圖11)可以看出：h=10 mm時，模型D1、E1、E2滯留時間差別較小，模型E3在距中心點2/5區(qū)域氣流滯留時間與模型D1、E1、E2差別明顯，隨著碳層高度增加，在出口附近，模型E3、E2在距中心點2/5區(qū)域氣流滯留時間與模型D1、E1差別較大，模型E3氣流滯留時間最長，相應(yīng)氣流速度最低。這表明下網(wǎng)板為方形孔時，中心區(qū)域孔封閉的越多，對吸附層中心區(qū)域氣流阻擋作用越強，氣流在中心區(qū)域滯留時間增長，易形成死區(qū)，降低了出口附近中心區(qū)域活性炭利用率。

2.3 不同模型實際通氣阻力及防護時間驗證

對上述5個模型進行了模具加工，裝填了玻纖紙和ASZM-TEDA型無鉻浸漬炭，進行了通氣阻力以及CNCL(氯化氰)和DMMP(沙林模擬劑)防護性能的測試，并將測試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比驗證。測試條件如下：氣流流量Q=30 L/min；氯化氰和DMMP評價濃度均為4 mg/L。

圖10 吸附層x=0截面上不同吸附層高度氣流滯留時間分布(左：h=10 mm；右：h=15 mm)

圖11 吸附層x=0截面上不同吸附層高度氣流速度分布(左：h=5 mm；右：h=10 mm)

由表4可見，5種模型下的通氣阻力其計算值和實測值均比較接近，誤差分別為1.3%，1.7%，3.1%，0.5%以及0.7%，均不超過5%。為了進一步考察網(wǎng)板開孔結(jié)構(gòu)對濾毒罐防護性能的影響，分別進行了CNCl和DMMP防護性能的測試。由防護性能測試結(jié)果可見，模型E的兩者防護時間在5種模型中均為最長，由此也驗證了上下網(wǎng)板均為方孔結(jié)構(gòu)，且網(wǎng)板中心區(qū)域孔不封閉時，對吸附層遮擋面積減小，提高了活性炭的利用率，防護時間延長。

表4 濾毒罐模型通氣阻力及實測阻力和防護性能

3 結(jié)論

本文采用CFD 方法研究了7種弧形濾毒罐的氣動特性，主要考察了4種網(wǎng)板結(jié)構(gòu)對弧形罐空氣動力學特性的影響，并進行了五種弧形濾毒罐的通氣阻力和防護性能實測，與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析。

數(shù)值模擬和實測結(jié)果表明所研究的弧形濾毒罐通氣阻力的實測值與模擬計算值相比誤差較小，均在5%以內(nèi)；上網(wǎng)板為方形孔結(jié)構(gòu)時，對吸附層遮擋面積減小，濾毒罐的通氣阻力減小，活性炭利用率提高；上網(wǎng)板和下網(wǎng)板中心處孔封閉的越多，氣流阻擋作用越強，氣流在中心區(qū)域滯留時間增長，易形成死區(qū)，相應(yīng)中心區(qū)域活性炭利用低，濾毒罐防護時間縮短；下網(wǎng)板均為方形孔結(jié)構(gòu)時，通氣阻力減?。幌戮W(wǎng)板中心處孔封閉的越多，通氣阻力越大。下一步我們將進一步研究濾毒罐其他組件結(jié)構(gòu)影響，進一步降低濾毒罐的通氣阻力，提高濾紙和活性炭利用率。