船廠大空間焊接車間通風(fēng)CFD模擬

董 浩，李高進，李佳妮，王 軍，林小龍，陳 寧

（1. 上海船舶工藝研究所，上海 200032；2. 江蘇科技大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

焊接技術(shù)在船廠應(yīng)用廣泛，焊接過程中產(chǎn)生的焊接煙塵包含諸多危害人體健康的危險物質(zhì)，焊接煙塵包含各類金屬與非金屬氧化物、氟化物等成分，組成成分非常復(fù)雜。肖凌云采用理論分析和數(shù)值模擬的方法確定車間內(nèi)部的通風(fēng)濕度，并對通風(fēng)系統(tǒng)進行低能耗設(shè)計。賈雪峰等利用流體計算軟件對某高大封閉焊接車間置換通風(fēng)情況進行模擬，結(jié)果表明：自然通風(fēng)車間的焊接煙塵濃度明顯要高于混合通風(fēng)車間。IACOVIDES等對-湍流模型中的雷諾應(yīng)力進行時間平均處理，該研究成果在湍流數(shù)值模擬領(lǐng)域取得巨大成功，被廣泛應(yīng)用于大型空間建筑物的速度場和溫度場的數(shù)值模擬。

焊接車間必須進行通風(fēng)除塵，將焊接煙塵的濃度降低到規(guī)定范圍內(nèi)。本文以某船廠的焊接車間為對象，對不同的工況下車間內(nèi)部焊接煙塵的濃度分布情況進行數(shù)值模擬，分析焊接煙塵在焊接車間內(nèi)部的分布情況和流動特性，以期為焊接車間通風(fēng)除塵系統(tǒng)的布置優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型概況

焊接車間長36 m，寬9 m，高5 m。焊接車間正面開設(shè)4扇窗戶以及1扇門，窗戶與門默認(rèn)開啟。車間采用自然通風(fēng)作為主要通風(fēng)手段，車間模型及 坐標(biāo)系設(shè)置情況見圖1。

圖1 車間模型

1.1 工況1

工況1中焊接車間僅通過窗戶自然通風(fēng)，無其他強制通風(fēng)處理焊接煙塵。1.6 m高度處焊接車間煙塵濃度云圖見圖2，1.6 m高度處方向煙塵濃度變化情況見圖3，1.6 m高度處不同測點的濃度見表1。焊接煙塵大多集中在車間的后方與左側(cè)位置，除焊接平臺（污染源）外，車間左后方位置的煙塵濃度要高于車間其他位置，通風(fēng)口位置對焊接煙塵濃度的影響較為明顯。

圖2 1.6 m高度處焊接車間煙塵濃度云圖（工況1）

圖3 1.6 m高度處y方向煙塵濃度變化情況（工況1）

表1 1.6 m高度處不同測點的濃度（工況1）

1.2 工況2

工況2在工況1的基礎(chǔ)上考慮外界通風(fēng)，從正面吹入自然風(fēng)的風(fēng)速為1 m/s。該工況下1.6 m高度處焊接車間煙塵濃度云圖見圖4，1.6 m高度處方向煙塵濃度變化情況見圖5，1.6 m高度處不同測點的濃度見表2。在有自然風(fēng)進入以后焊接煙塵的濃度得到明顯控制，最大濃度僅為2.6 mg/m。由此可知，自然風(fēng)對焊接煙塵的濃度影響較大。

圖4 1.6 m高度處焊接車間煙塵濃度云圖（工況2）

圖5 1.6 m高度處y方向煙塵濃度變化情況（工況2）

表2 1.6 m高度處不同測點的濃度（工況2）

1.3 工況3

工況3對車間內(nèi)部通風(fēng)口進行優(yōu)化，在車間后部增開3扇窗戶，位置與原窗戶相對，并在車間左后角的位置新增2扇窗戶，車間考慮外界通風(fēng)，從正面吹入自然風(fēng)的風(fēng)速為1 m/s。該工況下1.6 m高度處焊接車間煙塵濃度云圖見圖6，1.6 m高度處方向煙塵濃度變化情況見圖7，1.6 m高度處不同測點的濃度見表3。工況 3最大焊接煙塵濃度為1.81 mg/m，相較于工況2下降明顯。這是由于增設(shè)窗戶實現(xiàn)空氣對流，提升了除塵效率。然而，工況3的進風(fēng)口依舊布置在車間前側(cè)，故焊接煙塵濃度的分布在整體上仍然是前部區(qū)域低于后部區(qū)域。

圖6 1.6 m高度處焊接車間煙塵濃度云圖（工況3）

圖7 1.6 m高度處y方向煙塵濃度變化情況（工況3）

表3 1.6 m高度處不同測點的濃度（工況3）

1.4 工況4

工況4考慮在車間頂部加裝9個風(fēng)機進行機械排風(fēng)。由于加裝的風(fēng)機為可逆轉(zhuǎn)風(fēng)機，故可根據(jù)風(fēng)機的工作狀態(tài)將工況4分為排風(fēng)和送風(fēng)2種模式。

1）排風(fēng)模式

工況4排風(fēng)模式下1.6 m高度處煙塵濃度云圖見圖8，1.6 m高度處方向煙塵濃度變化情況見圖9，1.6 m高度處不同測點的濃度見表4。此時最大焊接煙塵濃度為1.08 mg/m，相較于工況3下降明顯。

圖8 1.6 m高度處焊接車間煙塵濃度云圖（工況4，排風(fēng)模式）

圖9 1.6 m高度處y方向煙塵濃度變化情況（工況4，排風(fēng)模式）

表4 1.6 m高度處不同測點的濃度（工況4，排風(fēng)模式）

2）送風(fēng)模式

工況4送風(fēng)模式下1.6 m高度處焊接車間煙塵濃度云圖見圖10，1.6 m高度處方向煙塵濃度變化情況見圖11，1.6 m高度處不同測點的濃度見表4。此時最大焊接煙塵濃度為0.38 mg/m。相較于排風(fēng)模式，送風(fēng)模式對焊接煙塵濃度的控制效果更好。這是由于排風(fēng)模式下車間內(nèi)部由于排風(fēng)扇的抽吸產(chǎn)生負(fù)壓，車間窗戶及各通風(fēng)口均向車間內(nèi)部送風(fēng)，而只通過排風(fēng)扇進行排氣，故車間內(nèi)部焊接煙塵濃度的控制效果并不理想。在送風(fēng)模式下，車間通過窗戶及各通風(fēng)口向外排氣，增大了輸出流量，故該模式下車間內(nèi)部焊接煙塵的濃度更低。

圖10 1.6 m高度處焊接車間煙塵濃度云圖（工況4，送風(fēng)模式）

圖11 1.6 m高度處y方向煙塵濃度變化情況（工況4，送風(fēng)模式）

表5 1.6 m高度處不同測點的濃度（工況4，送風(fēng)模式）

1.5 工況5

工況5假定無自然通風(fēng)，僅通過車間頂部的9個風(fēng)機進行機械排風(fēng)，且風(fēng)機處于送風(fēng)模式。該工況下1.6 m高度處不同測點的濃度見表6，1.6 m高度處方向煙塵濃度變化情況見圖12。利用風(fēng)機進行機械排風(fēng)可有效降低焊接煙塵的濃度。

表6 1.6 m高度處不同測點的濃度（工況5）

圖12 1.6 m高度處y方向煙塵濃度變化情況（工況5）

2）采用自然通風(fēng)和機械通風(fēng)的混和通風(fēng)模式效果要優(yōu)于單一通風(fēng)模式。

3）送風(fēng)模式的機械通風(fēng)效果要優(yōu)于排風(fēng)模式。

2 結(jié)論

本文以某船廠的焊接車間為對象，對不同的工況下車間內(nèi)部焊接煙塵的濃度分布情況進行數(shù)值模擬，分析焊接煙塵在焊接車間內(nèi)部的分布情況和流動特性，可得出以下結(jié)論：

1）自然通風(fēng)對焊接煙塵濃度分布的影響很大，雙側(cè)通風(fēng)的效果好于單側(cè)通風(fēng)，在進行車間設(shè)計時，要慎重考慮通風(fēng)口的位置，盡量產(chǎn)生對流運動。