林浩宇，蔣仲安，楊 斌，陳建武

(1. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京100083；2. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京100029)

0 引言

密集拋光打磨作業(yè)場(chǎng)所一直都是粉塵發(fā)生的重災(zāi)區(qū)，由于工藝過程的特殊性，粉塵產(chǎn)生量大，每臺(tái)砂磨機(jī)平均產(chǎn)塵量為0.2 t/a，粉塵控制效果欠佳，現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)[1]。為了控制和治理打磨拋光粉塵，目前采取的主要手段有改進(jìn)打磨工藝、使用除塵打磨設(shè)備，以及使用除塵排風(fēng)固定打磨臺(tái)等[2-4]。由于打磨產(chǎn)塵的必然性，治理粉塵從改進(jìn)打磨工藝角度出發(fā)收效甚微；除塵打磨設(shè)備要兼顧除塵和打磨2種功用，其體積和風(fēng)量必受限制，除塵效率低；在固定打磨臺(tái)上進(jìn)行拋光打磨作業(yè)，可通過固定風(fēng)道將絕大部分粉塵排出，粉塵濃度降低顯著，但是對(duì)于配風(fēng)參數(shù)的設(shè)置卻缺少相關(guān)依據(jù)[5]。基于上述現(xiàn)狀，本文以數(shù)值模擬為主要研究手段，針對(duì)日益普及的組合式通風(fēng)打磨臺(tái)進(jìn)行最佳除塵配風(fēng)參數(shù)的研究，以期為相關(guān)的工業(yè)實(shí)踐提供參考和借鑒。

1 粉塵質(zhì)量濃度分布模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

粉塵運(yùn)動(dòng)和分布規(guī)律的研究，本質(zhì)上都屬于氣固兩相流的研究范疇，其數(shù)值模擬主要有2種方法：一種是將氣、固2種介質(zhì)看作1種混合流體；另一種是將2者分別用不同的方法研究，2者彼此獨(dú)立又相互作用[6-8]。本文將車間內(nèi)的風(fēng)流和打磨中產(chǎn)生的粉塵分別看作背景流體和顆粒相，分別運(yùn)用歐拉法和拉格朗日法研究背景流體和顆粒相的運(yùn)動(dòng)。

空氣的流動(dòng)選擇三維不可壓縮穩(wěn)態(tài)的Navier-Stokes方程作為控制方程，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型建立封閉控制方程組，只考慮動(dòng)量的傳輸，忽略熱量傳遞[9-12]，其控制方程如下。

1)N-S方程

(1)

2)標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程

①k方程：

(2)

②ε方程：

(3)

對(duì)空氣中的粉塵顆粒進(jìn)行量級(jí)分析，除重力、浮力、氣動(dòng)阻力外，其他形式的作用力數(shù)量級(jí)都很小，可忽略不計(jì)，粉塵顆粒在空氣中的作用力平衡方程為：

(4)

式中：CD為阻力系數(shù)；μ為空氣相的速度，m·s；μp為粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)速度，m·s；ρ為空氣密度，kg·m-3；ρp為粉塵顆粒的密度，kg·m-3；dp為粉塵顆粒的直徑，m。

1.2 幾何模型的建立

為科學(xué)提出組合式通風(fēng)打磨臺(tái)最佳除塵配風(fēng)參數(shù)，利用AutoCAD按照1∶1的比例建立三維幾何模型，模型導(dǎo)入ANSYS workbench劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖1所示。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，打磨臺(tái)臺(tái)面為1.3 m × 0.6 m(長(zhǎng)×寬)的矩形，距地面高0.8 m，并布有直徑φ=15 mm，圓心距d=25 mm的排風(fēng)圓孔；打磨臺(tái)后壁側(cè)為1.3 m × 0.9 m(長(zhǎng)×高)的矩形，并在下方的2/3后壁面均勻布有100 mm×10 mm的條形排風(fēng)孔；打磨臺(tái)兩側(cè)為上底0.25 m，下底0.5 m，高0.9 m的直角梯形擋板；打磨臺(tái)臺(tái)面以下為粉塵收集裝置，簡(jiǎn)化為0.5 m×0.3 m×0.25 m(長(zhǎng)×寬×高)的規(guī)則長(zhǎng)方體。打磨作業(yè)點(diǎn)假設(shè)位于臺(tái)面中央，粉塵源簡(jiǎn)化為0.1 m×0.1 m的面源。計(jì)算域簡(jiǎn)化為4 m×3 m×2.5 m(長(zhǎng)×寬×高)的立方體，打磨臺(tái)位于計(jì)算域中央位置。

圖1 組合式通風(fēng)打磨臺(tái)三維模型及網(wǎng)格劃分Fig.1 Three-dimensional model and mesh of combined ventilation grinding platform

1.3 模擬參數(shù)設(shè)定

根據(jù)打磨作業(yè)實(shí)際情況及相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合Fluent數(shù)值模擬方法和所建立的數(shù)學(xué)模型[13-17]，確定固定打磨作業(yè)過程相關(guān)參數(shù)。求解參數(shù)及邊界條件設(shè)置，如表1所示；離散相模型及粉塵源參數(shù)設(shè)置，如表2所示。

本文是針對(duì)固定打磨的特定作業(yè)，作業(yè)者位置固定，動(dòng)作幅度變化小，操作人員擾動(dòng)氣流對(duì)粉塵分布的影響可忽略。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，打磨工件尺寸較小，打磨作業(yè)多針對(duì)工件棱邊進(jìn)行，作業(yè)人員動(dòng)作幅度變化小，并且單次打磨周期時(shí)間短、速度快，過程中產(chǎn)生的熱量少，所以忽略打磨位置動(dòng)態(tài)變化及打磨產(chǎn)熱的影響。其中，作業(yè)過程中使用的手持打磨工具普遍采用砂輪直徑為125 mm的角磨機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速為12 000 rad·min-1，故砂輪邊緣線速度為12.5 m·s-1，并以打砂輪邊緣線速度作為金屬打磨粉塵產(chǎn)生的初速度。以固定打磨車間內(nèi)粉塵為樣本，過200目篩后，采用馬爾文激光粒度儀，干法測(cè)定粉塵粒度和分散度，如圖2所示。

表1 求解參數(shù)及邊界條件參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameter setting of boundary conditions and solve

表2 離散相模型及粉塵源參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameter setting of discrete phase and injection

圖2 固定打磨粉塵粒度分布Fig.2 Particle size distribution of fixed grinding dust

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 粉塵最大濃度與風(fēng)量分配的關(guān)系

以角磨機(jī)砂輪傾斜45°打磨工況為例進(jìn)行數(shù)值模擬，打磨臺(tái)除塵總風(fēng)量為2 000 m3·h-1，操作間平均風(fēng)速0.3 m·s-1，以臺(tái)面圓孔排風(fēng)量與后壁面條縫口排風(fēng)量之比為K值。

風(fēng)量分配比例分別為K=1，2，3，4，5時(shí)，粉塵源中心豎直向上粉塵質(zhì)量濃度沿程變化如圖3所示，圖4為粉塵最大濃度隨K值的變化。

圖3 距臺(tái)面不同高度粉塵濃度的變化Fig.3 The change of dust concentration different height from the work surface

圖4 最大粉塵濃度隨K值的變化Fig.4 The change of maximum dust concentration with the K value

由圖3和圖4可知：

1)在豎直方向，粉塵濃度隨高度增加先增大后減小，變化趨勢(shì)與K值無關(guān)。距臺(tái)面0.15～0.2 m高度時(shí)，粉塵濃度達(dá)到最大值；距臺(tái)面0.35 m時(shí)，粉塵濃度降低至粉塵最大濃度的10%，且粉塵濃度增加速率大于減小速率。

2)隨K值增大，粉塵最大濃度先增大后減小，在K=3時(shí)，粉塵最大濃度達(dá)到最大。粉塵最大濃度的上升速率(K<3)明顯大于下降速率(K>3)，所以實(shí)際應(yīng)用中為了避開K=3的配風(fēng)比，減小K值效果顯著。

2.2 呼吸帶高度粉塵濃度與風(fēng)量分配的關(guān)系

呼吸帶高度通常被認(rèn)為是距地面0.5～1.5 m左右，即人口鼻處相對(duì)于腳底高度，由于打磨操作特殊性，作業(yè)人員需要長(zhǎng)時(shí)間適當(dāng)彎腰操作，所以呼吸帶最大高度需要適當(dāng)降低，以距臺(tái)面高度0.6 m(距地面1.4 m)作為人的呼吸帶高度。不同K值時(shí)，粉塵源正上方呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度沿程變化如圖5所示。

圖5 不同K值時(shí)粉塵濃度分布Fig.5 Dust concentration change regularities under different the K values

由圖5可知：在呼吸帶高度，隨著K值不斷增大，粉塵濃度整體會(huì)呈現(xiàn)先減小后增加的變化規(guī)律，在K=1.67時(shí)，粉塵濃度達(dá)到了最小值，即此時(shí)的風(fēng)量分配為臺(tái)面圓孔排風(fēng)量1 250 m3·h-1，壁面條縫口排風(fēng)量750 m3·h-1。

2.3 粉塵最大濃度與總排風(fēng)量的關(guān)系

組合式通風(fēng)打磨臺(tái)配風(fēng)比一定(K=1.67)，總排風(fēng)量(Q)不同時(shí)，粉塵源中心豎直向上粉塵質(zhì)量濃度沿程變化如圖6所示，最大粉塵濃度隨總排風(fēng)量的變化規(guī)律如圖7所示。

圖6 距臺(tái)面不同高度粉塵濃度的變化Fig.6 The change of dust concentration different height from the work surface

圖7 最大粉塵濃度隨排風(fēng)量的變化Fig.7 The change of maximum dust concentration with exhaust air rate

由圖6和圖7可知：粉塵最大濃度出現(xiàn)在距臺(tái)面高度h=0.15 m附近，與總排風(fēng)量大小無關(guān)，隨著總排風(fēng)量減小，粉塵主要聚集高度范圍會(huì)以距臺(tái)面0.15 m為中心逐漸擴(kuò)大。在配風(fēng)比一定時(shí)(K=1.67)，打磨臺(tái)的總排風(fēng)量越大，粉塵最大濃度越小，呈線性變化趨勢(shì)。

2.4 呼吸帶粉塵濃度與總排風(fēng)量的關(guān)系

組合式通風(fēng)打磨臺(tái)不同總排風(fēng)量時(shí)，粉塵源正上方呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度沿程變化如圖8所示。

圖8 不同總排風(fēng)量時(shí)呼吸帶粉塵濃度分布Fig.8 Dust concentration change regularities of breathing zone under different total exhaust air

由圖8可知：總排風(fēng)量從2 000 m3·h-1開始逐漸減小的過程中，呼吸帶粉塵濃度呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)，當(dāng)總排風(fēng)量Q=1 850 m3·h-1時(shí)，呼吸帶粉塵濃度達(dá)到最低。

2.5 結(jié)果分析

模擬結(jié)果中，粉塵源中心豎直向上粉塵質(zhì)量濃度沿程變化顯示，粉塵最大濃度出現(xiàn)的位置與打磨臺(tái)通風(fēng)參數(shù)無關(guān)，且低于作業(yè)人員的呼吸帶位置。對(duì)于控制粉塵最大濃度和呼吸帶粉塵濃度，考慮的控制對(duì)象不同，為達(dá)到最佳的粉塵控制效果，則應(yīng)采取不同的通風(fēng)參數(shù)。

無論是粉塵濃度最大的位置，還是作業(yè)人員呼吸帶位置，控制點(diǎn)的排風(fēng)風(fēng)速是打磨臺(tái)下排風(fēng)和側(cè)排風(fēng)在控制點(diǎn)形成的排風(fēng)風(fēng)流的矢量和。配風(fēng)比K值發(fā)生變化時(shí)(總排風(fēng)量不變)，控制點(diǎn)的風(fēng)速大小發(fā)生變化，且風(fēng)流方向與垂直線的夾角也會(huì)發(fā)生變化，就造成了不同配風(fēng)比時(shí)的控制點(diǎn)排風(fēng)流的除塵效果不同。本文通過對(duì)不同K值條件下的通風(fēng)除塵工況進(jìn)行數(shù)值模擬，找到最佳的K值，使得粉塵濃度滿足國(guó)家規(guī)定的安全限值，且濃度值最小。

打磨臺(tái)下排風(fēng)會(huì)加劇重力作用對(duì)打磨金屬粉塵的沉降，在加速粉塵沉降方面的作用明顯大于側(cè)排風(fēng)產(chǎn)生的降塵效果，側(cè)排風(fēng)主要是起到改變并控制粉塵沉降路徑的作用，使得粉塵沿著遠(yuǎn)離作業(yè)人員的方向，即向打磨臺(tái)內(nèi)側(cè)沉降，將粉塵污染范圍控制在一定區(qū)域，從而大幅度降低了作業(yè)者呼吸帶位置(口鼻處)的粉塵濃度，能夠更好地保護(hù)作業(yè)人員的職業(yè)健康。

3 數(shù)值模擬結(jié)果的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證FLUENT模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇實(shí)際應(yīng)用中未進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化時(shí)(總排風(fēng)量2 000 m3/h，K=2)，進(jìn)行粉塵濃度的實(shí)際測(cè)量。根據(jù)GBZ/T 192.1—2007《工作場(chǎng)所空氣中粉塵測(cè)定》及相關(guān)文獻(xiàn)中粉塵采樣點(diǎn)布置方法，在固定打磨場(chǎng)所布置粉塵質(zhì)量濃度測(cè)點(diǎn)，取粉塵源上方呼吸帶高度水平方向和粉塵源豎直向上2條測(cè)點(diǎn)線，按照一定間距各布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)。采用濾膜采樣器對(duì)粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均進(jìn)行不少于3次的數(shù)據(jù)測(cè)定，并取平均值，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖9所示。

由圖9可知：數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果在粉塵濃度曲線走向、波峰數(shù)目及其位置基本一致，數(shù)值誤差在10%以內(nèi)，采用數(shù)值模擬的方法研究組合式通風(fēng)打磨臺(tái)最佳通風(fēng)參數(shù)是可行的，能夠反映一般規(guī)律。無論是水平還是豎直方向，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的粉塵濃度都會(huì)略高于數(shù)值模擬的結(jié)果，這主要是由于現(xiàn)場(chǎng)有操作者站在臺(tái)面前進(jìn)行打磨作業(yè)，對(duì)空間風(fēng)流斜向打磨臺(tái)里側(cè)流動(dòng)造成干擾，削弱了降塵效果導(dǎo)致的。

圖9 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)塵結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of numerical simulation and field respirable dust measurement

4 結(jié)論

1)打磨作業(yè)過程中，為控制空間內(nèi)粉塵最大濃度，應(yīng)采用配風(fēng)比K<3和較大的總排風(fēng)量。

2)以作業(yè)者呼吸帶高度粉塵質(zhì)量濃度為標(biāo)準(zhǔn)，采用配風(fēng)比K=1.67，總排風(fēng)量Q=1 850 m3·h-1時(shí)，通風(fēng)除塵效果最佳。

3)本文的研究建立在該種尺寸的打磨臺(tái)的基礎(chǔ)上，揭示了1種從粉塵最大濃度和呼吸帶粉塵濃度與風(fēng)量分配和總排風(fēng)量的關(guān)系出發(fā)，利用數(shù)值模擬的方法和手段，對(duì)組合式通風(fēng)打磨臺(tái)進(jìn)行通風(fēng)除塵系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的方法思路，對(duì)所有組合式通風(fēng)打磨臺(tái)的參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。