賈圣孔，田 宏，朱家鑫，王成龍 （沈陽(yáng)航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110136）

0 引言

涂裝是將涂料涂覆于基底表面形成具有防護(hù)、裝飾或特定功能涂層的過(guò)程，其中使用最多的方式是噴涂[1］。在噴漆過(guò)程中部分溶劑會(huì)揮發(fā)出來(lái)，隨著氣流流動(dòng)，即便VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）濃度較低，長(zhǎng)期接觸仍會(huì)對(duì)人體的皮膚、呼吸系統(tǒng)以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的傷害[2-4］。職業(yè)衛(wèi)生調(diào)查表明，噴漆室內(nèi)涂裝作業(yè)普遍存在VOC濃度超標(biāo)的現(xiàn)象，特別是在通風(fēng)不暢的情況下超標(biāo)現(xiàn)象更為嚴(yán)重[5-6］。

開(kāi)放式噴漆室具有構(gòu)造簡(jiǎn)單，安裝方便靈活，費(fèi)用便宜以及能耗較低等特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)一些企業(yè)開(kāi)始逐漸采用開(kāi)放式噴漆室。開(kāi)放式噴漆室由于一端開(kāi)放及進(jìn)風(fēng)口是確定的，使用機(jī)械排風(fēng)來(lái)排除室內(nèi)的VOC時(shí)，其排風(fēng)方式就顯得十分重要。為了驗(yàn)證不同的通風(fēng)方式對(duì)噴漆室內(nèi)VOC含量的影響，本研究以某型號(hào)開(kāi)放式噴漆室為實(shí)例，對(duì)其一側(cè)排風(fēng)（分為有利工況與不利工況）、直線式排風(fēng)以及兩側(cè)排風(fēng)3種通風(fēng)方式在不同的換氣次數(shù)下，采用計(jì)算流體力學(xué)的方法來(lái)模擬其通風(fēng)效果，以便優(yōu)化其通風(fēng)方式。

1 開(kāi)放式噴漆室的結(jié)構(gòu)

以美國(guó)Marathon開(kāi)放式噴漆室（用于汽車維修涂裝）為研究實(shí)例，噴漆室規(guī)格為6.4 m×5.5 m×3.4 m，內(nèi)部建有汽車與人體模型，盡可能貼近現(xiàn)實(shí)中噴漆室內(nèi)部物體布置，以保證模擬條件與實(shí)際相符。第1種模擬方式為一側(cè)式排風(fēng)方式，即從開(kāi)口（5.5 m×3.4 m）自然進(jìn)風(fēng)，有利工況從前側(cè)條形排風(fēng)口（5 m×0.5 m）排風(fēng)，不利工況從后側(cè)條形排風(fēng)口（5 m×0.5 m）排風(fēng)；第2種模擬方式為直線式排風(fēng)方式，即采用從開(kāi)口自然進(jìn)風(fēng)，對(duì)側(cè)條形排風(fēng)口（5 m×0.5 m）排風(fēng)；第3種模擬方式為兩側(cè)式排風(fēng)方式，即從開(kāi)口自然進(jìn)風(fēng)，兩側(cè)（各為5 m×0.25 m）條形排風(fēng)口排風(fēng)，見(jiàn)圖1。

圖1 開(kāi)放式噴漆室結(jié)構(gòu)圖以及3種模擬通風(fēng)方式Figure 1 Structure diagram of open spray booth and three simulated ventilation methods

噴漆槍口直徑為1.6 mm，處于人體模型前方0.7 m處。在涂裝作業(yè)中，從噴槍口噴出的漆霧是室體內(nèi)部VOC的主要來(lái)源，油漆中的樹(shù)脂、溶劑、助劑等都含有固定的配比，通過(guò)比例即可計(jì)算出漆霧中的VOC含量[7］。為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，本研究假定噴漆室內(nèi)的VOC均為從噴槍口流向室內(nèi)，并以用甲苯作為研究對(duì)象來(lái)進(jìn)行模擬，即假定從噴槍口噴向室內(nèi)的全部為甲苯。

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 控制方程與計(jì)算模型選擇

噴漆室內(nèi)部氣流組織涉及到多種氣體的流動(dòng)，但相互之間并不涉及到化學(xué)反應(yīng)，因此采用不開(kāi)化學(xué)反應(yīng)的組分輸運(yùn)模型，該模型可通過(guò)計(jì)算不同組分的對(duì)流、擴(kuò)散及反應(yīng)源的守恒方程來(lái)模擬化學(xué)組分的混合與輸運(yùn)[8］，適用于計(jì)算噴漆室內(nèi)各種氣流組織的流動(dòng)情況。噴漆室內(nèi)的流動(dòng)控制方程包括連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒方程）[9］、動(dòng)量方程[10］、組分輸運(yùn)模型[11-12］以及可實(shí)現(xiàn)k-ε湍流模型[13-14］。

連續(xù)性方程：

式中：ρ—密度，kg/m3；t—時(shí)間，s；u—各方向上的速度，m/s。

動(dòng)量方程：

式中：p—靜壓，Pa；τij—應(yīng)力張量，Pa；gi— 方向上的重力加速度，m/s2；Fi—外部體積力，N/m3。

組分輸運(yùn)模型：

式中：Yi—第i個(gè)組分的局部質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Di—第i個(gè)組分的擴(kuò)散系數(shù)，m/s2；Si—源相，kg/（s·m3）；Ri—化學(xué)反應(yīng)中生成物組分i的凈生成率，kg/（s·m3），本研究中由于不考慮氣體之間的化學(xué)反應(yīng)，因此Si和Ri取值為0[15］。Sct為湍流施密特?cái)?shù)，Sct=μ/ρDi，其中，μ為湍流黏度，Pa·s。

可實(shí)現(xiàn)k-ε模型：

式中：k—湍流動(dòng)能，m2/s3；ε—湍流耗散率，m2/s3；μt—湍流黏性系數(shù)，Pa·s；σk與σε是k和ε傳輸方程的普朗特?cái)?shù)，分別取1.0與1.2，S—應(yīng)變速率，s-1；C2=1.9。

2.2 網(wǎng)格及定解條件

由于噴槍口直徑較小，因此在槍口附近進(jìn)行網(wǎng)格加密，并逐步以1.2的增長(zhǎng)率增大網(wǎng)格尺寸，同時(shí)對(duì)流場(chǎng)梯度較大位置，如進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口同樣使用網(wǎng)格加密，在其他的變化比較緩慢的區(qū)域，使用較為稀疏的網(wǎng)格。

噴漆室內(nèi)部流場(chǎng)可以視為穩(wěn)定的不可壓縮的湍流流動(dòng)，在計(jì)算域中將送風(fēng)口設(shè)定為壓力入口；將噴槍口設(shè)定為質(zhì)量流量入口，質(zhì)量流率為0.001 kg/s；將排風(fēng)口設(shè)定為速度入口，由于系統(tǒng)默認(rèn)速度方向指向計(jì)算域，因此在設(shè)定時(shí)要在速度前面加一個(gè)負(fù)號(hào)來(lái)調(diào)整混合空氣的方向；對(duì)于圖1中其他未指定的邊界，均設(shè)定為壁面邊界，并且認(rèn)為光滑無(wú)滑移。在計(jì)算過(guò)程中不涉及溫度的變化，即默認(rèn)為噴漆室內(nèi)溫度恒定。

在仿真計(jì)算過(guò)程中，采用雙精度的分離隱式算法求解器，壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法，方程組的離散格式采用二階迎風(fēng)格式，時(shí)間離散格式采用二階隱式格式，計(jì)算結(jié)果中變量殘差均降至1×10-4以下。

3 網(wǎng)格驗(yàn)證及仿真設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

計(jì)算前需要排除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響，為此采用網(wǎng)格劃分工具來(lái)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于邊界中的壓力入口、質(zhì)量流量入口以及速度入口進(jìn)行網(wǎng)格加密。根據(jù)噴漆室的實(shí)際情況，采用直線式60次/h的換氣次數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格驗(yàn)證。分別劃分了103萬(wàn)、172萬(wàn)以及424萬(wàn)3種不同數(shù)量的網(wǎng)格。并選用噴漆室內(nèi)從坐標(biāo)（5.7，2.75，0）到（5.7，2.75，3.4）這一條線上的速度分布情況來(lái)判斷網(wǎng)格的獨(dú)立性，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，3種網(wǎng)格之間的差別并不大，尤其是172萬(wàn)與424萬(wàn)網(wǎng)格之間的差距更小，但考慮到計(jì)算時(shí)間的問(wèn)題，選用網(wǎng)格數(shù)為172萬(wàn)的劃分方式較為合理。

圖2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證Figure 2 Grid independence verification

3.2 模擬方案

針對(duì)一側(cè)式（分為有利工況與不利工況，其中：有利工況為噴槍口與排風(fēng)口位于一側(cè)；不利工況為排風(fēng)口位于噴槍口的對(duì)側(cè)）、直線式以及兩側(cè)式3種通風(fēng)方式，分別進(jìn)行了60次/h、70次/h以及80次/h各3種換氣次數(shù)的模擬，共計(jì)12種工況。具體如表1所示。

表1 模擬工況Table 1 Simulated working conditions

針對(duì)上述12種工況的模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，選用瞬時(shí)捕集效率[15-16］與排污效率[17］作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中瞬時(shí)捕集效率為在t時(shí)刻排風(fēng)口處排出的VOC氣體與噴槍口處的VOC散發(fā)量的質(zhì)量流量之比，即

排污效率（η）為排風(fēng)口處污染物濃度（Ce）和進(jìn)風(fēng)口處污染物濃度（Co）之差與室內(nèi)平均污染物濃度（Cz）和進(jìn)風(fēng)口污染物濃度（C0）之差的比值，等式如下：

因進(jìn)風(fēng)口處為從室外吸入的空氣，幾乎不含污染物，因此可以認(rèn)為C0為0，由此，上式可化簡(jiǎn)為η=Ce/Cz。一般情況下，排風(fēng)口處的污染物濃度總是要比室內(nèi)的平均污染物濃度高，所以排污效率的值總是要大于或等于1[18］。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 流體域濃度場(chǎng)變化

非穩(wěn)模擬結(jié)束后，采用后處理軟件將計(jì)算結(jié)果繪制成圖，圖3為工況1（直線式60次/h）條件下，zx面上y=1.75 m以及yz面上x(chóng)=1.7 m處的VOC濃度隨時(shí)間變化的情況。

圖3 y=1.75 m和x=1.7 m處VOC濃度隨時(shí)間的變化情況Figure 3 VOC concentration distribution various with time at y=1.75 m and x=1.7 m

由圖3可知，從開(kāi)始噴漆到濃度場(chǎng)趨向于穩(wěn)定階段，由于VOC普遍密度大于空氣，同時(shí)受到從左向右的氣流組織的影響，所以VOC氣體的流動(dòng)形式為一種不斷向前、向下流動(dòng)的形式。經(jīng)過(guò)計(jì)算，1 s時(shí)，涂裝剛開(kāi)始階段，此時(shí)噴漆室內(nèi)的VOC的平均物質(zhì)的量的濃度僅為1.18×10-8mol/m3，濃度極低。10 s、20 s時(shí)，還處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，噴漆室內(nèi)VOC的含量不斷上升，同時(shí)在此階段噴漆室內(nèi)部的氣流組織也在不斷成型，VOC開(kāi)始跟隨運(yùn)動(dòng)的空氣流向噴漆室右側(cè)的出口處。從50 s前后一直到300 s，VOC濃度開(kāi)始以較為緩慢的速率增長(zhǎng)，在圖中的表現(xiàn)即為50 s時(shí)的VOC濃度分布與300 s時(shí)的濃度分布變化不大，同時(shí)這也表示氣流組織已經(jīng)基本成型，已在噴漆室內(nèi)形成了氣流通路。時(shí)間達(dá)到300 s時(shí)，噴漆室內(nèi)的VOC的平均物質(zhì)的量的濃度為3.92×10-6mol/m3，涂裝過(guò)程中VOC氣體多數(shù)處于1.3 m的高度之下，由于氣體離開(kāi)噴槍時(shí)具有較高的動(dòng)能，在遇到汽車涂裝面時(shí)，涂裝面上出現(xiàn)向各個(gè)方向?yàn)R射的現(xiàn)象，所以導(dǎo)致圖中圍繞涂裝面出現(xiàn)一圈高VOC濃度分布的現(xiàn)象。

4.2 流體域速度場(chǎng)變化

圖4為工況1（直線式60次/h）條件下，zx面上y=1.75 m以及yz面上x(chóng)=1.7 m處流體速度隨時(shí)間變化的情況。

圖4 y=1.75 m和x=1.7 m處各時(shí)間段的速度分布Figure 4 Velocity distribution various with time at y=1.75 m and x=1.7 m

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，噴漆室內(nèi)的速度場(chǎng)在50 s時(shí)已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定，氣流組織通路已經(jīng)形成，室體內(nèi)大部分區(qū)域的速度介于0.06 m/s與0.24 m/s之間。150 s與300 s時(shí)的速度場(chǎng)沒(méi)有明顯變化，室內(nèi)大部分區(qū)域的速度介于0.18 m/s與0.36 m/s之間，并且速度場(chǎng)從排風(fēng)口向送風(fēng)口呈現(xiàn)出環(huán)形層狀遞減的分布形式。

4.3 瞬時(shí)捕集效率對(duì)比

仿真求解過(guò)程中對(duì)各工況排風(fēng)口處以及槍口處從0～300 s全程的VOC流量隨時(shí)間的變化進(jìn)行了監(jiān)控，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，繪制瞬時(shí)捕集效率曲線圖，如圖5所示。

圖5 瞬時(shí)捕集效率圖Figure 5 Instantaneous capture efficiency

從圖5各工況的瞬時(shí)捕集效率曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的變化，各工況的瞬時(shí)捕集效率逐漸增大到一定值之后就趨于穩(wěn)定狀態(tài)。不同的工況瞬間捕集效率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間不同，總體而言，直線式通風(fēng)的瞬間捕集效率最早趨于穩(wěn)定狀態(tài)，一側(cè)式（有利工況）通風(fēng)次之，兩側(cè)式通風(fēng)再次之，一側(cè)式（不利工況）通風(fēng)最后趨于穩(wěn)定，這是四者之間形成不同的氣流通路所導(dǎo)致的。此外，相同的氣流組織形態(tài)下，通風(fēng)量越大，瞬時(shí)捕集效率趨向于穩(wěn)定的時(shí)間越短，這是由于換氣次數(shù)越多，噴漆室內(nèi)氣流組織流動(dòng)的速度就越快，那么相同時(shí)間內(nèi)通過(guò)的流量越大，所以單位時(shí)間內(nèi)排出室體外部的VOC的質(zhì)量就越大，從而其趨向于穩(wěn)定所需要的時(shí)間越短。

4.4 排污效率對(duì)比

室內(nèi)VOC平均物質(zhì)的量的濃度與排污效率如圖6、7所示。

圖6 室內(nèi)VOC平均物質(zhì)的量的濃度Figure 6 Average molar concentration of VOC

由室內(nèi)VOC平均物質(zhì)的量的濃度隨時(shí)間的變化曲線（圖6）可以看出，在70次/h與80次/h的換氣次數(shù)下，一側(cè)式（有利工況）通風(fēng)方式室內(nèi)VOC平均物質(zhì)的量的濃度最低，兩側(cè)式通風(fēng)較低，直線式通風(fēng)較高，一側(cè)式（不利工況）通風(fēng)最高。而在60次/h換氣次數(shù)下，兩側(cè)式通風(fēng)方式具有最低的室內(nèi)VOC平均物質(zhì)的量的濃度?？傮w而言，一側(cè)式（有利工況）通風(fēng)方式室內(nèi)VOC的平均物質(zhì)的量的濃度最低，兩側(cè)式通風(fēng)較低，直線式通風(fēng)較高，一側(cè)式（不利工況）通風(fēng)最高。這意味著在使用相同的能源來(lái)維持同一通風(fēng)量的情況下，一側(cè)式（有利工況）通風(fēng)要比其他3種通風(fēng)方式在相同時(shí)間內(nèi)排出更多的VOC，即一側(cè)式（有利工況）通風(fēng)方式對(duì)于能源的利用率最高。在同一種通風(fēng)方式下，增加通風(fēng)量可以進(jìn)一步降低室內(nèi)VOC的平均濃度，但是隨著通風(fēng)量的進(jìn)一步增加，VOC平均濃度的下降幅度在逐漸減小，即能源的利用率會(huì)逐漸降低，所以在通風(fēng)量不再是影響室內(nèi)VOC平均濃度的主要因素時(shí)，還應(yīng)考慮到其他因素的影響。

就排污效率（圖7）而言，由于受到成型氣流組織的影響，室內(nèi)的VOC均會(huì)流向排風(fēng)口，所以越靠近排風(fēng)口VOC的濃度越高，也就導(dǎo)致了排污效率的值≥1，且該值越高，排污效果越好。圖7中，一側(cè)式（有利工況）排風(fēng)要比其他3種排風(fēng)方式具有更高的排污效率，并且通風(fēng)量越大，排污效率越高，但是對(duì)于直線式、兩側(cè)式以及一側(cè)式（不利工況）通風(fēng)方式來(lái)講，排污效率變化不明顯，這是因?yàn)槿咝纬傻臍饬鹘M織較為穩(wěn)定，導(dǎo)致VOC分布比較均勻，所以室內(nèi)與出口處的VOC平均濃度相差不多，導(dǎo)致它們的比值比較接近，即排污效率變化不大。

圖7 排污效率Figure 7 Discharge efficiency

5 結(jié)語(yǔ)

本研究利用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)開(kāi)放式噴漆室的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了研究，分析了4種通風(fēng)方式的通風(fēng)效果，得出結(jié)論如下：

（1）直線式通風(fēng)方式噴漆室內(nèi)VOC濃度最早趨于穩(wěn)定，一側(cè)式（有利工況）通風(fēng)次之，兩側(cè)式通風(fēng)方式再次之，一側(cè)式（不利工況）最遲趨于穩(wěn)定。在同一通風(fēng)方式下，通風(fēng)量越大，瞬時(shí)捕集效率越快趨向于穩(wěn)定。

（2）在同一通風(fēng)量下，一側(cè)式（有利工況）通風(fēng)方式室內(nèi)VOC平均物質(zhì)的量的濃度處于較低水平，一側(cè)式（不利工況）通風(fēng)方式室內(nèi)VOC濃度最高，即一側(cè)式（有利工況）通風(fēng)方式對(duì)于能源的利用效率更高。在同一通風(fēng)方式下，通風(fēng)量越大，室內(nèi)VOC平均物質(zhì)的量的濃度越小，但通風(fēng)量的增加與室內(nèi)VOC平均物質(zhì)的量的濃度的下降并不呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。

（3）一側(cè)式（有利工況）通風(fēng)方式具有更高的排污效率，且通風(fēng)量越大，排污效率越高；其他3種通風(fēng)方式而言，由于室內(nèi)VOC的分布比較均勻，導(dǎo)致排污效率變化不大，但依舊符合上述規(guī)律。

（4）通過(guò)對(duì)各瞬時(shí)捕集效率、噴漆室內(nèi)VOC平均物質(zhì)的量的濃度以及排污效率的對(duì)比分析，一側(cè)式（有利工況）通風(fēng)方式雖然能夠更好地排除噴漆室內(nèi)的VOC氣體，但考慮到噴漆過(guò)程中噴槍口并不會(huì)一直位于有利于通風(fēng)的一側(cè)，因此兩側(cè)式噴漆方式對(duì)于能源的利用效率會(huì)更高。在此通風(fēng)方式下70次/h的通風(fēng)量最為合理。