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一种新型旋风气幕式排风罩数值模拟研究 ＊ 刘荣华 1,2 李夕兵 1 施式亮 2 王鹏飞 2 丘汉锋 2 1. 中南大学资源与安全工程学院, 长沙 410083; 2.湖南科技大学能源与安全工程学院, 湖南 湘潭 411201 摘要 利用 Fluent 计算流体力学软件对新型旋风气幕式排风罩工作流场及有害物分布进行了数值模拟, 并与传统排风 罩进行了对比。 结果表明 旋转射流屏蔽作用下的抽吸流场具有中部压力较低和提高抽吸能力的作用; 新型旋风气幕 式排风罩不仅能有效地控制有害物扩散, 而且可以实现远距离捕集有害物及以较小的排风速度排放有害物。 关键词 排风罩; 旋转射流; 流场; 有害物分布; 数值模拟 STUDY ON NUMERICAL SIMULATION OF A NEW TYPEOF ROTARY AIR CURTAIN EXHAUST HOOD Liu Ronghua1, 2 Li Xibing1 Shi Shiliang2 Wang Pengfei2 Qiu Hanfeng2 1.School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. School of Energy and Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China Abstract The rotary air curtain exhaust hood is a new type of exhaust hood.Based on theoretical analysis, the flow field and the deleterious materials distribution of the exhaust hood in job shop are simulated by Fluent, and the rotary air curtain exhaust hood is compared with the traditonal exhaust hood.The results show that the rotary air curtain exhaust hood can effectively control the deleterious materials, greatly improve the suction. Therefore, it realizes long -distance trapping and low velocity emission of deleterious materials. Keywordsrotary air curtain exhaust hood; flow field;deleterious materials distribution;numerical simulation ＊国家安全监察局安全生产科技发展指导性计划项目 06 -396 。 0 引言 传统的排风罩对于污染物的控制仅依靠单纯的 吸气流动, 因吸入速度衰减较快, 所需排风量随控制 点与罩口之间距离增大而急剧增大 ; 另一类吹吸式排 风罩, 利用射流与吸气流动形成复合气流 ,该气流具 有抗弯能力强, 排污风量小的优点, 但由于其射流的 特性 ,即遇到障碍物时易破裂 ,使得控制效果恶化 ; 利 用射流作用下的吸气流场 但不是两者的复合 虽然 在一定程度上提高了抽吸能力 , 但它的控制能力较 小,当粉尘的逃逸速度或有害气体的浮升速度较大 时,抽吸效率会大大降低。因此, 有必要研究一种新 型的吸气流动方式 ,使之既有良好的控制效果 ,又可 以减小排风罩控制污染物所需的排风量 [ 1] 。人造龙 卷风控制抽吸的设想为防止有害物的扩散和进行远 距离控制抽吸提出了新的理论和方法 。通过在传统 局部排风罩罩口边缘设置环形射流口, 并在射流口采 用一定的加旋装置, 诱导出具有一定旋转速度的环形 射流, 形成了新型旋转环形风幕排风罩 [ 2] 。旋转射流 作用下的吹吸流场是一个复杂的流动过程,影响因素 众多 ,通过模型实验来获得此种排风罩工作机理显得 有一定难度 ,因此, 数值模拟对该流场的研究就显得 十分重要。本文采用 CFD 方法来分析排风罩工作流 场及有害物运移规律, 揭示其作用机理 , 为推广应用 这一新技术提供更可靠的理论依据 。 1 新型旋风气幕式排风罩工作原理 旋风气幕式排风罩是一种新型的排风罩 ,它是利 用射流形成的气幕将尘源罩住 ,即利用射流的屏蔽作 用,阻止排风罩吸气口前方以外的空气进入抽吸区, 从而缩小排风罩的吸气范围, 达到以较小的吸气量进 行远距离控制抽吸的目的 。图 1 所示是旋风气幕式 排风罩的工作原理。 这种排风罩有内、外两层, 送风机通过排风罩有 内、 外两层之间的夹层,将空气从喷口喷出,形成一伞 68 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 1排风机; 2送风机; 3喷口; 4吸口。 图 1 旋风气幕式排风罩工作原理示意 形气幕将吸气区屏蔽起来 , 再在排风机的抽吸作用 下,通过排风罩中心吸气口将有害物气流排走。同 时,在环形缝处 射流出口 采用一定的加旋装置, 使 从环形缝压出的风流为具有一定扩散角的旋转射流, 这种旋转射流除了具有气幕屏蔽控制作用之外,更主 要的是具有“龙卷风”效应 。即在旋转气流中心由于 吸气而产生负压 ,这一负压核心是旋转气流受到向心 力作用 ; 气流在旋转过程中将受到离心力的作用, 在 向心力和离心力的平衡范围内, 旋转气流形成涡核, 涡核收束于负压核心四周并朝向排风口 ,这就形成所 谓的人工“龙卷风”。由于利用了人工龙卷风原理 ,涡 流核心具有较大的上升速度。 与传统的排风罩相比 ,新型旋风气幕式排风罩注 重了有害物的控制, 不仅能提高车间人员工作区的空 气品质 ,改善车间作业环境和安全状况 , 还可以减少 排风量,以较小的吸风量来捕集有害物 。 2 计算模型 2. 1 物理模型 采用排风罩数值模拟的物理模型为一个工作车间 局部 ,取长宽都为5 m, 为简化模型,便于计算分析,将 污染源设置于地面,只考虑车间下半空间流场, 取模型 高为0. 5m ,如图 2 所示。将排风罩置于模型中心,抽 风筒直径 D1为0. 1m ,射流口外径 D2为0. 2 m, 环形射 流送风口宽为0 . 8 cm,罩口距地面距离为0. 3 m ,污染源 是一个长宽都为5 cm,高为3 cm长方体。 2. 2 假设条件 1通风气流可视为不可压缩流体, 可忽略由流 体黏性力做功所引起的耗散热 ,同时假定壁面绝热 。 2假定流场具有高紊流 Reynolds 数 , 这时流体 的紊流黏性具有各向同性, 紊流黏性系数 μ t可作为 图 2 工作车间局部模型 标量处理。 3流动为稳态紊流, 满足 Boussinesq 假设 [ 3] 。 2. 3 数学模型 本文对紊流流场的计算采用 Renoldys 平均法 ,其 中关于封闭时均方程所补充的紊流模型 ,比较成熟的 主要有 Standard k- ε模型, RNG k- ε模型和 Realizable k- ε 模型 ,通过对几种模型的分析和实际计算结果的 对比, 最终选用了 Realizable k- ε双方程控制模型。 Realizable k- ε 模型是近期才出现的 ,此模型为湍流黏 性增加了一个公式 ,为耗散率增加了新的传输方程, 确保在 雷诺压 力中有 数学约 束湍流 的连续 性。 Realizable k- ε 模型直接的好处是对于平板和圆柱射 流的发散比率的更精确的预测 , 而且它对于旋转流 动、 强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有 很好的表现 。 在以上假设的基础上 ,描述排风罩风流流场及有 害物运移规律的控制方程如下 [ 4] 1 连续方程 ui xi 0 2 时 均 方 程 ρ uiuj xj - p xi xj μ uj xj u j xi -2 3 δij ui xi xj -ρ u′ iu′j 3 紊流脉动动能方程 k 方程 xi ρ ku i xi μ μ t σk k xj Gk-ρ ε 4紊 流 脉 动 动 能 耗 散 率 方 程 ε方 程 xi ρ ε u i xj μ μt σε ε xj ρ C1Sε- ρ C2 ε 2 k vε 式中 k 湍流动能; ε 湍流动能耗散率 ; Gk 由层流速度梯度而产生的湍流动能 ; 69 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 C2, C1 常量, C2 1. 9 ,C1 1. 44 ; σk, σε k 方程和 ε方程的湍流 Prandtl 数 σk 1. 0, σε1. 2; Sε 用户定义的湍流动能 。 5 组分质量守恒方程div ρ ucs div Dsgrad ρ cs 式中 cs为组分 s的体积分数 ; u 为流体的运动速度, m s,其在直角坐标下的三个分量为 u ,v , w ; ρ cs为该 组分的质量浓度 ,kg m 3 ; Ds为该组分的扩散系数 。 3 数值模拟 3. 1 网格划分 针对上述模型, 在笛卡儿坐标系下划分计算网 格。网格质量对紊流场分析十分重要, 由于平均流动 和旋涡脉动的强烈作用, 紊流的数值计算结果往往比 层流更容易受到网格的影响, 在很多情况下 ,关键区 域的弱解反倒会成为流动的主要特征, 在此模型中环 形送风口、抽风口及污染源为关键区域 , 但是这些区 域的面积相对于整个模型非常小, 在现有计算机资源 水平下,要保证这一区域的网格精度又要顾及整体有 一定的难度,采用一般网格划分方法很难在求解域内 得到过渡平滑 、节点分布适当的网格 。针对这个难 点,本文采取如下一种离散方法,对环形送风口、 抽风 口及污染源赋予一定的网格函数, 使满足在面积过小 的区域有足够的网格数目 ,并且网格大小实现逐渐过 渡,不会使网格数目过于庞大 , 其他面使用 GAMBIT 默认的网格函数 ,划分体网格时 , 所有的体采用 Tgrid 方法生成四面体非结构化网格 ,最后在计算域内得到 光滑性、 分辨率及单元形状相对评价较高的网格 [ 5] 。 3. 2 边界条件设定 环形射流口边界 是流场的进口边界 ,在此边界 上施加速度进口计算条件 。由于喷口宽度很小,速度 可视为均匀分布 ,喷射速度 us QS π D2b0 QS 为排风罩 送风量 , 计算中采用柱坐标定义该速度矢量 ,根据旋 流强度计算旋转角度, 通过分别定义轴向 、 径向和切 向分速度来达到模拟旋流的目的。 抽吸口边界 相当于计算流场出口边界 ,在此边 界上施加速度进口计算条件, 为了表示出口 ,定义速 度值为负值 , uz- 4QZ πD 2 1 Q Z为排风罩排风量 ,速度 方向为轴向,此模拟中取 - 12 m s。 开口边界 为排除墙壁对排风罩性能的影响, 近 似模拟无限空间排风罩排风, 在新型排风罩工作流场 时,将模型四周面施加压力出口边界条件 ,定义压力 为零 ,顶面施加压力出口边界条件, 压力设置同前 ; 当 模拟传统排风罩工作流场时, 将四周面及顶面均设置 为压力入口边界条件 ,定义压力为零 。 壁面边界 将底面及风管壁面施加无滑移固体边 界条件,采用标准壁面函数计算。 模拟污染物扩散时,将长方体顶面和侧面作为污 染物发散面, 侧面 CO 发散量都为0. 5 g s, 顶面发散量 为2g s。 取工作压力为101. 325 kPa , 环形喷射口的宽度 b0 0. 8 cm ,喷口倾角 θ 70 。 4 模拟结果及分析 为了分析新型旋风气幕式排风罩作用效果,本文 应用Fluent 软件分别对传统排风罩和旋风气幕式排 风罩风流流场及有害气体 CO 扩散进行了数值模 拟。同时为了对比分析, 模拟时两种通风系统除送风 方式不一样外, 其他排风参数、排风罩布置参数及有 害物散发参数保持一致。 4. 1 排风罩风流流场数值模拟结果及分析 排风罩风流流场模拟采用 Realizable k- ε 双方程 紊流模型, 运用一解迎风格式及 SIMPLE 算法求解控 制方程,模拟计算结果如图3 ～ 图 13所示。 图3和图4 分别是传统排风罩和新型排风罩Y 0 切面吸气流动等速线分布图, 图 5 为两种排风罩轴线 速度衰减比较曲线。由等速线分布图及轴线速度衰减 比较曲线可以看出,传统排风罩吸气流的速度衰减很 快,在距罩面约一倍吸口直径处,气流衰减为吸口吸气 速度的十分之一。而新型旋风气幕式排风罩速度衰减 就慢得多,这是由于射流的屏蔽作用,阻挡了周围和后 方的新鲜空气进入抽吸区的缘故, 从而压缩了抽吸区 的径向尺寸,使轴向吸气范围增加 [ 6] 。 图 3 传统排风罩吸气流动等速线 70 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 图 4 新型排风罩吸气流动等速线 图 5 轴线速度衰减比较曲线 图 6～ 图 9 是两种排风罩 X 0 m切面和 Z 0. 2 m 距地面0. 1 m 切面局部放大速度矢量图。从 图6 、 图 7可以看出, 传统排风罩工作时, 气流是从四 周汇集到排风罩 ,吸气口的吸气范围较大 ,使得速度 衰减很快 ,而造成吸气口较远污染源得不到有效的控 制。从图 8、 图 9 可以看出 , 新型旋风气幕式排风罩 工作时 ,由于环形射流的存在, 在罩口下方形成空气 幕,将罩口下方有害物屏蔽在有限空间里面。同时, 屏蔽作用减少了吸气口的吸气范围 ,使得吸气口吸气 补充来源限制在屏蔽空间 。旋风气幕除具有屏蔽效 应外 ,同时由于射流的旋转和吸口吸气共同作用下形 成具有纵长涡结构人造龙卷风 ,龙卷风效应使得罩口 下方轴线附近产生一负压中心 ,气流汇于罩口下方中 心,并在吸气流共同作用下,将污染物排走,这样大大 地提高了吸风口的抽吸效果。 图10～ 图 11是两种排风罩工作时罩口下方距地 面0. 1 m 切面压力场局部放大图, 从两种排风罩局部 压力场可以看出 ,新型旋风气幕式排风罩工作时, 由 于产生龙卷风效应使得罩口下方轴线附近形成负压 中心 ,罩口下方在同一切面内压力是沿径向增加的, 在负压作用下气流往中心汇集 ,然后在吸风的共同作 图 6 传统排风罩 X0 切面速度矢量图 图7 传统排风罩 Z 0 . 2 m切面速度矢量图 图 8 新型排风罩 X0 切面速度矢量图 图9 新型排风罩 Z 0 . 2 m切面速度矢量图 71 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 用下将污染物排走 。而传统排风罩局部压力场没有 此特性,使得他们对有害物的控制不如新型旋风气幕 式排风罩 。旋转射流屏蔽作用下的抽吸流场具有中 部压力较低和抽吸能力提高的作用 。 图 10 传统排风罩 Z 0. 2 m切面压力分布 图 11 新型排风罩 Z 0. 2 m切面压力分布 4. 2 排风罩风流流场污染物扩散数值模拟结果分析 采用组分输运模型对两种排风罩工作车间空气 中有害物 CO 扩散进行了数值模拟, 模拟结果如 图12～ 图 13所示。 图12～ 图 13 为两种排风罩工作时 X 0 切面 CO 质量分数分布图。从传统排风罩工作时 X 0 切 面CO 质量分数分布图可以看出, 传统排风罩工作时 有害物得不到有效的控制, 有害物分布于整个切面。 而新型旋风气幕式排风罩 ,由于有向下射流的屏蔽作 用,将大量污染物控制在罩口下方空间内 ,并且随离 罩口距离增加而剧减 。从图中还可以看出,新型旋风 气幕式排风罩罩口上方空间污染物浓度很小 ,这样可 以通过控制排风罩的安装高度 ,将有害物控制在人体 呼吸带以下,而新鲜空气不断从车间上部得到补充, 使人体可以呼吸到新鲜空气。 5 结论 通过对比分析传统排风罩和新型旋风气幕式排 图 12 传统排风罩工作时 X0 切面CO 质量分数分布 图 13 新型排风罩工作时 X0 切面CO 质量分数分布 风罩工作流场及有害物分布情况数值模拟结果,结合 理论分析, 可以得出以下结论 1 新型旋风气幕式排风罩工作时在罩口下方产 生旋转风幕 ,阻止污染源发散的有害物向外扩散, 可 提高排风罩系统对有害物的控制。 2 旋转射流的屏蔽效应减少了吸口吸气范围 ,使 得吸气流轴线速度衰减缓慢。新型旋风气幕式排风 罩轴线速度衰减缓慢的特性可以实现远距离捕集有 害物及以较小的排风速度排放有害物。 3 旋转射流屏蔽作用下的抽吸流场具有中部压 力较低和提高抽吸能力的作用 。 4 CFD 可作为工作车间局部通风技术研究的一 种新的手段 ,将在旋风气幕式排风罩理论研究和通风 系统优化设计方面发挥重要作用。 参考文献 [ 1] 董立国, 林豹, 马文通. 环形射流作用下吸气流动的研究[ J] . 暖 通空调, 2003 3 27-29. 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