符龍熙,易禮斌,歐 強(qiáng)

(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程,重慶 400074)

0 引 言

窯洞在中國民間建筑歷史中占據(jù)著極為重要的地位,它是一種歷經(jīng)四千多年的發(fā)展完善,依據(jù)自然地勢、地質(zhì)等條件形成的適宜中國西北地區(qū)氣候、環(huán)境的穴居式民居建筑形態(tài)[1]。中國黃河流域的窯洞是一種特有的居住建筑樣式,主要分布于甘肅、山西、陜西和河南等地區(qū)。時(shí)至今日,窯洞居住者仍然數(shù)量眾多。根據(jù)古窯洞課題組調(diào)查,1949～2000年,中國的窯居總?cè)藬?shù)達(dá)一億一千萬人,截至2018年,窯洞居住者仍有近二千萬人[2]。

大部分窯洞結(jié)構(gòu)為拱券結(jié)構(gòu)[3],該結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部通風(fēng)不暢,窯筒內(nèi)空氣中常含有大量天然放射性氣溶膠即0.5μm及以下的亞微米顆粒物,若居民吸入一定濃度的粒物,將會(huì)在體內(nèi)積累強(qiáng)烈的輻射性,使體內(nèi)各個(gè)器官發(fā)生不同程度的損傷,進(jìn)而引發(fā)功能紊亂、嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致基因突變及生育能力器官衰竭甚至死亡。更嚴(yán)重甚至可能誘發(fā)白血病和癌癥。因此需要一種大流量亞微米顆粒物氣溶膠精準(zhǔn)分離器對環(huán)境中的亞微米顆粒物進(jìn)行精準(zhǔn)分離,進(jìn)而精準(zhǔn)測量其濃度,確保居住環(huán)境的安全以及居住者的健康問題。

亞微米顆粒物氣溶膠分離器是虛擬沖擊器的應(yīng)用之一[4],它基于慣性式原理實(shí)現(xiàn)微粒物的分離與富集,能顯著提高氣體中待測微粒物的濃度,是實(shí)現(xiàn)高精度核輻射顆粒物檢測的重要前提,研制此新型分離器對當(dāng)前的窯洞居住者和鄉(xiāng)村振興具有重要意義。

虛擬沖擊器在氣溶膠的采集方面得到了廣泛的應(yīng)用,并一直在改進(jìn)。而提高虛擬沖擊器的性能可從三個(gè)方向入手:①在相同的流量下降低壓降;②減少虛擬沖擊器內(nèi)部的氣溶膠粒子損失;③減小切割粒徑[5]。隨著時(shí)間推移,虛擬沖擊器的性能不斷優(yōu)化,切割粒徑范圍也不斷擴(kuò)大,但目前絕大多數(shù)虛擬沖擊器仍只能適用于小流量的顆粒物富集,無法應(yīng)用于大流量工況下的顆粒物富集。

在20世紀(jì)80年代,國外學(xué)者已經(jīng)開始對虛擬沖擊器進(jìn)行系統(tǒng)化和應(yīng)用化的研究。在此之后,越來越多的國外研究團(tuán)隊(duì)對虛擬沖擊器進(jìn)行了深入探討,并逐步將虛擬沖擊器應(yīng)用于相關(guān)設(shè)備中[6-9]。而國內(nèi)對虛擬沖擊器的研究和應(yīng)用相對較少,而且其大多應(yīng)用于低濃度氣溶膠的快速采樣[10],不能實(shí)現(xiàn)大流量工況下粒子富集。因此,工作流量與壁面損失、收集效率和切割粒徑之間的矛盾無法平衡。當(dāng)前市場上的虛擬沖擊器的切割粒徑主要為微米級(jí)別,針對亞微米級(jí)別粒子的虛擬沖擊器的研究相對較少[10]。而常見的天然放射性氣溶膠粒子一般粒徑小于0.5 μm[11],可直接經(jīng)由呼吸道進(jìn)入人體而產(chǎn)生危害;另外,粒徑越小,粒子的分子運(yùn)動(dòng)越明顯,軌跡方程越復(fù)雜[12],越難以進(jìn)行檢測。因此,開展大流量亞微米顆粒物氣溶膠精準(zhǔn)分離器設(shè)計(jì)具有重要的理論價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

為實(shí)現(xiàn)對大流量亞微米顆粒物濃度檢測的高精度,筆者從實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā),設(shè)計(jì)出一種由空氣旋流器、亞微米虛擬沖擊器組成的大流量亞微米顆粒物氣溶膠精準(zhǔn)分離器。首先對空氣旋流器、亞微米虛擬沖擊器進(jìn)行設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬,并根據(jù)模擬結(jié)果提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,大流量亞微米顆粒物氣溶膠精準(zhǔn)分離器平衡了工作流量、壁面損失、收集效率和切割粒徑四者間的矛盾,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了大流量亞微米顆粒物濃度的精準(zhǔn)檢測。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的大流量亞微米顆粒物氣溶膠精準(zhǔn)分離器設(shè)計(jì)如圖1所示。其由空氣旋流加速器[13]與亞微米虛擬沖擊器構(gòu)成?？諝庑骷铀倨魈峁┐罅髁?實(shí)現(xiàn)高濃度微粒的快速富集;亞微米虛擬沖擊器實(shí)現(xiàn)微粒的精準(zhǔn)分離。

圖1 精準(zhǔn)分離器模型圖2 空氣旋流加速器模型

1.1 空氣旋流加速器設(shè)計(jì)

空氣旋流加速器的設(shè)計(jì)基于人造龍卷風(fēng)抽吸原理,它主要由旋風(fēng)入口、渦殼和拉法爾管三個(gè)部分構(gòu)成[14],整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

根據(jù)常見的顆粒物分離器尺寸,將蝸殼出口簡化為一個(gè)φ10的圓截面,同時(shí)蝸殼壁面遵循漸開線方程,空氣沿著漸開線收縮,增強(qiáng)旋風(fēng)的旋轉(zhuǎn)能力,方程如下:

x=(5t1+5)cos(2πt1)

(1)

y=(5t2+5)sin (2πt2)

(2)

式中:t1=0,t2=2,2.5,3。

拉法爾管由一段漸縮管和一段漸擴(kuò)管構(gòu)成,漸縮管起到增大流速作用,漸擴(kuò)管起到穩(wěn)流作用,為亞微米虛擬沖擊器提供穩(wěn)定流場。

1.2 亞微米虛擬沖擊器設(shè)計(jì)

虛擬沖擊器一般基于Marple理論進(jìn)行設(shè)計(jì),主要設(shè)計(jì)雷諾數(shù)和Stokes數(shù)兩個(gè)參數(shù)[6]。

流場的雷諾數(shù)為一個(gè)無量綱數(shù),是流體所受慣性力與粘性力的比值,其表達(dá)式為:

(3)

式中:ρ為空氣的密度;u為流體的平均速度;μ為空氣動(dòng)力粘度;Q0為流量大小。一般來說,當(dāng)雷諾數(shù)Re>4 000時(shí),流體的流動(dòng)形式為湍流,雷諾數(shù)Re越大,湍流現(xiàn)象越明顯,壁面損失越大。

對于亞微米粒子的運(yùn)動(dòng)分析時(shí),粒子的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度比由斯托克斯定律計(jì)算出的快。因此,對亞微米粒子按式(4)進(jìn)行坎寧安滑移修正:

(4)

式中:λ為氣體分子自由程;Dp為氣溶膠粒徑。

故經(jīng)過修正后的Stokes數(shù)St的表達(dá)式為:

(5)

經(jīng)過上述理論計(jì)算可知,亞微米虛擬沖擊器設(shè)計(jì)雷諾數(shù)為500～1 600范圍內(nèi),噴嘴直徑D0=0.7 mm。圖3中已標(biāo)示出虛擬沖擊器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù),包括入口噴嘴的孔徑D0,收集孔的孔徑D1以及二者之間的距離S。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),一般收集孔的孔徑D1取為噴嘴直徑D0的1.3～1.4倍,兩孔之間的距離S取為噴嘴直徑D0的1.2～1.8倍,此外,還要保證兩個(gè)孔的同軸度誤差小于0.05 mm。

圖3 虛擬沖擊器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 分離器流體動(dòng)力學(xué)建模

依據(jù)三維模型,抽取等效計(jì)算流體區(qū)域,主要尺寸如圖4所示。

圖4 等效計(jì)算流體區(qū)域主要尺寸

數(shù)值分析采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)程序ANSYSFLUENT進(jìn)行。ANSYS FLUENT基于有限體積法,用來模擬高度從不可壓縮到可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流體流動(dòng)[17]。為簡化計(jì)算,將分離器分成空氣加速旋流器和亞微米虛擬沖擊器兩部分研究,簡化后的模型如圖5所示。

圖5 簡化后流體域模型

2.1 空氣旋流器數(shù)值模擬

對于空氣旋流加速器主要研究其對氣溶膠的加速功能,故采用單相流模型即可。用單相流模型求問題的一般步驟為:先求解連續(xù)相流場,然后研究其流動(dòng)情況。

將流體的進(jìn)入部分設(shè)置為速度進(jìn)口,出口部分設(shè)置為自由出口。所有壁面均設(shè)置無滑移邊界條件。采用不可壓縮流體模型和k-ε湍流模型進(jìn)行連續(xù)相流場計(jì)算,具體采用壓力-速度耦合的COUPLED算法?？諝獾臏囟仍O(shè)置為300 K。模型共劃分了20萬個(gè)網(wǎng)格,其中速度入口和流量出口進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。

在求解前,設(shè)置模型的邊界條件為:入口邊界設(shè)置為速度入口(入口速度ve=1 m/s);流量出口為流量出口,類型為逃逸;壁面邊界設(shè)置為陷入。

求解完成后,可在后處理操作中得到單相連續(xù)流體的加速情況,其蝸殼部分水平方向界面與整體豎直截面如圖6、7所示。

圖6 蝸殼部分水平方向截面速度云圖

2.2 亞微米虛擬沖擊器數(shù)值模擬

對于亞微米虛擬沖擊器主要研究其對氣溶膠的分離情況,故采用DPM模型即可。用DPM模型求解離散相問題的一般步驟為:先求解連續(xù)相流場,然后創(chuàng)建離散相噴射源,最后求解單向或雙向耦合流動(dòng)。

氣溶膠入口設(shè)置為速度入口,大流量出口與小流量出口均設(shè)置為自由出口。所有壁面均設(shè)置無滑移邊界條件。采用不可壓縮流體模型和k-ε湍流模型對連續(xù)相流場進(jìn)行計(jì)算,并采用壓力-速度耦合的COUPLED算法?？諝獾臏囟仍O(shè)置為300 K。模型共劃分了57萬個(gè)網(wǎng)格,其中速度入口、小流量出口和大流量出口都進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理。

在求解前,設(shè)置離散相模型的邊界條件為:入口邊界設(shè)置為速度入口(入口速度ve=2.5 m/s);大流量出口為流量出口,類型為逃逸;小流量出口邊界設(shè)置為流量出口,類型為逃逸;壁面邊界設(shè)置為陷入。

求解完成后,通過后處理操作可以得到粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡和分布結(jié)果。如圖8、9分別為0.1 μm、3 μm的粒子在經(jīng)過亞微米虛擬沖擊器作用的運(yùn)動(dòng)軌跡。其中,主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為:D0=0.7 mm、D1=0.9 mm、S=0.9 mm、Q0=0.78 g/s。

圖8 0.1 μm粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡圖9 3 μm粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡

3 分離器分離性能影響因素分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于大流量亞微米顆粒物氣溶膠精準(zhǔn)分離器由空氣旋流加速器和亞微米虛擬沖擊器這兩個(gè)獨(dú)立的功能部分組成,所以在對分離器進(jìn)行性能分析時(shí),也可將分離器分成兩個(gè)部分進(jìn)行性能分析。

3.1 空氣旋流加速器性能影響因素分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

(1) 內(nèi)壁漸開線圈數(shù)對空氣旋流加速器的性能影響分析

對于空氣旋流加速器的最大速度放大倍數(shù)α可用式(6)來計(jì)算:

(6)

式中:vM為氣溶膠被加速后的最大速度;vin為入口氣溶膠速度。

考慮到不同的入口流量對空氣旋流加速器性能的影響,選取不同的入口速度,使用FLUENT程序、應(yīng)用同上文中相同的方法進(jìn)行數(shù)值仿真,得到氣溶膠加速后的最大速度,并計(jì)算得到最大速度放大率α,結(jié)果如表1所列。

表1 模擬參數(shù)表

從表1可知,入口速度對于空氣旋流加速器的最大速度放大倍數(shù)影響較小,內(nèi)壁漸開線圈數(shù)對空氣旋流加速器的最大速度放大倍數(shù)影響較大,且空氣旋流加速器的最大速度放大倍數(shù)隨著內(nèi)壁漸開線圈數(shù)的增大而增大,因此在選用空氣旋流加速器時(shí),應(yīng)該盡可能選取內(nèi)壁漸開線圈數(shù)較多的空氣旋流加速器,故所研究的空氣旋流加速器內(nèi)壁漸開線圈數(shù)選擇3。

(2) 拉法爾管對于空氣旋流加速器的性能影響分析

拉法爾管由一段漸縮管與一段漸擴(kuò)管兩部分組成,漸縮管用于增大氣溶膠流體流速,漸擴(kuò)管用于提供穩(wěn)定流場。

但是,在多次不同邊界數(shù)值數(shù)值模擬的過程中發(fā)現(xiàn),空氣旋流加速器的拉法爾管的漸擴(kuò)管并不能較好地起到預(yù)期的穩(wěn)流效果。以內(nèi)壁漸開線圈數(shù)為3、入口氣溶膠速度vin=3 m/s為例說明,其數(shù)值計(jì)算如圖10所示。由圖10可見,拉法爾管的漸擴(kuò)管出口處流速極不均勻,出口中心軸線處產(chǎn)生了較大的損失,故不能為亞微米虛擬沖撞機(jī)提供穩(wěn)定的流場。在漸縮管的直徑最小處,流速分布較均勻,故將拉法爾管優(yōu)化成只有一段漸縮管的結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的空氣旋流加速器由內(nèi)壁漸開線圈數(shù)為3的蝸殼、漸縮管和旋風(fēng)入口三部分構(gòu)成。

經(jīng)過優(yōu)化后的空氣旋流加速器數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖11所示。邊界條件設(shè)置與上文相同。由圖11可見,經(jīng)過優(yōu)化后的空氣旋流加速器出口流場損失較小,能為亞微米顆粒物旋流加速器提供較穩(wěn)定的流場。

3.2 亞微米虛擬沖擊器性能影響因素分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

入口結(jié)構(gòu)對空氣旋流加速器的性能影響較大,故需對其進(jìn)行分析計(jì)算。

在入口流量Q0=4.5 L/min時(shí),對于0.1 μm的亞微米顆粒物分離效果良好。隨著流量增大,雷諾數(shù)Re也會(huì)增大。

若入口流量Q0提升至700 L/min或者更高,由式(3)可知,則Re?4 000,因而會(huì)產(chǎn)生分離失效的問題,粒徑為0.1 μm的亞微米顆粒物會(huì)全部從小流量出口流出。因此需對入口結(jié)構(gòu)做出改進(jìn),改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖12、13所示。

圖12 入口結(jié)構(gòu)優(yōu)化三維模型

在入口處增加一個(gè)圓環(huán)形排氣口并增加兩個(gè)小流量出口,同時(shí)將小流量出口直徑φ從原來的3 mm提升至5 mm,這樣的優(yōu)化能夠使小流量出口在大流量工況下起到良好的泄壓作用,提升出流效果,增加的圓柱形圓環(huán)高h(yuǎn)=4 mm,圓環(huán)外徑r1=21 mm,圓環(huán)內(nèi)徑r2=9 mm。此時(shí)的入口總流量為Q0;入口速度為v0;橫截面積半徑為r0,進(jìn)入亞微米虛擬沖撞機(jī)的待測氣體流量為進(jìn)氣流量Q1,速度為v1,排氣口速度為v2,進(jìn)氣口半徑為r3。入口流量Q0、進(jìn)氣口流量Q1、排氣口流量Q2三者存在如下式關(guān)系:

Q1=Q0-Q2

(7)

流量Q與流速v之間的關(guān)系為:

Q=vA

(8)

式中:A為流量Q通過的橫截面積。

故式(7)可展開為:

(9)

入口流量設(shè)置為700 L/min,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,能夠顯著提升亞微米虛擬沖擊器在大流量工況下的粒子分離效果,亞微米虛擬沖擊器流場縱截面流速云圖和粒徑為0.1 μm的亞微米顆粒物的分離效果如圖14、15所示。

圖14 亞微米虛擬沖擊器流場縱截面速度云圖

4 結(jié) 語

亞微米顆粒物氣溶膠分離器是實(shí)現(xiàn)高精度檢測核輻射顆粒物濃度的前提。文章設(shè)計(jì)了一種大流量亞微米顆粒物氣溶膠精準(zhǔn)分離器。基于理論基礎(chǔ)和流體動(dòng)力學(xué)方法,設(shè)計(jì)并仿真分析了兩大組成構(gòu)件,探究了空氣旋流加速器的速度放大系數(shù)與亞微米虛擬沖擊器的分離效果。給出了空氣旋流加速器的具體優(yōu)化參數(shù),同時(shí)對亞微米虛擬沖擊器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,優(yōu)化后其在700 L/min及以上的大流量工況下實(shí)現(xiàn)了對粒徑為0.1 μm的亞微米顆粒物有效分離。文章的研究證明了在設(shè)計(jì)大流量亞微米顆粒物氣溶膠精準(zhǔn)分離器時(shí),采用流體動(dòng)力學(xué)分析方法的可行性,這為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及推進(jìn)輻射顆粒物分離技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。