基于CFD的激光安全房通风系统的优化设计

黄冬徽，王志刚，李良帅，李思佳

（上海嘉强自动化有限公司，上海 201600）

1 前言

近年来，激光切割在板材加工领域得到了广泛应用。激光切割是利用高功率密度激光束扫描工件表面，使材料在极短时间内局部加热到几千至几万℃，使被照射材料迅速熔化、气化、烧蚀或达到燃点，同时借助高速气流吹除熔融物，达到切割目的。在切割过程中会产生大量的粉尘和烟雾，一方面会影响机床的使用寿命，另一方面被人体吸入后对身体危害很大。

激光切割主要分为三种，有激光气化切割、激光熔化切割、激光氧化切割。这三种激光切割的工作原理不太相同，所产生的粉尘和烟雾也不太一样。激光气化切割：在高功率密度激光束的加热下，大约40%的材料汽化成蒸汽消失，60%的材料作为喷出物从切缝底部被辅助气体吹走，与空气中的细小颗粒结合，形成粉尘；激光熔化切割：当入射的激光束功率密度超过某一值后，照射处的材料开始蒸发，形成孔洞，而光速周围的材料则被熔化，与光速同轴的辅助气流把周围的熔融材料带走，形成烟尘；激光氧化切割：材料表面在激光束的照射下，很快被加热到燃点温度，随之与氧气发生激烈的燃烧反应，放出大量热量，使材料内部形成充满蒸汽的小孔，而小孔的周围为熔融的金属壁包围所包围，这些蒸汽和熔融物质被辅助气流带走，漂浮在作业车间，形成粉尘和烟雾。切割板材的材料不同，形成烟尘的材料也会不同。另外有时为了切割需要，还会在工件表面涂层润滑油，这样切割时会产生十分复杂的碳氢化合物气体。

目前企业使用的通风系统基本都不能有效地去除激光安全房中的烟尘，操作环境十分恶劣。本文利用CFD技术来研究激光安全房中烟尘的扩散路径及浓度分布情况，从而对通风系统进行改进。

2 激光安全房CFD分析

2.1 通风方案

如图1所示，激光安全房按通风口、抽风口的布局及抽风功率，将对五个方案进行仿真，通过仿真了解气流的运动轨迹、污染物的浓度等信息。五种通风方案为：

（1）设置一个抽风口和一个通风口，抽风功率为6000m3/h，通风口在位置1处；

（2）设置一个抽风口和一个通风口，抽风功率为6000m3/h，通风口在位置2处；

（3）设置两个抽风口和一个通风口，增加的抽风口在原抽风口对面壁面的相同位置处，两个抽风口连接同一台抽风机，抽风功率为6000m3/h，通风口在位置1处；

（4）设置两个抽风口和一个通风口，增加的抽风口在原抽风口对面壁面的相同位置处，两个抽风口连接同一台抽风机，抽风功率为6000m3/h，通风口在位置2处；

图1 激光安全房

（5）设置一个抽风口和一个通风口，抽风功率为9000m3/h，通风口在位置1处。

2.2 CFD模拟分析

2.2.1 模型简化、边界条件及求解器设置

采用CFD数值模拟分析方法对激光安全房通风状态进行模拟分析。为了提高计算速度，对模型进行了简化处理，去除了不必要的小特征，然后提取出需要计算的流体区域。通风口按抽风功率折算成流量入口，激光切割头的出口流量为0.04kg/s，抽风口为压力出口，其他面设置为无滑移壁面，环境温度为25℃。不考虑空气压缩性的影响,按不可压缩流体计算。数值模拟模型采用Realized K-ε两方程模型，壁面采用标准壁面函数法。

2.2.2 计算结果与分析

由于不知道污染物具体的成分比例，这里计算的污染物值是指激光加工时从激光头出口流出的所有气体。考虑到人体身高大约在1.5m～2m范围内，呼吸高度范围大约在1.35m～1.85m，所以选取这一区域内的污染物最大浓度和平均浓度作为参考值。前四个方案采用相同的抽风功率，得到的四组数据差异不大，说明目前通风口的两个位置和通风孔数量的增加对污染物的排出没有太大影响。方案五增大抽风功率后，污染物的浓度明显降低，说明增大抽风功率有利于污染物的疏散。

为了解污染物在房间中的浓度分布情况和运动轨迹，选取方案（5）进行分析。图2为方案（5）房间内污染物浓度A（PPM）的等值面图。方案（5）房间内有害气体平均浓度为12384PPM，图中所示，污染物浓度大于15000PPM的高浓度区域主要在工作台桌面周围，在通风口下方的区域污染物浓度低于平均浓度，其余区域污染物浓度接近平均浓度。图3是激光头喷出的气体在两个截面上的矢量图和从通风口进入的干净空气的矢量图。如图所示，激光头喷嘴喷出的气体流到工作台桌面后向四周反射，与通风口流进的干净空气混合后，扩散整个房间，最后由抽风口流出。这也解释了前面污染物浓度等值面图中抽风口处污染物浓度接近平均浓度的原因，通风口位于机械手上方，而抽风口的位置在下方角落处，并不在开始的流线行程附近，抽风口不能及时有效地将污染物抽出，激光头喷出的气体反射后，由通风口进入的干净空气携带到整个房间中。

表1 不同通风方案下污染物统计

以上分析说明目前通风口的位置设置不是很合理，通风口设置在污染源的正上方，有助于把污染物吹散，虽然这种设置能够快速降低污染物浓度，起到稀释作用，但是由于抽风口在桌底下方，这个区域是整个房间的滞留区，是浓度相对较低的区域，所以污染物不能及时有效地从房间排出。要起到良好的通风效果，后续改进的方向应该是将抽风口设置在污染物高浓度区域，这样少量的风就可以把污染物集中排放，从而不用提高抽风功率也能达到更好的通风效果。

3 激光安全房通风系统优化设计

在已通过仿真了解气流的运动轨迹、污染物浓度分布等信息的基础上，尝试在不改变抽风功率的前提下，通过改变抽风口和通风口的位置来提高通风效率。通风口位置改为工作台正上方；工作台桌面与底座开孔，使空气能通过孔洞从桌面上方流入工作台下方；工作台下方与抽风口之间建立抽风管道，使混有污染物的气体进入工作台下面后经抽风管道抽除。

图2 方案（5）的污染物浓度等值面图

图3 方案（5）的速度矢量图

在此优化设计下，按照抽风功率为6000m3/h再次进行模拟计算。结果得到房间内污染物总体积为0.52884m3，污染物平均浓度为15561PPM，平均浓度比之前的方案（1）降低了20.36%。人体高度区域内污染物平均浓度为15242PPM，比之前的方案（1）降低了21.21%。这说明优化后的设计能够提高通风效果。

图5是气体在两个截面上的速度矢量图和激光头喷出气体的流线图。气体从喷嘴流出后，污染物伴随气体将通过工作台桌面的孔洞进入工作台下方，通过抽风管道被抽走，所以此处为污染物高浓度区域。这部分污染物的集中排放使得房间内污染物浓度降低。但仍有部分污染物未进入工作台中，一处为未能进入桌面圆孔中的污染物在桌面向四周反射，另一处为通过桌面圆孔而没有进入底座的污染物直物从桌面下逃逸出去。

图4 优化后的模型

4 结语

为改善激光安全房的通风效果，本文进行了CFD分析计算，通过对比五种方案下的房间内污染物浓度，同时分析了优化方案能否改善通风效果，可以得出以下结论：

（1）抽风口应设置在污染物高浓度区域，即工作台附近，这样才能减少污染物在房间中的扩散，及时接逃逸到环境中，这两处的污染物与通风口进入的干净空气混合，扩散到整个房间中。

图5 优化后的速度矢量图和流线图

经过本次优化提高了激光安全房内的通风效果，在相同抽风功率下，能够降低污染物平均浓度约20%。但仍存在不足，部分未能进入工作台下面抽风管道的污染物仍会扩散到空气中。能够进入工作台下方的污染物占比很大程度上决定了房间内的污染物平均浓度大小。后续进一步降低房间内污染物浓度，则要提高污染物的捕集率，使其更多地进入到工作台下方，减少其扩散到周围环境中。一方面要使污染物更多地进入工作台桌面，另一方面要阻止污染将其排出。

（2）提高污染物的捕集率，一方面要使污染物更多地进入工作台桌面，另一方面要阻止污染物从桌面下逃逸出去。