多跨廠房內跨電焊煙吹吸式通風預測模型研究

劉宇宏 沈恒根

東華大學環境科學與工程學院

0 引言

吹吸式通風是利用吹吸罩形成的復合氣流[1]以進行冷熱空氣分區，捕集和排除污染氣體或煙氣等目的通風方式，具有風量小，污染控制效果好，抗干擾能力強的特點[2]，適用于存在工藝限制及污染源與吸氣罩距離較遠的場合[3]，應用于空間高、跨度大、各跨之間開放連通的多跨廠房中，可對其內跨電焊煙進行有效捕集和控制。

捕集效率可作為吹吸式通風系統的效果評價指標，其影響因素一般包括吹、吸風口高度，安裝高度，風速以及污染物上升速度[4]。目前，吹吸式通風系統優化設計的研究方法主要包括實驗法和數值模擬法，但出于對時間和成本的考慮，以往的研究中更多的是對假定的單一或少數幾個模型進行研究，在實際工程中應用時多有局限。數值模擬法具有重復性好、后處理功能強大的特點，因此，本文提出將數值模擬法，正交試驗法及多元線性回歸預測法相結合，合理降低建模次數，基于正交試驗結果建立捕集效率為目標函數，其主要影響因素為自變量的多元線性回歸預測模型，為實際工程中吹吸式通風系統的優化設計提供了思路和參考。

1 模型的建立

1.1 物理模型

本文選取某機械加工聯合作業廠房為研究對象，尺寸103 m×150 m×16 m，沿寬度方向分為5 跨，每跨30 m。廠房南面設推拉側窗19 扇，西、東兩面每跨設推拉側窗4 扇及門1 扇，側窗均為推拉窗且距地面1.2 m。寬60 m、120 m 處廠房頂部設有天窗2 扇。廠房四面距地面12.5 m 設置采光帶（不可開啟）。作業時車間開啟各側窗及天窗進行自然通風，大門不常開啟。廠房示意圖如圖1。側窗及天窗尺寸見表1。

圖1 廠房示意圖

表1 自然通風側窗及天窗尺寸

焊接車間位于廠房第3 跨，如圖1 所示，布置有4處點焊及15 處自動焊接操作臺，所使用焊材產煙量為8 g/kg，工廠為八小時工作制。各操作臺焊機功率及產煙量等參數見表2。

表2 各操作臺焊機功率及產煙量

基于速度控制法，對吹吸式通風的各參數進行了計算，確定的通風參數為：

1）吹風口尺寸1200 mm×300 mm，風速8 m/s；

2）吸風口尺寸1500 mm×800 mm，風速10 m/s；

3）吹、吸風口各40 個。

物理模型是在對實際模型進行簡化的基礎上建立起來的，簡化后的系統模型不但能準確體現系統的主要參數，而且可以較大程度的節約計算時間。因此，在本文建立物理模型時做出以下簡化和設置：

1）忽略廠房內鋼結構等對氣流的影響，將廠房模型簡化為一長方體，其中長度為X 方向，高度為Y 方向，寬度為Z 方向。

2）廠房側窗為開啟率為0.5 的推拉窗，故將其側墻通風口的數量減少為原有側窗數量的1/2。迎風面窗、吹吸風口設置為速度入口，背風面窗設置為壓力出口。廠房屋面天窗簡化為壓力出口。

3）室外大氣壓力設為標準大氣壓力101325 Pa，室外環境溫度及室內初始溫度取當地夏季室外通風計算溫度30.5 ℃，風速2.6 m/s，方向南偏東45°。

4）各焊接操作臺按照表2 中的焊機功率和產煙量，于地面上0.7 m 處設置熱源和塵源。焊接產生的煙塵是一種混合物，按照其成分[5]折算為一種物質A。

建立的物理模型如圖2 所示。

圖2 廠房局部通風物理模型

1.2 湍流模型

本文所使用的模擬軟件中提供了零方程、室內零方程、標準雙方程及RNG 雙方程四種湍流模型。室內零方程是為研究室內空氣流動發展而來，是在室內空氣自然對流和混合對流的直接數值模擬DNS 結果的基礎上提出的湍流模型[6]，對于自然通風、強制對流、混合送風及置換通風等室內空氣湍流流動的預測則有著令人滿意的效果，且計算時更具經濟性。本文研究對象為有熱源的工業廠房，考慮到適用性和計算的經濟性，本文采用室內零方程模型進行數值計算。

室內零方程使用以下關系式來計算湍動粘度：

式中：v 為當地粘度，m2/s；ρ 為流體密度，kg/m3；L 為到最近墻壁的距離，m；0.03847 為經驗系數。

1.3 模型可靠性驗證

為證明本文物理模型與數值計算模型的可靠性，首先使用本文使用的的建模方法對文獻[7]中測試條件下焊接車間的通風進行模擬，并與文獻中通過實驗測得的電焊煙濃度進行對比，如表3 所示。

表3 采樣點電焊煙濃度的實測值和模擬值

通過對比可以看出，各測點模擬值均略小于實測值，總體的誤差在6.75%。這是由于實驗是在焊接廠房作業中測得的，由于長時間作業，電焊煙可能有一定程度的累積，致使煙塵濃度有初值，導致實驗結果偏大。此外，CFD 模擬所采用的物理模型進行了一定程度的簡化，與實際存在一定差異。但總體上來看，模擬值與實測值是基本吻合的，從而驗證了本文采用的建模方法及計算模型的可靠性。

2 正交模擬試驗及結果

2.1 正交試驗設計

由于本文研究對象在生產過程中產生電焊煙的上升速度vs是一個固定值，本文選用七因素三水平正交表進行18 組工況的正交模擬試驗，并將空白列作為誤差列以作誤差分析。本試驗不考慮各因素之間的相互影響，即忽略因素水平之間的交互作用。因素及水平的設置見表4。

表4 因素水平表

2.2 正交試驗結果

經CFD 模擬計算及結果處理，18 組工況的捕集效率η 如表5 所示。吹吸式通風系統的捕集效率的計算公式為：

式中：cc為各吸風口處電焊煙的平均濃度，mg/m3；c0為電焊煙在環境中的初始濃度，本研究中計為0 mg/m3；Vc為系統吸風量，m3；ms為污染源散發電焊煙量，mg/s。

表5 正交模擬試驗結果

局部通風各影響因素的極差分析表如表6 所示。根據表6 中對各因素進行的極差分析，可以看出，在以上18 組試驗所考察的范圍內，A～F 這6 個因素的優水平分別為水平1、水平3、水平2、水平1、水平1 及水平3，各因素的重要程度由大到小的排序為F ＞B ＞A ＞D＞E ＞C。

表6 極差分析表

為了更直觀地反映各影響因素對捕集效率η 的影響規律和趨勢，用因素的水平做橫坐標，試驗指標的平均值（Kj）作為縱坐標，畫出因素與指標的關系圖，如圖3 所示。

圖3 各因素對電焊煙捕集效率的影響趨勢

本次試驗的評價指標是捕集效率η，指標的數值越大，說明該種工況的氣流組織越好，則各因素水平對應較高指標的組合應被視為最優方案。從圖3 可以看出，就吹吸式通風對電焊煙的捕集效率來說，指標較好的因素水平組合為A1B3C2D1E1F3。

3 多元線性回歸預測分析

3.1 預測模型建立

根據正交模擬試驗所得出的結果，利用IBM SPSS Statistic 19 對試驗結果進行回歸分析。得到以吹吸式局部通風捕集效率η 為目標函數，以A，B，F 為影響因素的多元線性回歸擬合預測公式為如下：

式中：200 mm＜b1＜400 mm；700 mm＜b2＜900 mm；8 m/s＜v2＜12 m/s。

3.2 預測模型驗證

3.2.1 捕集效率預測值與正交試驗值對比

根據預測模型計算出捕集效率對比正交試驗結果，得到如表7 所示的結果。從表7 可以得到，預測模型計算得出的結果與試驗值的平均誤差為7%，因此預測值與模擬實驗結果有較好的一致性。

表7 捕集效率預測值與試驗值對比

3.2.2 最優方案通風參數下捕集效率預測值與模擬值的對比

對正交試驗極差分析得到的最優方案進行模擬，觀察在該方案下吹吸式通風對于電焊煙的捕集效率η是否達到了最佳效果。該方案通風參數為：吹風口安裝高度h1=6 m，吸風口安裝高度h2=4 m，吹風口高度b1=200 mm，吸風口高度b2=800 mm，吹風口風速v1=8 m/s，吸風口風速v2=12 m/s。經模擬計算，吸風口處電焊煙濃度如圖4，經計算捕集效率η 為99.98%。在此通風參數條件下，利用預測模型計算捕集效率η 為110%，二者誤差僅為10.02%，故認為得到的捕集效率預測模型能對該吹吸式通風系統的電焊煙捕集效率進行有效預測。

圖4 最優方案吸風口處電焊煙濃度分布

4 結論

1）對正交模擬試驗結果作多元線性回歸分析，得到了正交試驗范圍內，以捕集效率η 為目標函數，其主要影響因素吹風口高度b1，吸風口高度b2，吸風口速度v2為自變量的通風預測模型為η=0.046×v2+0.001×b2-0.001×b1-0.052。

2）經對比，正交試驗各工況捕集效率預測值與試驗結果的平均誤差為7%，正交試驗得到的最優方案通風參數下捕集效率預測值與模擬值之間的誤差為10.02%，驗證了該預測模型的可靠性。

3）本文將數值模擬法，正交試驗法及多元線性回歸法相結合，合理降低了建模次數，建立了多跨廠房內跨電焊煙吹吸式通風預測模型，為實際工程中吹吸式通風系統的優化設計提供思路和參考。