面粉车间粉尘风速及粉尘浓度分布的数值模拟

石威

（安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001）

关健词：面粉车间；风速；粉尘浓度；数值模拟；后处理

粉尘指的是悬浮在空气中的固体颗粒，可以产生于众多生产车间，对于粮食加工业来说粉尘的产生数量是难以预料的，因此会造成很严重的危害，不仅会使得工作人员的身体健康受到严重威胁，更严重的还会导致爆炸事故。因此，对于车间的粉尘速度以及粉尘浓度的理论分析和控制显得尤为重要。

1 模型建立

1.1 物理模型

建立面粉生产车间，如图1 所示。该车间尺寸为10m×3.2m×3.5m，车间的墙壁上设置一0.6m×0.6m 的正方形排气扇，车间大门尺寸为2m×2.5m。其内部并排放置5 台磨粉机，可视作正方体，边长尺寸为1.4m，制粉机上方存在尘源产生面，即0.6m×0.8m 的矩形产尘面。磨粉机距墙壁距离分别为1.8m 和3m，每台磨粉机间距相等，都为0.3m，距两侧墙壁距离是0.9m，大门与排气扇厚度均为0.2m。

图1 制粉车间的几何模型

1.2 初始条件与边界条件

由于制粉车间内部属于低湍流流动，因此对其采用标准k-ε 模型，其它选项均为默认。因为该面粉生产车间计算域内的粉尘和空气属于离散相模型，而且离散相体积率远小于10%，因此可以采用lagrange 模型。因此模型选择离散相模型，同时要使用随机轨道模型来模拟车间内的风速及粉尘浓度分布。

尘缘面是0.6m×0.8m 的矩形面，其尘源产生粉尘的质量流率为1.68×10-5kg/s，车间为制粉车间，主要产生的是面粉粉尘，选择惰性颗粒，设置其密度为1330kg/m3，设置该车间的面粉粉尘的粒径分布符合rosin-rammler 分布规律，直径分布取10，平均分布指数则取默认值3.5。设置粉尘粒径范围处于10μm-100μm 之间，平均直径为20μm。

边界条件的设定方式直接影响数值模拟的收敛速度和精确度。因此经过多次模拟，将大门设为速度入口，值为2.8m/s；正方形排气扇也一样设置，值为-2.8m/s，因此fluent 就自主识别，认为是速度出口。众所周知，面粉粉尘存在粘附性，因此壁面离散相边界条件设为trap（捕捉），而对于大门以及排气扇来说，其离散相边界条件设为escape（逃逸）。

2 模拟过程及分析

经模拟，将结果导入Tecplot，计算域内选取3 个截面来进行切片研究，切面依次为：z=1.0m、z=1.5m 以及z=2.8m，该计算域内模拟风速分布结果如图2 及图3 所示。

图2 z=1.0m、z=1.5m 的速度云图

图3 z=2.8m 的速度云图

由图可得，风速以2.8m/s 初速度吹进面粉生产车间，同时也以2.8m/s 的速度从排气扇出口吹出计算域外。大门吹进来风速相对较大，并且因为排气扇放置原因，车间大门处存在的较大风速呈现向排气扇方向靠近的现象。与此同时，右侧墙壁附近的空间内也存在风速较大现象，而大门所在的墙壁侧风速则是比较小，每个制粉机之间的风速则是因为制粉机对风流的阻碍作用比较小。制粉车间的内侧隅角位置形成了风流流动的“死角”，可能会引起粉尘的集聚。

分别取z=1.0m，z=1.5m，z=2.8m，y=4.0m，这4 个截面来分析，模拟得到的粉尘浓度分布云图如图4、5 所示。

图4 z=1.0m、z=1.5m 的粉尘浓度分布云图

由图4 及图5 不难得到，因为风速原因，车间的粉尘整体浓度分布呈现出绝大部分存在浓度比较小的现象，但也不可否认的是存在局部空间内粉尘浓度较大。因为尽管风流可以将多数粉尘吹出计算域，但车间内存在风流“死角”，正是由于风流“死角”存在，导致粉尘难以吹出，通风除尘变得比较困难。

图5 z=2.8m、y=4.0m 的粉尘浓度分布云图

在z=1.0m 的截面图中，因为制粉机的阻挡作用，风流入口成为了风速相对较小区域，不难发现这区域粉尘浓度比较高。也不难发现这部分计算域相对也是工作人员生产作业空间，因此会影响到工作人员的健康，过多的粉尘集聚也是引起粉尘爆炸的隐患。

人的呼吸带高度约为1.5m，因此选取z=1.5m 截面，不难发现5 台机器上方区域粉尘浓度较高，而且均高于国家规定的允许值10mg/m3。所以，如果工作员工运作机器时，工作人员的健康状况会受到制粉机附近较高粉尘浓度的严重威胁，制粉机产生浓度过高的粉尘也是其它空间内的粉尘源。所以必须在尘源上加以改善措施以降低车间内的粉尘浓度。

由z=2.8m 粉尘浓度分布云图可以看出，粉尘浓度普遍较小，主要是因为面粉粉尘因为自身存在重力作用，因此在产生后就处于沉降状态，导致较高的位置处粉尘浓度较小。

而y=4.0m 截面是5 台制粉机所在的截面，不难发现，因为制粉机上方是粉尘源的所在位置，所以粉尘浓度都比较高。

3 结论

本文选定制粉车间为研究对象，将制粉车间的尘源简化为制粉机的上表面，建立了制粉车间的基本物理模型。

根据数值模拟结果可得出：计算域车间内部有风流“死角”，这些风流“死角”风速比较低，可以导致粉尘容易聚集。从粉尘浓度分布云图也可以发现：尽管计算域车间大部分区域粉尘浓度较低，但也存在局部区域粉尘浓度较高，有些区域甚至远高于国家标准。所以计算域车间内的粉尘分布需要采取控制措施来降低其浓度，除了可以降低排气扇高度亦或是加强排气扇风速，还可以通过对制粉机设备进行定期的清洁维护甚至更换设备、车间内配备粉尘过滤设备等方法进而有效降低粉尘浓度。