弧形滤毒罐气动特性3D数值模拟研究

司芳芳，叶平伟,2，皇甫喜乐，王泠沄，杨德瑞

(1.防化研究院， 北京 100191； 2.国民核生化灾害防护国家重点实验室， 北京 102205)

防毒面具滤毒罐是呼吸道个人防护装备中最核心的部件之一。滤毒罐主要由滤烟层(过滤层)、吸附层(吸收层)组成，以确保对灰尘、气溶胶的过滤和毒剂的吸收。

西方国家在滤毒罐产品的研制和生产方面主要由3M、AVON、BACOU和North等几家大公司垄断。英国AVON protection公司在军用防毒面具和滤毒罐开发中占有重要的地位，由其开发的滤毒罐系列产品在国际上具有代表性，在美国、英国和北约其它国家得到了大量的应用。

因为传统圆柱形滤毒罐结构(非异形结构)重心偏下移，离面部较远，扭矩偏大，剧烈运动时由于滤毒罐的摆动易造成防毒面具漏气；此外，呼吸阻力过大，生理负荷较重。因此，从2000年开始，英国AVON protection公司历时5年成功开发出了FM50系列(含FM50、FM52、FM53)滤毒罐。其中FM50是为美军研制的JSGPM滤毒罐，该型滤毒罐采取异性结构，罐盖设计有导流槽，使得气流分布更均匀。FM53面具滤毒罐采用弧形结构，滤毒罐和面罩能更有效的贴合，从而在一定程度上提高了面具佩戴的动气密性，且滤毒罐采用弧形设计，有效提高了过滤面积，降低了通气阻力。

开发高效、低阻力的新型防毒面具滤毒罐，可以通过以下两方面来进行：一是提升装填材料的滤毒性能；二是优化滤毒罐内部结构。优化滤毒罐结构必须考虑滤毒罐空气动力学特性，包括通气阻力和流场结构。

随着计算机和数值计算方法的快速发展，计算流体动力学 (CFD) 方法可以克服传统实验方法无法观察多孔介质内气流场分布的难点[1～4]，通过数值模拟来确定吸附层和滤烟层内流场结构。Yin Chia Su和Chun Chi Li等采用CFD方法对滤毒罐进行3D数值模拟，他们主要研究了62A滤毒罐上网板和下网板上开孔方式、吸附层厚度对滤毒罐通气阻力和死区范围的影响[5～7]。

目前国内常用滤毒罐仍为传统的圆柱形结构，为了在不降低防护能力基础上减小滤毒罐的通气阻力，提高使用人员的舒适性和安全性，本文采用CFD数值分析方法，参考FM53弧形滤毒罐结构，研究了多种弧形滤毒罐结构形式，数值模拟分析其内部气动特性，重点研究吸附层气流分布情况；并研究了导流槽结构对滤毒罐气动特性影响，从理论上深入剖析，为滤毒罐结构优化提供了理论依据。

1 弧形罐结构

目前国内常用的滤毒罐结构如图1所示。本文研究滤毒罐模型的壳体参考M53面具弧形罐的壳体弧度，通过改变上网板弧度，设计研究了三种滤毒罐结构形式，如图2、图3、图4所示。

图1 通用的滤毒罐(模型A)

图2 单面弧结构滤毒罐(模型B)

图3 双面弧结构滤毒罐(模型C)

图4 导流槽结构滤毒罐(模型D)

模型B炭层进气一端为平面结构，出气口(与面罩相连接的一端)为弧形结构；模型C炭层两端均为弧形；模型D无下网板，出气口附近壳体为导流槽结构。对比圆柱形滤毒罐和弧形滤毒罐可以看出，弧形滤毒罐和面罩能更有效贴合，从而在一定程度上提高了面具佩戴的动气密性；双面弧结构滤毒罐吸附层是弧形设计，能有效提高过滤面积。

同时设计了两种网板开孔方式，如图5所示，其中图5(a)与目前通用的某型号罐模型A(图1)的网板开孔方式一致，该网板定义为a网板，另一个定义为b网板。具体模型参见表1。

图5 网板开孔示意图

模型网板外形结构模型Aa网板传统圆柱形模型Ba网板吸附层出气口一端为弧形模型Ca网板吸附层两端均为弧形模型Db网板吸附层两端均为弧形模型Eb网板吸附层两端均为弧形,出气口为导流槽结构

2 数值模拟方法

2.1 控制方程

控制方程采用三维雷诺平均纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程。本文引入滞留时间来确定滤毒罐防护能力的保持情况。滞留时间是指：空间中某一点，空气在空间内已停留的时间，滞留时间越大表明空气停留时间越长。滞留时间指数取代吸附时间的优点是复杂的瞬态吸附模式不再求解，大大缩短了计算时间。滞留时间方程[3]是：

(1)

式(1)中，ρ是气体密度；τ是当地平均滞留时间；μeff/στ是湍流模型中的当地实际扩散系数；μeff=μl+μt(μeff是有效粘度、μl是分子粘度，μt是紊动粘度)；στ= 1。

本文所有模拟中滤毒罐入口气流流量是恒定的，因此入口边界定义为速度入口。在入口处，参考压力值为 101 325 Pa。出口边界条件是压力出口边界。壁面为无滑移边界。

本研究使用 FLUENT 求解器。对流项离散采用二阶迎风格式，粘性项离散采用二阶中心差分格式。压力-速度耦合采用COUPLE算法。

为了简化计算，本文研究省略多褶滤纸的影响，把过滤层视为单一层，且假定两个多孔介质层为各向均匀的。由于所有模型都是左右对称的，所以仅模拟1/2结构。对于异形结构滤烟层而言，弧形状滤烟层折叠过程中容易造成过滤纸的损坏，降低过滤效率，故实验仍采用平面结构滤烟层，因此计算中滤烟层也采用平面结构。本文重点研究滤毒罐弧形结构对吸附层气动特性影响，因此所有模型滤纸高度和褶数一样。所有模型的数值模拟均采用非结构网格。由于5个模型的网格结构类似，本文仅给出模型A和模型C的网格示意图，如图6、图7所示。

图6 模型A网格图7 模型C网格

2.2 多孔介质参数

滤毒罐的通气阻力主要来自滤纸和活性炭，滤纸和活性炭都是多孔介质。达西首先推导出描述流体流经多孔介质 的动量耗散方程，即达西方程：

(2)

式(2)中，ΔP是多孔介质区域的通气阻力；L是流经方向的长度；κ是渗透率；μ是流体粘度，Vs表示进入多孔介质区流体的表面速度。达西方程只考虑粘度的影响，当雷诺数增加时，必须增加对流项以考虑惯性效应，这就产生了Forchheimer方程。 Forchheimer方程描述了在多孔介质区域的通气阻力和表面速度之间的关系。

(3)

式(3)中，α是多孔材料或粘度参数的渗透率倒数；β通常称为惯性参数。 当Vs很低或雷诺数很小时，惯性效应远远小于粘效应。随着雷诺数的增加，多孔介质的流动特性逐渐从线性 (Darcy方程) 变为非线性(Forchheimer方程)，该流动行为包括从层流到湍流流动的瞬时变化[6]。

通过实验测得玻纤滤纸和活性炭不同入流流量下的通气阻力，利用曲线拟合获取滤烟层及吸附层Forchheimer方程中的参数。 滤烟层的多项式是：

(4)

吸附层的多项式是：

(5)

滤烟层系数为：

α1=2.19×109m-2，β1=7.5×104m-1

吸附层系数为：

α2=2.03×109m-2，β2=7.5×104m-1

3 结果分析

3.1 外形结构影响

首先数值模拟了无滤纸和活性炭的空罐，入口气流流量为 30 L/min。图8、图9给出了模型A、模型B和模型C对称截面上速度矢量分布图。

图8 模型A(空罐)吸附层x=0截面处速度矢量

图9 空罐吸附层x=0截面处速度矢量

从图8、图9中可以看出，吸附层最外侧都有回流区。当流体流经吸附层时，多孔流不会造成周边区域的回流。但是，如果流体不易流入该区域，容易形成死区，减少了流动区域，进而增加了流经区域的表面速度和通气阻力。

考察了入流流量Q=15、20、30、45、60、85、110 L/min时，模型A、模型B和模型C仅吸附层、仅滤烟层和包含滤烟层和吸附层两种多孔介质的通气阻力，如图10所示。

图10 不同Q时模型A、B、C通气阻力比较

对比模型A数值模拟与实验结果可以看出，相差不到3%，表明本文采用的数值方法模拟精度较高。从图10中可以看出，随着流量增加，滤毒罐通气阻力增加；Q≤30 L/min时，吸附层与滤烟层通气阻力相差很小，随着Q增大，吸附层通气阻力与滤烟层通气阻力差值越来越大。

为了具体分析三个模型对滤毒罐气动特性的影响，重点研究了Q=30 L/min时数值模拟结果。模型C的通气阻力为108 Pa，相比模型A减小4.6%，相比模型B减小2.7%，由此可见，弧形结构能减小滤毒罐通气阻力，且双弧形罐的通气阻力最小。图11给出了吸附层对称截面上气流停滞时间等值线分布。

图11 吸附层对称截面上气流停滞时间等值线(UDS0代表停滞时间；Q=30 L/min)

从图11可以看出，模型B在吸附层外侧出口附近大片区域气体停留时间较长，在中间区域停留时间较短，气流停留时间不均匀，而模型A和模型C的气流停留时间相对均匀，仅在吸附层外侧出气口区域停留时间相对较长。结合图12、图13可以看出，模型A和C的气流滞留时间在活性炭外侧1/5区域开始明显增加，而模型B在吸附层外侧2/5区域开始明显增加；气流滞留时间短表明气流通过该区域的速度值高，而气流滞留时间长表明气流通过该区域的速度值低；局部高速流快速通过出口，导致气体不易流经外侧区域，会增加死区范围，且造成高速区吸附不充分，进而降低整个炭层的利用效率。模型A和模型C的滞留时间曲线分布趋势类似，但模型C气流在炭层停留时间较长，速度较小，这表明双弧形滤毒罐吸附层能提高气流的接触面积，整体气流流速变慢，气体与吸附层的接触时间变长，炭层的利用率有一定程度的提高。

图12 吸附层x=0截面上不同吸附层高度气流滞留时间分布(h代表活性炭高度；Q=30 L/min)

3.2 导流槽影响

主要考察了入流流量Q=15、20、30、45、60 L/min时模型D、E的通气阻力，通过对比Q=30 L/min时模型D与模型E吸附层气流滞留时间和速度，研究去掉下网板，出气口壳体改为导流槽结构对滤毒罐气动特性影响。

首先研究了模型D和模型E在不装填滤纸和活性炭时内部流场分布，重点研究了吸附层气流分布。图14给出了模型D、模型E对称截面上速度矢量分布图。

从图14可以看出，模型D吸附层最外侧有回流区，而模型E在吸附层中间部分有大的回流区。图15给出了模型D、E装填滤纸和活性炭时通气阻力随气流流量变化。

图13 吸附层x=0截面上不同吸附层高度气流速度分布(Q=30 L/min)

图14 空罐吸附层x=0截面处速度矢量

从图15可以看出，模型D的通气阻力略大于模型E的通气阻力，随着气流增大，二者差值增大，Q=30L/min时相差约2.4%。这表明导流槽结构可以减小滤毒罐通气阻力。

模型D和模型E吸附层对称截面上气流停滞时间等值线分布图和不同吸附层高度滞留时间分布图如图16、17所示。

图15 不同Q时模型D、E通气阻力

图16 吸附层对称截面上气流停滞时间等值线(UDS0代表停滞时间，单位s)

图17 吸附层x=0截面上不同吸附层高度气流滞留时间分布曲线

从图16、图17可以看出，模型D气流在整个吸附层滞留时间比模型E长，且二者差距较大。模型D在吸附层外侧近下网板附近区域气体停留时间相对较长，其他区域气流滞留时间相对均匀；而模型E气流滞留时间分布不均匀，在吸附层内侧1/5区域和外侧1/5区域停留时间相对较长。吸附层不同高度气流速度分布如图18所示。

从图18可以看出，在活性炭层高度为5 mm处，模型D和模型E在外侧3/10区域气流速度基本一致，而在内侧区域模型E速度较大；随着活性炭层高度增加，模型D与模型E在外侧3/10区域气流速度仍基本一致，而在内侧区域气流速度差值增大。这表明下网板对气流产生一定的阻力，使中间区域气流流速变慢，气体与吸附层的接触时间变长，而导流槽结构不能抑制中间高速气流，使得气体快速通过吸附层，有可能会造成毒剂吸附不充分，但导流槽结构明显减小吸附层外侧区域气体停留时间。

图18 吸附层x=0截面上不同吸附层高度气流速度分布曲线

4 结论

本文采用CFD 方法研究了五种滤毒罐(一种圆柱形滤毒罐和四种弧形滤毒罐)的气动特性，主要考察了弧形罐结构和导流槽结构对滤毒罐空气动力学特性的影响。

数值模拟结果表明网板开孔大小、数量和位置相同时，双弧形滤毒罐吸附层能提高气流的接触面积，整体气流流速变慢，气体与吸附层的接触时间变长，活性炭的利用率有一定程度的提高，且通气阻力相比目前通用的滤毒罐和单弧形罐小。导流槽结构可以减小滤毒罐通气阻力，但不能抑制吸附层中间高速气流，使得气体快速通过吸附层。因此，我们将进一步研究弧形的弧度对滤毒罐气动特性影响，优化滤毒罐结构，达到既降低滤毒罐通气阻力，又能提高炭层利用效率的目的。