基于数值模拟的槽边射流吹吸罩控制面与控制风速研究*

王志丽

(1.中国安全生产科学研究院，北京 100029； 2.尘毒危害预防与控制技术国家安全生产监督管理总局安全生产重点实验室，北京 100029)

0 引言

1 槽边吹吸罩计算方法及模型的建立

1.1 计算方法

苏联巴杜林的射流末端速度法、B.H.巴索兴和B.A.博罗达的临界断面法、美国W.C.L.海米昂方法等几种方法，在条件和所取控制参数均相同的条件下，所得结论基本相同，几种计算方法并无本质上的差别，选择正确的控制参数是设计的关键[11]。

本文选取常用的苏联巴杜林的射流末端速度法为例进行分析，该方法主要思想是只要保持吸风口前吹气射流末端的平均速度不小于一定值，就能对槽内散发的污染物进行有效控制，通过大量实验，确定了槽内气流温度和槽的宽度与吹气射流末端平均速度的关系，而忽略其他影响因素。对于槽边吹吸罩，该方法的设计与计算过程[15]如下：

2)吹风口高度h一般为0.010B～0.015B，为防止吹风口发生堵塞，吹风口高度h应大于5～7 mm。

4)根据平面射流计算得到吹风口出口风速v1，按式(1)进行计算：

(1)

式中:α为紊流系数，条缝式吹风口或吸风口取α=0.2。吹风口出口风速不宜超过10～12 m/s，以免液面波动。

5)吹风口的风量L1按式(2)进行计算。

L1=h·l·v1

(2)

式中:l为风罩罩口长度(单位：m)。

(3)

9)排风口高度H按式(4)进行计算。

(4)

1.2 几何模型

建立1个长4 m，宽4 m，高3 m的计算空间，计算空间内设置1个长2 m，宽2 m，高1.5 m的工业槽，送风口和排风口大小及风速按照巴士林计算方法进行计算，假设槽内污染气体为苯，以0.1m/s的速度向车间散发，槽内溶液温度为40℃。

采用三维几何模型，考虑到吹吸罩是研究重点，将送风罩、排风罩和工业槽宽度等全部设置在模型内，工业槽长度对于控制面和控制风速影响较小，因此，模型中对工业槽长度进行了适当简化，设置为2 m进行研究；送排风机及其管道对研究影响较低，模型中对管道进行了适当简化，省去了送风机和排风机等部件。根据实际情况，适当简化后，用GAMBIT建立模型，如图1(a)所示，对其模型进行网格划分(0.05 m为基本尺寸)，如图1(b)所示。

1.3 边界条件

结合模型和Fluent的模拟方法，确定数值模拟的边界条件，如表2所示。

2 风速对控制面位置和控制效果的影响

2.1 风速对控制面位置的影响

利用Fluent软件，对巴杜林方法计算得到的6组不同风速时的吹吸罩进行模拟计算，得到不同风速时空间内风流流场分布，如图2所示。

图1 槽边射流吹吸罩的模型与网格划分Fig. 1 The model and meshing of jet push-pull hood for industrial tank

图2 不同风速时空间内风流流场分布云Fig. 2 Flow distribution in different wind speeds

计算模型模型设定求解器非耦合求解法湍流模型k-ε双方程模型能量方程开启入口边界类型速度入口入口速度/(m·s-1)2.47水力直径/m8湍流强度/%1出口边界类型出流

由图2可知，不同送排风风速时，槽边射流吹吸罩控制面板(风速最小点)主要集中在距离送风口1.2～1.6 m范围的位置。为进一步消除吹吸罩宽度B的影响，提出通用共性结论，采用无量化的处理方法，将距离送风口的距离x用k代替，k=距送风口距离(x)/吹吸罩间距(L)，从而得到，在距送风口0.6～0.8倍L处，风速达到最小值，即控制面位置。

为进一步精确确定控制面位置，在排风口上边缘处取一条线，观察这条线上的速度变化情况，如图3所示。

图3 不同风速时排风口上边缘处速度分布Fig. 3 Velocity distribution at the upper edge of exhaust for different air speeds

由图3可知，在不同的送排风速条件下，吹吸罩口之间污染源上方最低风速在距离送风罩罩口0.65倍L的位置，即控制面位置。根据模拟结果，槽边射流吹吸罩的控制面一般为距离送风口0.65倍L处与气流方向垂直的截面。

2.2 风速对污染物控制效果的影响

由模拟分析结果导出数据可知，0.65L处控制面风速如表3所示。

表3 风速对控制面风速的影响

利用Fluent对射流吹吸罩对工业槽内污染源控制情况进行模拟，取排风口上部、从排风口到墙面之间一条线上的苯的浓度，得到不同速度下送风口至排风口之间苯的浓度分布，如图4所示。

图4 不同风速下苯浓度分布Fig.4 Distribution of benzene concentration at different wind speeds

由图4可知，随着控制风速的增大，在吹吸罩之间逸散到空气中苯的浓度逐步减少。当控制风速为1.28 m/s(即v1=6.8 m/s，v2=3.3 m/s)时，苯未逸散到空间中，空间中苯的浓度约为0 mol/m3；当控制风速降到0.94 m/s(v1=5.56 m/s，v2=2.7 m/s)时，只有少量苯逸散到空气中，但未能有效控制苯的扩散。根据模拟结果，控制面板控制风速不宜小于1.28 m/s，否则会导致毒物扩散。

3 结论

1)利用无量纲化的处理方法消除工业槽宽度的影响，槽边射流吹吸罩控制面处于0.6～0.8L处，一般取0.65L所在垂直截面为槽边射流吹吸罩控制面。

2)为有效控制污染物的扩散，槽边射流吹吸罩控制面的风速不宜小于1.28 m/s。

3)得出的相关结论可为槽边射流吹吸罩的设计、应用以及性能检测与评价等提供基础理论依据。

[1] Huebener D J, Hughes R T. Development of push-pull ventilation[J]. American Industrial Hygiene Association Journal, 1985, 46(5):262-267.

[2] Robert T. Hughes. An overview of push-pull ventilation characteristics[J]. Applied Occupational &Enviromental Hygiene, 1990, 5(3):156-161.

[3] F. Marzal, E. González, A. Miana, et al. Visualization of airflows in push-pull ventilation systems applied to surface treatment tanks[J]. Aiha Journal A Journal for the Science of Occupational & Environmental Health & Safety, 2003, 64(4):455-460.

[4] 郑文亨,王怡, 唐易达. 吹吸式通风技术应用研究现状[J]. 暖通空调, 2011,41 (4): 1-5.

ZHENG Wenheng, WANG Yi, TANG Yida. Status of researches and applications of push-pull ventilation technology [J]. HV&AC, 2011,41 (4): 1-5.

[5] 刘汉杰, 陈旺生, 吴高明, 等. 一种冷轧带钢吹吸式粉尘治理新技术研究[J]. 工业安全与环保, 2010,36 (5): 17-18.

LIU Hanjie，CHEN Wangsheng，WU Gaoming，et al. A new blowing and sucking technology of collecting dust on cold strip surface [J].Industrial Safety and Environmental Protection, 2010,36 (5): 17-18.

[6] 郭配山, 付海明, 赵友军,等. 吹吸气流的设计方法及其数值模拟[J]. 洁净与空调技术, 2007(2):38-43.

GUO Peishan, FU Haiming, ZHAO Youjun, et al. The design methods and simulation of push-pull ventilation [J]. CC&AC, 2007(2): 38-43.

[7] American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH). Industrial Ventilation, A Manual of Recommended Practice(24th ed.)[M]. Lansing, MI:ACGIH, 2001:108-112

[8] Huang R F, Lin S Y, Jan S Y, et al. Aerodynamic characteristics and design guidelines of push-pull ventilation systems[J]. Annals of Occupational Hygiene, 2005, 49(1):1-15.

[9] 林太郎(日)著. 工厂通风[M]. 张华本, 孙一坚译. 北京：中国建筑工业出版社，1986

[10] 成琳超.送风口上置吹吸式通风系统特性的实验及数值模拟研究[D].陕西：西安建筑科技大学，2013

[11] 邢增辉, 王增欣.吹吸式通风罩计算方法探讨[J]. 河南城专学报, 1992(1):8-15.

XING Zenghui, WANG Zengxin. Discussion on calculation method of push-pull ventilation hood [J]. Ventilation and dust removal, 1992(1):8-15.

[12] 于广荣. 几种吹吸式通风罩计算法的分析与比较[J]. 通风除尘, 1984(1):1-5.

YU Guangrong. Comparison and analysis of several calculation methods of push-pull ventilation hood [J]. Ventilation and dust removal, 1984(1):1-5

[13] 周宇.基于传质法的吹吸式通风系统流场特性研究[D].陕西：西安建筑科技大学，2014.

[14] 茅清希, 史建国, 孙莉华. 吹吸气流的实验研究[J]. 通风除尘, 1995(3):11-14.

MAO Qingxi, SHI Jianguo, SUN Lihua. Research onairflows of push-pull by experiment [J].Ventilation and dust removal, 1995(3):11-14.

[15] 孙一坚, 沈恒根. 工业通风[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.