振弦柵收集電焊煙塵特性的數(shù)值模擬*

林大建 姜鑫 黎良飛 陳祖云

(江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 江西贛州 341000)

0 引言

隨著我國現(xiàn)代工業(yè)化的進一步深入推進，焊接技術(shù)的應(yīng)用范圍也越來越廣。電焊煙塵作為焊接產(chǎn)物之一，危害程度大、波及范圍廣、造成后果嚴重[1]，對其進行治理已然成為焊接安全、環(huán)境保護工作中的難點。電焊煙塵凈化處理是一項技術(shù)難題，其主要表現(xiàn)為：①焊接煙塵粒徑較小(粒徑主要集中在0.1～1.0 μm)[2-4]，一般除塵器難以將其過濾清除；②焊接煙塵的熱氣流帶有一定的滯留特性；③電焊煙塵除塵設(shè)施的投資較大，運行費用較高。一般的過濾式除塵器過濾效率難以達到電焊煙塵凈化的需求，再者性能較好的濾料價格較高，且對粉塵性質(zhì)十分敏感，故而對于電焊煙塵等粒徑極小的顆粒，過濾材料選擇面較窄。是以選用售價和過濾性能合適的過濾材料是過濾凈化電焊煙塵的重點。凈化電焊煙塵技術(shù)[5-7]和風(fēng)幕集塵技術(shù)[8]雖進行了一定程度上的研究，但由于其技術(shù)成熟程度、能耗及其他因素至今未能得到廣泛的應(yīng)用。振弦柵作為過濾材料，是因為它不僅具有良好的過濾性能，而且材料易得、價格相對便宜，能較好地適應(yīng)電焊煙塵的理化性質(zhì)，為電焊煙塵的凈化處理提供較大的空間。

1 過濾箱體的模型選擇

引入填充率對振弦柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行直觀簡潔地描述，可按下式定義[9]：

式中，N1為單層不銹鋼絲平均根數(shù)；D為振弦柵絲徑，m；L為不銹鋼絲長度，m；A為振弦柵迎風(fēng)面面積，m2。

1.1 模型的建立

考慮不同過濾材料存在差別，故而選擇用振弦柵作為過濾材料組成柵過濾系統(tǒng)凈化電焊煙塵。其中過濾段尺寸為1.0 m×0.2 m×0.2 m，示意圖如圖1所示。中段上部切開尺寸為0.3 m×0.2 m的鏤空，便于更換不同參數(shù)的振弦柵。過濾箱體內(nèi)使用U型槽固定過濾材料，蓋上蓋板后再用密封膠對其進行密封處理。

圖1 過濾段示意

查閱相關(guān)文獻資料[10-11]可知，使用振弦柵作為過濾材料時，其填充率不但與壓降呈正相關(guān)，而且與過濾效率也有直接關(guān)系。由填充率的定義式可知，填充率與振弦柵的柵絲直徑、根數(shù)及長度呈正相關(guān)，在振弦柵的其他條件不變的情況下，柵絲的根數(shù)是由柵絲間距決定。振弦柵的結(jié)構(gòu)為前、后兩層單排柵絲，層間距是指金屬框架的厚度，因而除了柵絲直徑和間距外，柵絲層間距也可選為單塊過濾效率影響單因素。每根振弦柵絲與垂直方向的夾角都為ω=arctan(0.4/200)=0.115°，基本可忽略不計，故而在本模擬中的每根振弦柵絲皆可看成垂直排布。在ICEM-CFD中建立單塊柵絲間距為0.4 mm、邊框?qū)挾葹? mm的振弦柵絲簡化陣列模型，拓撲后如圖2所示。

圖2 振弦柵簡化模型示意

1.2 模型選擇

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分法對幾何模型進行網(wǎng)格劃分。將網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT軟件后，首先進行求解設(shè)置，采用絕對速度公式、穩(wěn)態(tài)計算，將重力加速度設(shè)置為-9.79 m/s2，入、出口定義方式分別為速度入口和壓力出口。

模擬選用雙方程模型中的標準k-ε模型。采用離散相模型模擬氣-固兩相流的流動, DPM模型參數(shù)設(shè)置為：顆粒材料設(shè)置為新材料，沿氣流入射面垂直射入，入口風(fēng)速根據(jù)不同要求取值，粒徑定義方式為R-R模式，最大粒徑為1.0×10-6m，最小粒徑為1.0×10-8m，主要粒徑為2.0×10-7m。

1.3 計算方法

(1)數(shù)值模擬的過程為電焊煙塵含塵氣流在過濾段中的流動過程，故需要對相關(guān)條件進行一些必要的假設(shè)：①電焊煙塵含塵氣流為定常、恒溫不可壓縮流體；②壁面條件為靜止壁面，絕熱無滑移，使用標準壁面函數(shù)；③流動為穩(wěn)態(tài)湍流；④滿足Boussinesq假設(shè)條件。

(2)基本控制方程。由于本實驗研究中的流體為恒溫流體，故不涉及能量守恒方程，由質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程限制和描述流體物理量的流動狀態(tài)。

(3)數(shù)值模擬。對比分析不同數(shù)值模擬方法的差別，確定基本控制方程，選擇標準k-ε湍流模型和DPM離散相模型，并采用一階迎風(fēng)格式、SIMPLE算法、壓力基求解器求解流場。

1.4 參數(shù)條件

經(jīng)實地測量和理論推導(dǎo)計算可得到氣固兩相參數(shù)，見表1。

表1 氣固兩相參數(shù)

2 過濾效率影響單因素模擬結(jié)果與分析

將濾料模型邊界面條件設(shè)置為捕獲(Trap)格式經(jīng)迭代計算后得到過濾效率。由于振弦柵的實際過濾風(fēng)速比較大，為了更加貼近實際的還原過濾過程，將入口風(fēng)速設(shè)置為7.0 m/s，F(xiàn)LUENT軟件在計算結(jié)果中以有限數(shù)量的顆粒表征過濾段內(nèi)所有顆粒。

2.1 柵絲直徑對除塵效率的影響分析

選擇市面上比較常見的0.06，0.08，0.10，0.20 mm和0.30 mm絲徑的304不銹鋼絲為實驗?zāi)M研究對象。柵絲間距為0.40 mm，層間距為10 mm，迭代計算并整理后得到圖3。

圖3 不同柵絲直徑的過濾效率

選擇XOZ面作為觀測面，可以得到不同柵絲直徑時的流場速度矢量圖4(氣流流向為自右向左)。

(1)柵絲直徑為0.06 mm

(2)柵絲直徑為0.08 mm

(3)柵絲直徑為0.10 mm

(4)柵絲直徑為0.20 mm

(5)柵絲直徑為0.30 mm

柵絲的間距是由牙條的牙距所決定，若柵絲直徑增大，兩根相鄰柵絲的外表面更加靠近，變相縮小了柵絲間距，增大了填充率。綜合分析圖3和圖4可知，當柵絲的直徑在0.06 mm增加到0.3 mm的過程中，隨著直徑的增大，過濾效率增長的速度不斷減小，其中柵絲的直徑在0.06 mm至0.2 mm間變化時，過濾效率增大得比較快，在0.2 mm到0.3 mm間的增長變化不大，幾乎趨于平穩(wěn)。綜合考慮除塵效率和流場氣流分布因素，故而選取柵絲直徑為0.2 mm的柵絲進行下一步研究的模擬參數(shù)。

2.2 柵絲間距對除塵效率的影響分析

根據(jù)常用螺絲規(guī)格表(標準件)中的國際粗牙60°規(guī)格參數(shù)可知，在非定制條件下可購得的最細的牙條規(guī)格為M1.4標準牙條(成品外徑最大1.38 mm，最小外徑1.34 mm)，其牙距為0.3 mm。根據(jù)實際需要選擇0.3，0.35，0.4，0.45 mm和0.5 mm作為柵絲間距的模擬變量，其中柵絲直徑選取0.2 mm，層間距為1 mm，進行迭代計算，得到結(jié)果后將數(shù)據(jù)整理得到圖5。

圖5 不同柵絲間距的過濾效率

經(jīng)過后處理可得到不同柵絲間距條件下的速度矢量圖，如圖6所示。

對圖5和圖6結(jié)合分析可得，在其他條件不變的情況下，當柵絲的間距發(fā)生了變化時，流場內(nèi)氣流分布與過濾效率也會發(fā)生顯著的相關(guān)性變化。由圖5可知，隨著柵絲的間距不斷增加，過濾效率是一個先增大、后減小、最后在某一數(shù)值趨于平穩(wěn)的過程，其中當柵絲間距為0.35 mm時，流場內(nèi)含塵氣流混擾作用達到最大值，從而使得更多的顆粒與柵絲發(fā)生碰撞而后被捕捉到，其過濾效率可達到40.28%。結(jié)合速度矢量圖，對比后選擇柵絲間距為0.35 mm的柵絲進行下一步模擬。

(1)柵絲間距為0.3 mm

(2)柵絲間距為0.35 mm

(3)柵絲間距為0.4 mm

(4)柵絲間距為0.45 mm

(5)柵絲間距為0.5 mm

2.3 柵絲層間距對除塵效率的影響分析

為探究過濾效率隨柵絲層間距的變化趨勢，選取市場上較易購買加工且厚度分別為1.0，1.5，2.0，2.5 mm和3.0 mm 的5種框架作為實驗研究對象，其中柵絲直徑和間距取值分別為0.2 mm和0.35 mm，計算模擬后將結(jié)果整理為圖7所示。

圖7 不同柵絲層間距的過濾效率

經(jīng)后處理得到速度矢量圖，如圖8所示。

(1)柵絲層間距為1.0 mm

(2)柵絲層間距為1.5 mm

(3)柵絲層間距為2.0 mm

(4)柵絲層間距為2.5 mm

(5)柵絲層間距為3.0 mm

分析比較過濾效率的模擬結(jié)果可知，在填充率相同的情況下，不同的柵絲層間距對氣流分布和混擾程度的影響導(dǎo)致過濾效率急劇變化。當層間距為1.0 mm到2.0 mm時，尤其是1.0 mm至1.5 mm之間時，氣流間的混擾程度十分劇烈，一定程度上促進了顆粒與柵絲間的碰撞，過濾效率達到37%以上，保持在較高水平。對比分析圖7、圖8后，選擇柵絲層間距為1.0 mm的柵絲進行下一步模擬。

2.4 柵間距對除塵效率的影響分析

為探究振弦柵間距對過濾效率的影響，故而采用兩塊規(guī)格相同，皆為0.2 mm柵絲直徑、0.35 mm柵絲間距、1 mm柵絲層間距的振弦柵，選取柵間距分別為1，5，10，20 mm和40 mm為模擬變量對其進行數(shù)值模擬。為更加直觀地對其進行分析對比，可得到不同柵間距條件下的模擬結(jié)果，如圖9。

圖9 不同柵間距的過濾效率

由圖9可知，相對于單塊振弦柵來說，當振弦柵的數(shù)量增加到兩塊后，過濾效率整體上升幅度為23%至25%之間。柵間距由1 mm增大至10 mm的過程中過濾效率先降后升，在柵間距為5 mm時，過濾效率達到最低值60.65%；柵間距由10 mm增大至40 mm的過程中，過濾效率維持在一個較為平穩(wěn)的階段，此時柵間距增大對過濾效率的影響幾乎可以忽略不計，過濾值為62.25%左右。經(jīng)后處理得柵間距分別為5 mm和10 mm時的速度矢量圖以對比氣流擾流對過濾效率的影響，如圖10。

(1)柵間距為5 mm

(2)柵間距為10 mm

分析圖10得，柵間距與柵絲層間距比較相似，流場內(nèi)氣流分布和氣流間互相擾動的程度因柵絲排布不同而影響過濾效率。分析后可認為在柵間距逐漸增大的過程中，氣流間混擾程度逐漸減小，在強度保持在較高水平時，則對過濾效率的影響是正面的；減弱到某一閾值時，易使氣流形成分流，造成過濾效率的降低；當最終減弱至低水平甚至消失時，其對過濾效率的影響幾乎可以忽略不計。為更直觀體現(xiàn)柵間距不同狀態(tài)氣流混擾程度可繪制過濾段中軸線上的動壓散點圖進行對比，如圖11。

(1)柵間距為1 mm

(2)柵間距為5 mm

(3)柵間距為10 mm

(4)柵間距為20 mm

(5)柵間距為40 mm

結(jié)合圖11中的動壓散點圖分析易知，振弦柵間距越大，接近第二塊振弦柵的氣流越平穩(wěn)且相互之間的擾動越小，這也就意味著與過濾效率的相關(guān)性降低。

3 結(jié)論

對振弦柵按實際模型排列方式建立了有規(guī)則的簡化陣列模型，以振弦柵的柵絲直徑、柵絲間距、柵絲層間距、柵間距等為模擬研究因素，得到不同因素工況下過濾效率的變化趨勢，并通過進一步分析總結(jié)了結(jié)構(gòu)、排列方式和氣流擾動對過濾效率作用的規(guī)律?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論：

(1)振弦柵過濾電焊煙塵以截留效應(yīng)和碰撞效應(yīng)為主。

(2)柵絲直徑越大過濾效率越高，氣流分布越不均勻；柵絲間距增大的過程中，過濾效率是一個先增大后逐漸減小到穩(wěn)定值的過程；不同的柵絲層間距對氣流分布和混擾程度的不同影響導(dǎo)致過濾效率發(fā)生劇烈變化，且該情況下氣流間混擾程度對過濾效率的變化起決定性作用。

(3)利用振弦柵過濾電焊煙塵時，由柵絲直徑和間距所確定的填充率是影響過濾效率的直接決定因素，而柵絲層間距則是通過改變氣流分布從而對過濾效率產(chǎn)生影響，是影響過濾效率的次要因素。

(4)選用單塊振弦柵過濾時，規(guī)格為0.2 mm柵絲直徑、0.35 mm柵絲間距、1 mm柵絲層間距的綜合過濾效果最好。

(5)選用兩塊振弦柵過濾時，相對于單塊振弦柵來說，過濾效率整體上升幅度較大，但兩塊振弦柵之間的柵間距的變化對過濾效率影響卻不太明顯。