鄒靖 杜植院 鄒宇林 李勇

摘要：焊接作業(yè)在熔焊過程中會產(chǎn)生大量的金屬粉塵，這些粉塵在空氣中以氣凝膠形式存在，嚴重影響環(huán)境。同時，該粉塵屬于易吸入物質(zhì)，對人體的呼吸系統(tǒng)、皮膚、眼血等都有一定的危害，嚴重影響作業(yè)人員健康。本文以實際廠房焊煙治理項目為對象，研究高大廠房焊煙治理系統(tǒng)氣流組織形式。借助氣流組織仿真模擬計算并驗證除塵系統(tǒng)管道布置的合理性。同時通過不同斷面處的仿真數(shù)據(jù)，找尋煙塵治理盲區(qū)，以此確定最佳的氣流組織形式，為項目設(shè)計提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高大廠房;焊煙治理系統(tǒng);氣流組織

中圖分類號：X511? ? ? 文獻標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0050-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.09

0? ? 前言

焊接作業(yè)在熔焊過程中會產(chǎn)生大量的金屬粉塵，稱為電焊煙塵。電焊煙塵首先來源于焊接過程中金屬的熔化，其次是在電弧高溫作用下分解的氧與弧區(qū)內(nèi)的液體金屬發(fā)生氧化反應(yīng)生成的金屬氧化物。金屬氧化物在焊接區(qū)附近先結(jié)成一次粒子，一次粒子隨著溫度降低再凝結(jié)成二次粒子。研究表明焊接煙塵主要是粒徑約為0.1 μm的球狀粒子凝集成的二次粒子，低氫型焊條煙塵形貌呈碎片狀，粒徑約1 μm。酸性焊條和二氧化碳保護、自保護焊的煙塵形貌呈絮狀，粒徑比低氫型稍大。由于焊條及焊接材料不同，所產(chǎn)生的焊煙成分也有所差異，但其主要成分多以氧化鐵、氧化錳、氟化物、二氧化硅等組成的混合性粉塵。這些煙氣粉塵和有害氣體對人體的呼吸系統(tǒng)、皮膚、眼血等都有一定的危害[1-3]。

焊接煙塵在空氣中的存在形式為氣凝膠形式，屬于可呼吸性粉塵[4-5]。工人焊接時，焊接煙塵在熱作用下迅速向四周彌漫，僅僅依靠車間的自然通風(fēng)不能阻止有害物質(zhì)進入現(xiàn)場人員的呼吸范圍，這樣不但污染了工人的工作區(qū)域還嚴重影響了整個車間的工作環(huán)境。為滿足國家職業(yè)衛(wèi)生和環(huán)境等相關(guān)標(biāo)準的規(guī)定，須對車間內(nèi)工位作業(yè)時產(chǎn)生的煙塵進行治理。

以高大廠房內(nèi)的焊煙治理系統(tǒng)工作過程中所形成的氣流組織為主要研究對象，通過氣流組織仿真模擬計算驗證除塵系統(tǒng)管道布置的合理性，以此分析其氣流組織形式，為項目設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 焊接煙塵數(shù)值建模

為簡化焊煙建模的過程，文中以氣-固兩相流作為模型，將氣體作為連續(xù)性的介質(zhì)，而固體看作是分散在氣體中的流體。

CFD為計算流體力學(xué)，可以視為在流動基本控制方程下對流動進行數(shù)值模擬，基本控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程[6-7]。

（1）質(zhì)量守恒方程為

式中 u、v、w 為流體在x、y、z方向上的氣流速度（單位：m/s）; ρ為密度（單位：kg/m3）;t為時間（單位：s）。

（2）能量守恒方程為

式中 λ為空氣的熱導(dǎo)率[單位：W/ （m·K）];cp為空氣的定壓比熱容[單位：J/（kg·K）];SH為流體的內(nèi)熱源，即粘性耗散項[單位：W/ （kg·s）]。

（3）動量守恒方程為

式中 P為空氣壓力（單位：Pa）;μ為空氣動力粘度（單位：kg/（m·s））;β為空氣的熱膨脹系數(shù)（單位：1/K）;gi為重力加速度（單位：m/s2）;Tref、T為空氣的參考溫度與實際溫度（單位：K）。

2 物理建模及仿真

2.1 物理模型

既有模型尺寸長324 m，單跨寬度27 m，層高約23 m，建立物理模型（長度：X方向27 m，高度：Y方向23 m，寬度：Z方向324 m），如圖1、圖2所示。在廠房內(nèi)一側(cè)沿立柱布置高效濾筒除塵設(shè)備，在標(biāo)高6.0 m處和標(biāo)高13 m處布置吸風(fēng)口（根據(jù)焊接點高低與結(jié)合氣流分析進行調(diào)整），捕捉廠房內(nèi)部的焊接煙塵;煙塵經(jīng)除塵設(shè)備過濾后的潔凈空氣由高處向下吹向廠房內(nèi)部。另一側(cè)布置射流空氣機組，將廠房內(nèi)部氣流吹向布置有除塵設(shè)備的一側(cè)，從而形成氣流組織。

2.2 網(wǎng)格劃分

導(dǎo)入ICEM CFD中，定義模型的邊界，如圖3所示。畫出四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)2 612 729個。同時進行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，所有網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.2。選擇計算求解器Fluent_V6，并導(dǎo)出網(wǎng)格，網(wǎng)格模型如圖4所示。

2.3 仿真結(jié)果及分析

2.3.1 Y平面上氣流組織

Y=0.5 m、Y=1 m和Y=3 m平面與廠房地面平行，其速度云圖和速度矢量圖如圖5所示。由圖可知，靠近立柱的附近區(qū)域速度偏小，遠離立柱區(qū)域（即中間區(qū)域）的速度在0.5～0.8 m/s范圍內(nèi)，且分布非常均勻。在模擬工況下，廠房內(nèi)部空氣流動條件設(shè)定較為理想，因沒有考慮阻力，因此實際工況的流速有所降低。

Y=6.5 m平面與廠房地面平行，所有的送風(fēng)機組送風(fēng)口均在此平面內(nèi)。速度云圖和矢量圖如圖6所示。由圖可知，送風(fēng)口向廠房內(nèi)部送出多股平行氣流，送風(fēng)口附近處速度在2 m/s以上，進入廠房內(nèi)部后速度衰減較快，大部分區(qū)域速度在0.7～0.8 m/s左右，速度分布與Y=0.5 m、Y=1 m等平面類似。

Y=13 m、Y=20 m平面與廠房地面平行，高效濾筒除塵系統(tǒng)的上層吸風(fēng)口在Y=13 m平面內(nèi)，高效濾筒除塵系統(tǒng)的送風(fēng)口在Y=20 m平面內(nèi)，風(fēng)口附近風(fēng)速較大外，其余地方速度分布均勻，且較為相似?？傮w來說，在該除塵系統(tǒng)模式下，廠房內(nèi)氣流組織較好，易于形成穩(wěn)定的流場，治理區(qū)域內(nèi)也不存在除塵治理盲區(qū)。其速度云圖和矢量圖如圖7所示。

2.3.2 X平面上氣流組織

X=5 m、X=13.5 m和X=22 m平面與廠房地面垂直，沿著廠房的長度方向的立面所在平面。X=5 m平面和X=22 m平面幾乎為焊接工位的正中心，而X=13.5 m平面為北二跨寬度上中間位置（即該跨的人行通道），這三個立面的速度云圖和速度矢量圖（見圖8）也反映流場內(nèi)不同高度位置處速度的分布大?。ㄋ俣戎翟?.5～0.8 m/s范圍內(nèi)），總體來說，這三個立面的速度分布非常相似，區(qū)域內(nèi)速度連續(xù)且分布均勻，形成不錯的氣流組織，易于帶走焊接作業(yè)產(chǎn)生的煙塵。

2.3.3 Z平面上氣流組織

Z=81 m、Z=162 m和Z=243 m平面與廠房地面垂直，沿著廠房的寬度方向的立面所在平面。與X平面一樣，體現(xiàn)不同高度上的速度分布，大部分區(qū)域速度在0.5～0.8 m/s范圍內(nèi)。此平面的速度云圖（見圖9）反映了不同高度上的空氣流速分布均勻，速度矢量圖更直觀地反映了該除塵系統(tǒng)空氣流動的方向（圖中空氣由右側(cè)送至布置在左側(cè)的高效濾筒除塵設(shè)備），易于帶走車間內(nèi)部的焊接煙塵。使之靠近左側(cè)，被除塵系統(tǒng)的吸風(fēng)口帶入除塵設(shè)備，進行過濾處理。

2.3.4 三維流場下的速度云圖

除塵區(qū)域三維速度分布如圖10所示，空氣速度分布均勻，且流場較為連續(xù)，具有不錯的氣流組織形式。這種氣流組織形式是除塵效果的關(guān)鍵保證。

3 結(jié)論

針對高大廠房焊煙治理系統(tǒng)，為能夠更好地發(fā)揮焊煙治理系統(tǒng)的效果，通過在標(biāo)高6.0 m處和標(biāo)高13 m處布置吸風(fēng)口，同時通過合理布置出風(fēng)口風(fēng)向，將出風(fēng)口處的風(fēng)引入室內(nèi)，從而讓潔凈空氣由高處向下吹向廠房內(nèi)部，使得逃逸后的煙塵能夠有效的被第二次捕捉，從而達到更好的除塵效果。為了能夠驗證此設(shè)計方案，對該除塵系統(tǒng)的氣流組織進行模擬，模擬結(jié)果為空氣速度分布均勻，且流場較為連續(xù)，具有不錯的氣流組織形式。該研究為方案設(shè)計提供了較好的支撐。

參考文獻：

Antonini J M，Lawryk N J，MurthyG G K，et al. Effect of welding fume solubility on lung macrophage viability and function in vitro[J]. Journal of Toxicology and Environmental Health Part A，1999，58（6）：343-363.

楊金剛，孟憲鵬. 電焊煙塵對作業(yè)工人肺功能的影響[J]. 鐵道勞動安全衛(wèi)生與環(huán)保，1999（1）：50-51.

楊建明，孟愛民. 電焊作業(yè)對工人神經(jīng)行為功能的影響[J]. 工業(yè)衛(wèi)生與職業(yè)病，1995（3）：146-148.

施雨湘，楊世柏. 焊接氣溶膠粒子非均質(zhì)形核機制研究[J]. 武漢交通科技大學(xué)學(xué)報，1997（4）：401-407.

施雨湘，肖詩祥. 焊接氣溶膠粒子均質(zhì)形核機制研究[J]. 武漢交通科技大學(xué)學(xué)報，1997（4）：396-400.

林金賢，林棋，婁晨，等. 氣固兩相流管道流動阻力特性數(shù)值模擬[J]. 油氣儲運，2014，33（1）：32-41.

劉宇宏. 多跨廠房內(nèi)跨電焊煙控制用吹吸式通風(fēng)的模擬試驗研究[D]. 上海：東華大學(xué)，2019.