基于FLUENT軟件的安全帽內溫度場分析

李 鵬 王 志 孫美娜 董 強

中國建筑第六工程局有限公司

安全帽的不正確佩戴在建筑行業(yè)導致的致傷、致死事故是時有發(fā)生的[1-2]，由于建筑行業(yè)的艱苦、露天作業(yè)、現(xiàn)場材料多以及施工人員自身素質的特點，施工人員不正確佩戴安全帽的現(xiàn)象[3]也是常有的。針對此問題，研究人員對安全帽進行了設計與改善[4]。隨著計算流體力學的發(fā)展（Computational Fluid Dynamics，CFD），可預見性的安全帽的通風散熱設計成為可能[5]。

1 安全帽內溫度場數(shù)學模型

含通氣孔的安全帽，如圖1，通氣孔主要布置的位置有側面、頂面和正面三個方向。安全帽內氣體為常溫、低速、不可壓縮符合Bonssinesq假設的流體，遵循質量、動量和能量三大守恒定律[6]。

質量方程：

式中：

ux、uy、uz—x、y、z三個方向的速度分量，m/s；

t—時間，s；

圖1 含有通氣孔的安全帽

ρ—密度，kg/m3。

動量方程（x方向）：

式中：

σxx—粘性應力分量，Pa；

fx—三個方向的單位質量力，m/s2。

組分方程：

式中：

T—溫度，℃；

cp—比熱容，J/(kg·K)；

k—流體的傳熱系數(shù)，W/m2·K；

ST—粘性耗散項。

氣體流動模型符合湍流模型，假定空氣從安全帽正面流入，從安全帽后面流出，使用標準k-e模型進行求解溫度場，k-e方程如式4和式5[7]。

式中：

ρ—空氣密度，kg/m3；

ui—速度矢量，m/s；

K—湍流脈動動能，m2/s2；

u—層流動力粘性系數(shù)，Pa·s；

ut—湍流粘性系數(shù)，Pa·s；

ε—湍流能量耗散率，m2/s3。

2 安全帽內溫度場數(shù)值模擬過程

2.1 GAMBIT建模

繪制長軸220mm，短軸高140mm的橢球代表安全帽，因成年人面部尺寸各異，我們繪制長軸90mm，短軸90mm圓球代表人員佩戴好安全帽。這樣，佩戴高度90mm，水平間距20mm，頭與帽垂直間距50mm，符合要求。安全帽內部空間左右對稱，其左側三維幾何模型，如圖2。X軸方向代表安全帽長度方向，Y軸方向代表安全帽寬度方向，Z軸方向代表安全帽高度。幾何模型建立好后，可采用多種網(wǎng)格劃分方法，由于模型較簡單，劃分間距5mm[8]。

圖2 安全帽內溫度場幾何模型

2.2 數(shù)值模擬后處理

數(shù)值模擬后可采用FLUETN軟件中的Contours進行后處理，當數(shù)值模擬迭代解算結束后，點擊Display，選擇Contours即云圖，勾選Options中的Filled選項，在Contours of中選擇Temperature，此時，單擊Display即可以顯示安全帽內的溫度場。

3 單因素影響的安全帽內溫度場分布

3.1 環(huán)境溫度對其影響

顯然，安全帽內的溫度受到環(huán)境溫度的影響，環(huán)境溫度越高，安全帽內溫度也越高。在FLUENT中設置頭部為WALL，設置其溫度為36℃，當外部環(huán)境溫度為30℃和36℃時，假定外界環(huán)境風速為0.1m/s，并迎著安全帽流動，選取y=0.005m、y=0.002m、y=0.003m三個切面，安全帽內溫度場分布，如圖3。

圖3 安全帽內溫度與環(huán)境溫度關系

由圖3看出，外部環(huán)境溫度增大，安全帽內的高溫區(qū)域明顯增加，整個安全帽的溫度與環(huán)境溫度基本相同。

3.2 通風散熱對其影響

假定環(huán)境中的風流流動方向為迎著安全帽正面，風流流入安全帽與人頭部的空隙，在流出安全帽。假定外部環(huán)境風速為0.1m/s和0.5m/s時，湍流強度5%，湍流直徑0.01m，安全帽內溫度場隨環(huán)境風速變化，如圖4。

圖4 安全帽內溫度與環(huán)境風速關系

由圖4可看出，隨著通風條件的改善，安全帽內的溫度也有逐漸降低的趨勢。但當風速超過0.5m/s時，人面部會有不適的感覺，而且現(xiàn)場的通風條件也非可控的，安全帽內的通風散熱效果取決于所設置的通氣孔的個數(shù)、位置和面積等因素。

3.3 勞動時間對其影響

由于勞動時間越長，人頭部蓄積的熱量也會更多，假定人頭部溫度速度為2℃/30min，人頭部未勞動前初始溫度30℃。設置FLUENT中Time Step Size為60s，迭代步數(shù)分別為60和90，即勞動時間為60min和90min時安全帽內溫度場，如圖5。

圖5 安全帽內溫度與環(huán)境風速關系

圖5中，2幅圖的標尺最大刻度值不同，勞動時間增加，安全帽內高溫區(qū)域也有增加，這主要是由于隨著勞動時間的增加，而頭部熱量積聚，使溫度升高。

4 多因素影響的安全帽內溫度場分布

當影響安全帽內的溫度場因素較多時，且各個因素變化范圍也較多時，各因素對于安全帽內高溫區(qū)的確定具有不同的程度，我們需要制定一個試驗設計表來分析多因素對其影響。選擇4組試驗按下表，進行FLUENT數(shù)值模擬。

表 多因素影響安全帽內溫度場試驗設計表

在Contours中取消Auto Rang的勾選，設置Static Temperature中Min為32℃，Max為35℃，此時云圖就可以顯示溫度在32～35℃的區(qū)域，區(qū)域越大對施工人員的影響越大。

圖6 安全帽內高溫分布區(qū)域

由圖6-a和圖6-b可看出，雖環(huán)境風速相同，6-a勞動時間較長，但是也未能有6-b環(huán)境溫度變化帶給安全帽內高溫區(qū)域分布明顯，6-a中高溫主要集中在頭部，6-b中高溫主要集中在帽頂；對比圖6-b和圖6-c，二者環(huán)境溫度相同，環(huán)境風速和勞動時間不一樣，由圖6-c可知中高溫區(qū)較多一些，此時勞動時間占主要；圖6-d則是環(huán)境溫度最高，由圖顯然看出，環(huán)境溫度對安全帽內溫度場影響最大。

5 結論

（1）對有風流流動情況下的工人佩戴安全帽內溫度場數(shù)學模型進行了研究。

（2）選取三種影響因素，使用FLUENT數(shù)值模擬軟件分別分析了在不同的單因素影響下，安全帽內的溫度場是如何分布的。

（3）在單因素對安全帽內溫度影響分析后，分析了4組不同因素水平對安全帽內溫度場的分布。

[1] 褚浩存.安全生產(chǎn)操作——從安全帽開始[J].建筑工人,2017,38(4):20-21

[2] 孫勝領.安全帽——最后的安全保障[J].建筑工人,2016,37(8):40-41

[3] 錢程.安全帽的三個故事[J].湖南安全與防災,2012,(6):54-55

[4] 孫瑜,孫林輝,張巍,等.基于作業(yè)環(huán)境分析的礦用安全帽改善研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2017,43(5):98-100

[5] 鞠欣亮.有限元在安全帽設計中的應用[J].中國安全生產(chǎn)科學技術,2012,8(7):143-147

[6] 唐家鵬.FLUENT 14.0超級學習手冊[M].北京:人民郵電出版社,2013

[7] 李珞銘.安全帽積熱實驗研究與影響分析[D].長沙:中南大學,2009

[8] 王鑒.基于CFD技術對危險氣體突發(fā)性泄漏仿真[J].安全,2013,34(1):27-30