重庆大学城市科技学院 黄  涛

       【摘  要】为了解铸造车间的砂尘污染，本文通过建立简化的车间物理模型，采用DPM离散项颗粒模型，非稳态追踪多粒径颗粒群，模拟卸砂时粉尘的扩散运动。根据实际情况，卸砂时增加速度恒定和速度衰减气流的干扰作用，观察2.5µm颗粒群的瞬态分布。结果显示两种气流作用下，2.5µm颗粒群扩散程度不同，但均出现不同粒径的颗粒运动分层现象。

       【关键词】粉尘污染；气流作用；扩散运动；2.5µm颗粒群

       【中图分类号】TU201.5  【文献标识码】A

Abstract: In order to understand the dust pollution of sand in foundry shop, a simplified physical model of workshop was established, and the discrete particle model (DPM) was adopted to track the diffusion of multi size of dust particles during unloading situation. According to the actual situation, it increased the interference of airflow velocity in constant and in decline, and observed the transient distribution of 2.5µm particles. The results showed that the degrees of 2.5µm particles diffusion were different, but there were particles of different size stratification under two kinds of flow.
Key words: dust pollution; the action of airflow; diffusion movement; 2.5µm particles

0 引  言

       工业、交通、建筑是我国能源消耗量比重最大的三个领域。工业能耗主要体现在生产过程中，为了响应“十三五”提出的“支持绿色清洁生产，推进传统制造业绿色改造，推动建立绿色低碳循环发展产业体系，鼓励企业工艺技术装备更新改造”绿色、清洁生产的号召，国家整顿了大部分污染大、产量小、能耗高的产业，要求工厂需要配套环境治理设施以低碳排放，绿色生产^[1]。为使环保处理设备不出现大马拉小车或治理不充分的情况，需对工业车间内的环境污染做一定的研究，以便更好地匹配设备，更好地节能、环保作业。为此，本文针对铸造工艺车间造型、制芯等工部经混砂机处理后呋喃树脂砂粉尘出砂下落造成室内粉尘污染的情况，探讨车间内有横向干扰气流条件时可吸入粉尘在空间呼吸区范围的运动变化情况^[2-3]。

1 卸砂物理模型的建立

       采用适合流线弯曲率较大的RNG k-Ɛ求解模型，并考虑气固相间耦合作用，利用DPM模型完成颗粒流瞬态运动跟踪，利用Gambit建立二维模型，局部加密网格，总网格数约80万。物理条件为圆形喷口高度2m，直径100mm，喷口位于计算域中间位置，并与Renaud Ansart^[4]实验结果验证了数值模型正确性。颗粒下落前，环境流场速度很小，可以拟定喷口气流初速度为0.0001m/s，得到如图1所示的气流流场云图，从图中可看出，在喷口下方两侧有明显的低速区，存在涡流。下落颗粒与环境静止气流作用，环境空气动能增大，涡流对颗粒相的作用就愈加显著，气固耦合作用愈加明显，说明外界气流会干扰颗粒运动，直接影响粉尘的空间分布。

图1 气流速度云图及流线图

2 恒定均匀的干扰气流作用下粉尘运动

       针对气流干扰颗粒下落运动及粉尘分布，以速度递减的干扰气流和速度恒定的干扰气流工况下可吸入颗粒的扩散情况作对比，分析一定空间高度范围的细小颗粒分布情况。

       设定颗粒流质量流率为0.0425kg/s，由于混砂机搅拌作用使得颗粒具有下落初速度，给定1.2m/s的初速度，粒径范围2.5-420µm，由于颗粒数量较大，为避免计算量过大，计算时间长，非稳态计算时间取30s内。从图2可看出颗粒流一开始受到横向均匀干扰气流作用时，如图1(a)，2.5µm颗粒群出现偏移，之后，如图1(b)，颗粒与颗粒、颗粒与气体间速度梯度越来越明显，致使大颗粒周围滞后的气流对2.5µm颗粒群有向下的拖曳作用。由于颗粒群受到气流影响的程度不同而使得不同粒径颗粒群偏移程度不同，颗粒流柱卷吸空气量逐渐增多，颗粒间的内聚力受到空气阻力逐渐减小，内聚力作用使得颗粒流柱靠近喷口部分较紧实，而远离喷口的流柱尾部较松散，加之横向气流作用使得流柱偏移距离越来越大，短时间内几乎无2.5µm颗粒群沉降到地面，如图1(c)。而如图1(d)所示，当气粒两相动量充分耦合，颗粒流柱将保持气流速度和方向横向运动。

       图3是设定横向向右风速为0.6m/s，2.5-420µm粒径的颗粒群在同一时刻的分布情况。图中可看出，多粒径颗粒群下落受到横向气流作用时，由于各粒径颗粒的质量携带率不同，受到气流干扰时获得的初始动量不同，对于可吸入粉尘，对气流跟随性好，易挣脱原有受力束缚，改变运动状态，偏移程度最明显，最大颗粒几乎不受气流影响，中间大小的颗粒在前两者位置间依次分布，不同粒径颗粒群间按照粒径由大到小的顺序向干扰气流去向方向排列并形成明显边界层。说明颗粒的质量携带率越小，惯性越小，越易受到气流干扰，更易跟随气流运动，把可吸入粉尘分散到车间各处，造成严重污染。

图2(a-d) 横向风速v=0.6m/s时2.5µm的各瞬态分布             图3 横向风速v=0.6m/s时颗粒群的瞬态分布

       通过分析在横向干扰气流下2.5µm颗粒团运动稳定时同一时刻水平速度随高度变化的情况，了解不同风速对颗粒运动的影响，如图4所示。当横向风速越大，同一高度上2.5µm颗粒团的横向速度也越大，同时，在1m高左右，颗粒与空气充分交换动量，使得颗粒水平速度接近气流速度，而随高度的增加，2.5µm颗粒团的水平速度逐渐减小，超过3.5m高度时，速度减小幅度增大，最终2.5µm颗粒团不受气流干扰，只在浮力作用下悬浮。

图4 稳态时各横向风速下PM2.5在不同位置的速度

3 速度递减的气流作用下粉尘运动

       实际车间内存在的干扰气流形式有很多，下面讨论当颗粒下落，同一粒径范围的颗粒群在衰减气流下的运动以及2.5µm颗粒团的分布情况。其中衰减气流速度随时间变化的方程为v=1.5-0.05t，2.5µm颗粒团瞬态分布情况如图5所示，某时刻多粒径颗粒群分布如图6所示。

       图5(a)可看出刚开始下落几秒时间内，由于干扰强度大，气流与颗粒重力、内聚力共同作用，使得2.5µm颗粒对气流响应快，整体脱离流柱束缚，在喷口右侧悬浮，来不及沉积于地面，随后，如图5(b)，下落颗粒的数量增多，流场与颗粒相互作用大，喷口处产生一系列反向的颗粒流态涡对结构，随着时间发展，如图5(c)，涡对能量开始分散，在展向和流向方向逐步拉伸变形，并逐级随气流方向散开。传散出去的涡对到了发展后期，如图5(d)，气流作用强度减弱，空气卷吸量增多，涡量耗散量增大，远端涡结构解体，而此时气流速度衰减到较小值，颗粒偏移量减小，涡对只在近喷口处传输，涡结构的马蹄形态更加清晰可见，直接反应出气流的作用形态。

       图6显示粒径为2.5-420µm范围的多粒径颗粒群的整体分布状态。由图可知，衰减流场中，颗粒群同样出现分层现象。其中，随气流方向最外层颗粒出现一系列的涡对，涡对随气流扩散到远处。随着气流作用强度减小，涡量开始耗散，涡对逐渐撕裂，体积增大，产生扬尘，大颗粒群受气流影响小，较大颗粒重力影响占主导，偏移不明显，形态呈流柱型，大部分沉积在地面。整体分布现象与恒定均匀气流条件下的颗粒群分布类似，但区别在于涡对的产生和撕裂过程，说明在变化的气流干扰下，气固耦合作用容易产生涡旋区，恶化粉尘扩散运动，给通风除尘工作带来困难。另一方面也可以看出初始气流扰动对细小颗粒的干扰效应随时间发展不会立即消失，而是直到颗粒团将其与气流交换得到的能量用于补偿颗粒扩散运动所需动量和克服空气阻力才使得干扰影响逐渐消散掉。不同形式气流给细小颗粒群的初始干扰不同，最后颗粒群呈现的形态也有所不同。

图5(a-d)衰减气流干扰下2.5µm颗粒团各时刻的分布                图6 衰减气流干扰下各粒径颗粒在30s时刻的分布

       图7显示了衰减气流作用下2.5µm颗粒团速度变化情况。由图可知，较大气流速度短时间内作用于多粒径颗粒群时，下落颗粒对气流阻挡，气流开始绕流和部分穿越颗粒流柱，在颗粒流柱背风向产生尾涡效应[5]，此时颗粒的速度呈弦函数交替变化，2.5µm颗粒团沿流向扩散的同时出现上下不稳定地浮升与下沉[6]。2.5µm颗粒团质量携带率小，对流体跟随性好，当衰减气流作用时间越长，但速度越来越小，短时间内尾涡效应却会越显著，而此时最远2.5µm颗粒团已偏移较远，不再受大颗粒对其的拽曳作用，进而脱离两两级串的主涡，在已获得的动量和浮力作用下，以几乎均衡的平均速度沿展向和流向扩张。当气流速度降低到较小值，扰动量减小，颗粒流柱中较大颗粒的拖曳作用逐渐增强，还未传播到远处的细小颗粒团此时在拖曳力作用下整体偏移并下沉。气粒两相的速度变化与前述颗粒的瞬态分布情况吻合。

图7 气粒两相的速度变化

4 总  结

       铸造生产车间内干扰气流对砂粉尘扩散的影响很大，车间开门窗、人员行为、机械运转、高温等都会影响到粉尘扩散。在本文中恒定均匀的气流对卸砂时2.5µm等细小颗粒的分布影响规律较容易掌握，可以有效的控尘，而在变化的气流干扰下，小颗粒能跟随气流快速地流态化，一旦对这类颗粒造成初始干扰，其干扰效应会持续到颗粒能量消耗殆尽，这样粉尘已扩散到高远处，难以控制，实际车间中粉尘污染情况变得更为复杂。车间内人员呼吸区存在大量粉尘将严重影响工作人员的身体健康，同时也影响产品质量和精度，所以摸清干扰气流作用下粉尘下落和扩散的运动规律，继而制定相应的控尘措施显得尤为重要。本文模拟研究了车间内两种常见干扰气流对卸砂时粉尘下落扩散运动的影响，为进一步探究工业车间移动尘源的控制策略及通风除尘的气流作用方式做理论铺垫。

参考文献：

       [1] 新华社. 中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要[EB/OL]. http://www.xinhuanet.com/politics/2016lh/2016-03/17/c_1118366322_11.htm, 2016, 03, 17
       [2] 黄涛. 冲击流条件下粉尘扩散特性及控制策略的研究[D]. 四川：西南科技大学, 2016
       [3] 白艳中. 受水平风速影响下的自由下落微粒羽流流场特性研究[D]. 天津: 天津商业大学，2012
       [4] Renaud Ansart, Alain de Ryck, John A. Dodds. Dust emission in powder handling: Free falling particle plume characterization [J]. Chemical Engineering Journal, 2009, 152(2-3): 415-420
       [5] 罗坤，陈松，蔡丹云，等. 气固两相圆柱绕流近场特性的实验研究[J]. 中国电机工程学报，2006，26(24)：116-120
       [6] 任晓芬. 自由下落颗粒流扩散及产尘特性研究[D]. 陕西: 西安建筑科技大学，2017

       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期（第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。