孔德勝,楊小兵,潘宏杰,3,陳麒麟,4,吳建松,栗 麗

(1.中國礦業(yè)大學(北京),北京 100083; 2.國民核生化災害防護國家重點實驗室,北京 100191;3.四川師范大學,四川 成都 610066; 4.武漢理工大學,湖北 武漢 430070)

0 引言

近年來,隨著全球工業(yè)生產(chǎn)能力快速發(fā)展,大量化工廠、油漆廠、冶金廠、皮革廠等相關制造業(yè)對于危險化學品的需求逐漸加大。?；吩谏a(chǎn)、加工、儲存和運輸過程中產(chǎn)生的二氧化硫氣體會對作業(yè)人員生命健康造成很大威脅。二氧化硫(化學式:SO2)常溫下為無色氣體,有強烈刺激性氣味,是大氣的主要污染物之一,作業(yè)人員在工作中吸入后首先會損害人體的呼吸系統(tǒng)[1],過量吸入二氧化硫更會造成人員傷亡[2]。因此,?；沸袠I(yè)相關人員需要呼吸防護裝備來保障其身體健康和生命安全[3]。防毒面具屬于呼吸防護裝備的1種[4],目前廣范應用于化工、生物醫(yī)療、消防救援等行業(yè)[5-6]。

防毒面具防護性能的檢測與評價對產(chǎn)品的設計與使用影響重大。在試驗研究方面,文獻[7-11]研究了采用假人模型探究防毒面具、安全頭盔的熱舒適性;在使用數(shù)值模擬方法研究方面,文獻[12-13]使用Fluent,CFX等數(shù)值軟件研究了防毒面具整體氣密性以及內(nèi)部流場的分布情況;文獻[14-16]采用數(shù)值模擬方法探究了不同種類的濾毒罐內(nèi)部結構對于內(nèi)部氣流分布的影響;文獻[17-18]采用計算流體力學仿真模型相關方法研究了不同類型濾毒罐內(nèi)部流場結構、氣流分布等相關參數(shù)變化情況。當前,我國對防毒面具防護性能的評價主要是獨立檢測活性炭、濾毒罐、面罩各部件的防護性能,《呼吸防護 自吸過濾式防毒面具》(GB 2890-2022)中采用二氧化硫作為過濾件防護性能檢測的測試介質(zhì),并且使用化學分析法來對過濾件的防護時間進行測定[19]。而美國陸軍埃奇伍德化學生物中心對于防毒面具整體防護性能的研究已建立相應的評價系統(tǒng)[20]。因此,亟需進行防毒面具整體防護性能評價裝置與方法的研究,而數(shù)值模擬方法是1種很好的輔助研究方法。

本文通過對防毒面具檢測系統(tǒng)試驗艙的結構進行設計并建立模型,使用數(shù)值仿真工具Fluent軟件模擬不同高度位置的進氣孔對艙內(nèi)SO2體積分數(shù)與擴散情況的影響,以及凈化裝置對艙內(nèi)SO2擴散的影響,并通過SO2試驗驗證數(shù)值模擬的有效性及可靠性,以期為防毒面具整體防護性能評價裝置與方法提供技術支撐,并為設計符合防毒面具整體防護性能評價的試驗艙室提供參考與借鑒。

1 試驗艙結構設計研究

1.1 試驗艙模型建立與網(wǎng)格劃分

本文使用三維建模軟件完成自吸過濾式防毒面具防護性能檢測系統(tǒng)試驗艙的等比例三維模型構建,試驗艙長寬高均為0.80 m,壁厚為0.01 m,艙內(nèi)部中間放置的半身假人模型用于佩戴被測的防毒面具,如圖1(a)所示。將建好的模型劃分網(wǎng)格,由于在進氣孔附近SO2氣體濃度(以體積分數(shù)表示,下同)變化較大,故對進氣孔附近的網(wǎng)格進行局部加密處理,網(wǎng)格圖如圖1(b)所示。研究試驗艙混合氣體最佳的進氣孔位置,分別模擬當進氣孔位于①,②和③ 3處時艙內(nèi)的SO2濃度分布,進氣孔①和③距離最近的試驗艙邊界距離為0.2 m,進氣孔①,②和③之間為等間距0.2 m。為保證試驗安全,試驗氣體經(jīng)排氣孔通向凈化裝置,本文同時研究當凈化裝置直接連接于排氣孔Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ 3處時艙內(nèi)的SO2濃度分布。

圖1 試驗艙三維模型及網(wǎng)格劃分Fig.1 3D model and meshing of test chamber

1.2 數(shù)值模型參數(shù)設定

通過查閱與氣體污染物輸運相關文獻和資料[21],結合試驗艙的具體結構,根據(jù)Fluent中湍流和組分輸運模型的設定要求,對模擬的邊界條件和求解參數(shù)進行設置,得出在不同進氣孔與排氣孔位置條件下試驗艙內(nèi)SO2混合氣體的分布情況。具體參數(shù)設置如表1所示。

表1 計算方法與條件參數(shù)設定Table 1 Calculation method and condition parameters setting

1.3 試驗艙SO2混合氣體入口高度位置分析

為獲得SO2混合氣體入口高度的最佳位置,使試驗艙內(nèi)部測試氣體分布更為均勻,測試條件更為理想,防毒面具防護性能檢測更為準確,采用數(shù)值模擬方法研究試驗艙測試氣體進氣孔高度對艙內(nèi)氣體分布的影響。模擬圖1(a)中進氣孔分別為①,②和③時,試驗艙內(nèi)SO2濃度分布。試驗艙的排氣孔選擇Ⅰ,設置空氣流量為50 L/min,進氣孔SO2體積分數(shù)為0.05%,不同時刻的模擬結果如圖2所示。由圖2可知,t=40 s時進氣孔周圍SO2體積分數(shù)梯度變化較大,試驗艙內(nèi)SO2分布不均勻且主要集中于進氣孔附近,但隨著時間的推移,進入到試驗艙內(nèi)的混合氣體的量逐漸增加,試驗艙內(nèi)SO2濃度越來越高,1 200 s后濃度隨時間變化較小。觀察80 s時刻的SO2濃度分布情況,對比3個進氣孔位置可以看到,混合氣體進氣孔處于②位置時,由于進氣孔正對人體模型的口腔位置,導致口腔位置濃度較高,會影響后續(xù)試驗結果;且當進氣孔處于③位置時,混合氣體主要集中于試驗艙底部,整體濃度分布均勻性相比于①位置較差。因此,模擬結果表明試驗艙混合氣體進氣孔高度位于①位置時,SO2混合氣體在試驗艙內(nèi)分布更加均勻,更有利于后續(xù)試驗結果的準確性。

圖2 進氣孔不同位置下試驗艙內(nèi)SO2體積分數(shù)Fig.2 SO2 volume fraction in test chamber under different positions of gas inlet

2 不同試驗條件下試驗艙內(nèi)氣體濃度分布

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

根據(jù)上文結果確定試驗艙進氣孔的位置后,重新對試驗艙建模,使用混合罐為試驗艙提供測試氣體。因此,需要表征加上混合罐后艙內(nèi)流場特性與測試氣體分布情況,同時研究排氣孔的尾氣凈化裝置對試驗艙內(nèi)SO2擴散的影響。試驗艙尺寸同上,艙體與混合罐之間的連接管直徑為0.008 m,距上邊界0.25 m,距右邊界0.2 m。人體模型安裝于試驗艙內(nèi),人體模型內(nèi)部口部與試驗艙底部的呼吸機連接,從而模擬人體呼吸。

試驗艙裝置三維模型如圖3所示。將建好的模型導入Workbench中劃分網(wǎng)格,結果如圖4所示。進一步對試驗裝置進行研究,分析試驗艙內(nèi)SO2濃度達到穩(wěn)定需要的時間,以及合理的SO2進氣量。

圖3 試驗艙整體模型Fig.3 Overall model of test chamber

圖4 試驗艙網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid division of test chamber

2.2 計算模型的參數(shù)設定

結合試驗艙的具體結構,根據(jù)Fluent中湍流和組分輸運模型的設定要求,對模擬的邊界條件和求解參數(shù)進行設置,得出在試驗艙不同進氣流量和出口阻力條件下的SO2分布情況。具體參數(shù)設置如表2所示。

表2 參數(shù)設置Table 2 Parameters setting

2.3 試驗裝置流場模擬分析

在使用混合罐為試驗艙提供測試氣體后,設定混合罐內(nèi)部測試氣體SO2的體積分數(shù)為0.05%,對整個試驗裝置內(nèi)的流場和SO2濃度場進行模擬研究,研究試驗裝置內(nèi)的速度大小、壓力分布和SO2濃度分布,模擬結果如圖5所示,具體分析如下。

1)由于混合罐和試驗艙之間的連接管直徑較小,管內(nèi)的流速要遠大于混合罐和試驗艙,高速氣流主要位于管內(nèi);且由于從連接管流出的氣流速度較大,會形成射流,帶動周圍氣體擾動,在混合罐進氣管和試驗艙進氣管出口都能看到明顯的射流區(qū)域。

2)混合罐和試驗艙之間的連接管直徑較小,導致試驗裝置的高壓區(qū)域主要集中于混合罐內(nèi),與大氣壓的差值在100 Pa以上;試驗艙內(nèi)壓力較低,約為平均大氣壓。在該模型下,試驗裝置內(nèi)SO2濃度分布基本均勻,其體積分數(shù)能穩(wěn)定在0.04%～0.05%之間。

2.4 凈化裝置對試驗艙內(nèi)SO2擴散的影響

本文對使用混合罐后的試驗艙內(nèi)壓力與SO2濃度隨時間動態(tài)變化情況進行模擬分析。而試驗過程使用SO2氣體直接排放會導致環(huán)境污染,甚至發(fā)生安全事故,因此需對試驗廢氣進行處理。而在試驗艙排氣孔位置安裝的凈化裝置會使得排氣孔存在阻力,進而會對艙內(nèi)流場造成影響,因此需要對凈化裝置產(chǎn)生的影響進行分析。

試驗測得凈化裝置的實際阻力約為150 Pa。當凈化裝置阻力為0 Pa(不安裝凈化裝置)和150 Pa時,觀察試驗艙內(nèi)的SO2濃度和壓力分布,試驗裝置內(nèi)壓力隨時間的變化如圖6～7所示。

圖6 凈化裝置出口阻力為0 Pa裝置內(nèi)壓力隨時間變化Fig.6 Pressure change over time in test chamber with outlet resistance of purification device as 0 Pa

圖7 凈化裝置出口阻力為150 Pa裝置內(nèi)壓力隨時間變化Fig.7 Pressure change over time in test chamber with outlet resistance of purification device as 150 Pa

由圖6～7可知,當凈化裝置阻力為0 Pa時,整個試驗裝置的壓力大概300 s就可以達到穩(wěn)定狀態(tài);當凈化裝置阻力為150 Pa時,最初的300 s內(nèi),由于壓力不平衡,試驗艙內(nèi)的壓力分布不均勻,大概在600 s時,整個試驗裝置的壓力才達到穩(wěn)定狀態(tài),與不安裝凈化裝置相比,達到穩(wěn)定的時間變長。其中,穩(wěn)定狀態(tài)下試驗艙內(nèi)相對壓力為150 Pa。

當凈化裝置阻力為0 Pa(不安裝凈化裝置)和150 Pa時,試驗裝置內(nèi)SO2體積分數(shù)隨時間的動態(tài)變化如圖8～9所示。

圖8 凈化裝置出口阻力為0 Pa時試驗裝置內(nèi)SO2體積分數(shù)隨時間變化Fig.8 Variation of SO2 volume fraction in test chamber over time with outlet resistance of purification device as 0 Pa

圖9 凈化裝置出口阻力為150 Pa時試驗裝置內(nèi)SO2體積分數(shù)隨時間變化Fig.9 Variation of SO2 volume fraction in test chamber over time with outlet resistance of the purification device as 150 Pa

由圖8～9可知,當凈化裝置阻力為0 Pa時,整個試驗裝置的SO2體積分數(shù)隨著時間的增加,SO2體積分數(shù)逐漸增高,大概1 200 s就可以達到穩(wěn)定狀態(tài),保持在0.05%不變。除混合罐下部,其他區(qū)域濃度的均勻性較好,符合試驗要求。凈化裝置阻力為150 Pa時,SO2體積分數(shù)達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間增加,大概2 100 s才可以達到0.05%不變。因此,通過模擬結果可知,在進行試驗研究時,為保證結果的準確性,在排氣孔安裝凈化裝置后,要在2 100 s后再開始對防毒面具防護性能進行檢測。

2.5 SO2試驗驗證

本文通過上述模擬分析,確定試驗艙的整體結構,并完成相關影響因素的模擬分析,因此結合試驗分析方法對模擬結果進行對比驗證。

自吸過濾式防毒面具整體防護性能檢測系統(tǒng)主要由試驗艙、混合艙、SO2氣體濃度檢測儀、凈化裝置等裝置組成。根據(jù)上述數(shù)值模擬結果選擇試驗艙合適的進氣孔位置,隨后將一定濃度的SO2氣體通入混合罐后流向試驗艙,同時使用SO2氣體濃度檢測儀對艙內(nèi)頭部附近SO2濃度進行實時監(jiān)測。試驗采用0.01%,0.02%,0.03%,0.04%,0.05% 5組混合氣體SO2體積分數(shù)來對試驗艙室內(nèi)部SO2濃度達到穩(wěn)定時間進行驗證,試驗結果如圖10所示。結果表明,在經(jīng)過1 500～1 800 s后,SO2氣體濃度檢測儀讀數(shù)趨于平衡,試驗誤差在可接受范圍內(nèi)。試驗驗證結果與上述模擬結果相近,可為后續(xù)模擬的優(yōu)化與設備的改進提供支撐。

圖10 5種不同體積分數(shù)SO2混合氣體試驗驗證Fig.10 Experimental verification of SO2 gas mixture with five different volume fractions

3 結論

1)混合氣體的進氣孔位置是影響試驗艙內(nèi)部SO2體積分數(shù)分布的主要原因,且進氣孔的高度相比于進氣孔距邊界的距離影響更為顯著。設置進氣孔距上邊界為0.2 m時,試驗艙內(nèi)部SO2體積分數(shù)分布最為均勻,滿足試驗要求。

2)排氣孔安裝的凈化裝置的阻力大小是影響試驗艙內(nèi)部SO2分布時間快慢的主要因素,安裝凈化裝置后,需要等待2 100 s后才可以滿足試驗所需要求。

3)研究結果可為自吸過濾式防毒面具檢測系統(tǒng)試驗平臺的搭建與優(yōu)化提供參考與借鑒,可用于檢測自吸過濾式防毒面具對有毒氣體的整體防護性能,為防毒面具的改進優(yōu)化提供參考。