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氣流作用下顆粒下落的運動研究

  • 作者:
  • 中國暖通空調網
  • 發布時間:
  • 2021-08-13

重慶大學城市科技學院 黃  濤

       【摘  要】為了解鑄造車間的砂塵污染,本文通過建立簡化的車間物理模型,采用DPM離散項顆粒模型,非穩態追蹤多粒徑顆粒群,模擬卸砂時粉塵的擴散運動。根據實際情況,卸砂時增加速度恒定和速度衰減氣流的干擾作用,觀察2.5µm顆粒群的瞬態分布。結果顯示兩種氣流作用下,2.5µm顆粒群擴散程度不同,但均出現不同粒徑的顆粒運動分層現象。

       【關鍵詞】粉塵污染;氣流作用;擴散運動;2.5µm顆粒群

       【中圖分類號】TU201.5  【文獻標識碼】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

       工業、交通、建筑是我國能源消耗量比重最大的三個領域。工業能耗主要體現在生產過程中,為了響應“十三五”提出的“支持綠色清潔生產,推進傳統制造業綠色改造,推動建立綠色低碳循環發展產業體系,鼓勵企業工藝技術裝備更新改造”綠色、清潔生產的號召,國家整頓了大部分污染大、產量小、能耗高的產業,要求工廠需要配套環境治理設施以低碳排放,綠色生產[1]。為使環保處理設備不出現大馬拉小車或治理不充分的情況,需對工業車間內的環境污染做一定的研究,以便更好地匹配設備,更好地節能、環保作業。為此,本文針對鑄造工藝車間造型、制芯等工部經混砂機處理后呋喃樹脂砂粉塵出砂下落造成室內粉塵污染的情況,探討車間內有橫向干擾氣流條件時可吸入粉塵在空間呼吸區范圍的運動變化情況[2-3]。

1 卸砂物理模型的建立

       采用適合流線彎曲率較大的RNG k-?求解模型,并考慮氣固相間耦合作用,利用DPM模型完成顆粒流瞬態運動跟蹤,利用Gambit建立二維模型,局部加密網格,總網格數約80萬。物理條件為圓形噴口高度2m,直徑100mm,噴口位于計算域中間位置,并與Renaud Ansart[4]實驗結果驗證了數值模型正確性。顆粒下落前,環境流場速度很小,可以擬定噴口氣流初速度為0.0001m/s,得到如圖1所示的氣流流場云圖,從圖中可看出,在噴口下方兩側有明顯的低速區,存在渦流。下落顆粒與環境靜止氣流作用,環境空氣動能增大,渦流對顆粒相的作用就愈加顯著,氣固耦合作用愈加明顯,說明外界氣流會干擾顆粒運動,直接影響粉塵的空間分布。


圖1 氣流速度云圖及流線圖

2 恒定均勻的干擾氣流作用下粉塵運動

       針對氣流干擾顆粒下落運動及粉塵分布,以速度遞減的干擾氣流和速度恒定的干擾氣流工況下可吸入顆粒的擴散情況作對比,分析一定空間高度范圍的細小顆粒分布情況。

       設定顆粒流質量流率為0.0425kg/s,由于混砂機攪拌作用使得顆粒具有下落初速度,給定1.2m/s的初速度,粒徑范圍2.5-420µm,由于顆粒數量較大,為避免計算量過大,計算時間長,非穩態計算時間取30s內。從圖2可看出顆粒流一開始受到橫向均勻干擾氣流作用時,如圖1(a),2.5µm顆粒群出現偏移,之后,如圖1(b),顆粒與顆粒、顆粒與氣體間速度梯度越來越明顯,致使大顆粒周圍滯后的氣流對2.5µm顆粒群有向下的拖曳作用。由于顆粒群受到氣流影響的程度不同而使得不同粒徑顆粒群偏移程度不同,顆粒流柱卷吸空氣量逐漸增多,顆粒間的內聚力受到空氣阻力逐漸減小,內聚力作用使得顆粒流柱靠近噴口部分較緊實,而遠離噴口的流柱尾部較松散,加之橫向氣流作用使得流柱偏移距離越來越大,短時間內幾乎無2.5µm顆粒群沉降到地面,如圖1(c)。而如圖1(d)所示,當氣粒兩相動量充分耦合,顆粒流柱將保持氣流速度和方向橫向運動。

       圖3是設定橫向向右風速為0.6m/s,2.5-420µm粒徑的顆粒群在同一時刻的分布情況。圖中可看出,多粒徑顆粒群下落受到橫向氣流作用時,由于各粒徑顆粒的質量攜帶率不同,受到氣流干擾時獲得的初始動量不同,對于可吸入粉塵,對氣流跟隨性好,易掙脫原有受力束縛,改變運動狀態,偏移程度最明顯,最大顆粒幾乎不受氣流影響,中間大小的顆粒在前兩者位置間依次分布,不同粒徑顆粒群間按照粒徑由大到小的順序向干擾氣流去向方向排列并形成明顯邊界層。說明顆粒的質量攜帶率越小,慣性越小,越易受到氣流干擾,更易跟隨氣流運動,把可吸入粉塵分散到車間各處,造成嚴重污染。


圖2(a-d) 橫向風速v=0.6m/s時2.5µm的各瞬態分布             圖3 橫向風速v=0.6m/s時顆粒群的瞬態分布

       通過分析在橫向干擾氣流下2.5µm顆粒團運動穩定時同一時刻水平速度隨高度變化的情況,了解不同風速對顆粒運動的影響,如圖4所示。當橫向風速越大,同一高度上2.5µm顆粒團的橫向速度也越大,同時,在1m高左右,顆粒與空氣充分交換動量,使得顆粒水平速度接近氣流速度,而隨高度的增加,2.5µm顆粒團的水平速度逐漸減小,超過3.5m高度時,速度減小幅度增大,最終2.5µm顆粒團不受氣流干擾,只在浮力作用下懸浮。


圖4 穩態時各橫向風速下PM2.5在不同位置的速度

3 速度遞減的氣流作用下粉塵運動

       實際車間內存在的干擾氣流形式有很多,下面討論當顆粒下落,同一粒徑范圍的顆粒群在衰減氣流下的運動以及2.5µm顆粒團的分布情況。其中衰減氣流速度隨時間變化的方程為v=1.5-0.05t,2.5µm顆粒團瞬態分布情況如圖5所示,某時刻多粒徑顆粒群分布如圖6所示。

       圖5(a)可看出剛開始下落幾秒時間內,由于干擾強度大,氣流與顆粒重力、內聚力共同作用,使得2.5µm顆粒對氣流響應快,整體脫離流柱束縛,在噴口右側懸浮,來不及沉積于地面,隨后,如圖5(b),下落顆粒的數量增多,流場與顆粒相互作用大,噴口處產生一系列反向的顆粒流態渦對結構,隨著時間發展,如圖5(c),渦對能量開始分散,在展向和流向方向逐步拉伸變形,并逐級隨氣流方向散開。傳散出去的渦對到了發展后期,如圖5(d),氣流作用強度減弱,空氣卷吸量增多,渦量耗散量增大,遠端渦結構解體,而此時氣流速度衰減到較小值,顆粒偏移量減小,渦對只在近噴口處傳輸,渦結構的馬蹄形態更加清晰可見,直接反應出氣流的作用形態。

       圖6顯示粒徑為2.5-420µm范圍的多粒徑顆粒群的整體分布狀態。由圖可知,衰減流場中,顆粒群同樣出現分層現象。其中,隨氣流方向最外層顆粒出現一系列的渦對,渦對隨氣流擴散到遠處。隨著氣流作用強度減小,渦量開始耗散,渦對逐漸撕裂,體積增大,產生揚塵,大顆粒群受氣流影響小,較大顆粒重力影響占主導,偏移不明顯,形態呈流柱型,大部分沉積在地面。整體分布現象與恒定均勻氣流條件下的顆粒群分布類似,但區別在于渦對的產生和撕裂過程,說明在變化的氣流干擾下,氣固耦合作用容易產生渦旋區,惡化粉塵擴散運動,給通風除塵工作帶來困難。另一方面也可以看出初始氣流擾動對細小顆粒的干擾效應隨時間發展不會立即消失,而是直到顆粒團將其與氣流交換得到的能量用于補償顆粒擴散運動所需動量和克服空氣阻力才使得干擾影響逐漸消散掉。不同形式氣流給細小顆粒群的初始干擾不同,最后顆粒群呈現的形態也有所不同。


圖5(a-d)衰減氣流干擾下2.5µm顆粒團各時刻的分布                圖6 衰減氣流干擾下各粒徑顆粒在30s時刻的分布

       圖7顯示了衰減氣流作用下2.5µm顆粒團速度變化情況。由圖可知,較大氣流速度短時間內作用于多粒徑顆粒群時,下落顆粒對氣流阻擋,氣流開始繞流和部分穿越顆粒流柱,在顆粒流柱背風向產生尾渦效應[5],此時顆粒的速度呈弦函數交替變化,2.5µm顆粒團沿流向擴散的同時出現上下不穩定地浮升與下沉[6]。2.5µm顆粒團質量攜帶率小,對流體跟隨性好,當衰減氣流作用時間越長,但速度越來越小,短時間內尾渦效應卻會越顯著,而此時最遠2.5µm顆粒團已偏移較遠,不再受大顆粒對其的拽曳作用,進而脫離兩兩級串的主渦,在已獲得的動量和浮力作用下,以幾乎均衡的平均速度沿展向和流向擴張。當氣流速度降低到較小值,擾動量減小,顆粒流柱中較大顆粒的拖曳作用逐漸增強,還未傳播到遠處的細小顆粒團此時在拖曳力作用下整體偏移并下沉。氣粒兩相的速度變化與前述顆粒的瞬態分布情況吻合。


圖7 氣粒兩相的速度變化

4 總  結

       鑄造生產車間內干擾氣流對砂粉塵擴散的影響很大,車間開門窗、人員行為、機械運轉、高溫等都會影響到粉塵擴散。在本文中恒定均勻的氣流對卸砂時2.5µm等細小顆粒的分布影響規律較容易掌握,可以有效的控塵,而在變化的氣流干擾下,小顆粒能跟隨氣流快速地流態化,一旦對這類顆粒造成初始干擾,其干擾效應會持續到顆粒能量消耗殆盡,這樣粉塵已擴散到高遠處,難以控制,實際車間中粉塵污染情況變得更為復雜。車間內人員呼吸區存在大量粉塵將嚴重影響工作人員的身體健康,同時也影響產品質量和精度,所以摸清干擾氣流作用下粉塵下落和擴散的運動規律,繼而制定相應的控塵措施顯得尤為重要。本文模擬研究了車間內兩種常見干擾氣流對卸砂時粉塵下落擴散運動的影響,為進一步探究工業車間移動塵源的控制策略及通風除塵的氣流作用方式做理論鋪墊。

參考文獻:

       [1] 新華社. 中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要[EB/OL]. http://www.xinhuanet.com/politics/2016lh/2016-03/17/c_1118366322_11.htm, 2016, 03, 17
       [2] 黃濤. 沖擊流條件下粉塵擴散特性及控制策略的研究[D]. 四川:西南科技大學, 2016
       [3] 白艷中. 受水平風速影響下的自由下落微粒羽流流場特性研究[D]. 天津: 天津商業大學,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] 羅坤,陳松,蔡丹云,等. 氣固兩相圓柱繞流近場特性的實驗研究[J]. 中國電機工程學報,2006,26(24):116-120
       [6] 任曉芬. 自由下落顆粒流擴散及產塵特性研究[D]. 陜西: 西安建筑科技大學,2017

       備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2021年4月刊 總第42期(第二十屆全國暖通空調模擬學術年會論文集)。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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