鑄造車間打磨區污染物擴散模擬分析

李 陽 王振京

(中國船舶重工集團國際工程有限公司，北京 100024)

1 概述

鑄造車間鑄件人工打磨區的除塵問題一直是困擾鑄造廠運行的一個較為突出的問題，為滿足零部件打磨需求，在打磨區域內，打磨工人采用電動角磨機、切割機或氣動角磨機切割機打磨工件或切割工件。在打磨和切割時，會產生大量粉塵，造成工人的工作環境極端惡劣。研究表明，由粉塵誘發的疾病主要是呼吸道疾病，其中以塵肺病患病率較高，同時也會增加肺部惡性腫瘤的發病率[1]。因此，進行粉塵治理，保障工人的身體健康刻不容緩。

鑄造車間鑄造用的主要原材料是樹脂砂，則擴散在空氣中的粉塵主要成分是游離態的二氧化硅。在鑄造行業，粉塵中平均游離態二氧化硅的含量最低約為17%，最高約為34%，即游離態二氧化硅含量在10%～50%的區間范圍內。據GB Z2.1—2019工業場所有害因素職業接觸限值 第1部分：化學有害因素[2]中的規定：工作場所空氣中粉塵職業接觸限值表中列出的各種粉塵(石棉纖維塵除外)，凡游離SiO2不低于10%者，均按矽塵職業接觸限值對待。矽塵(10%≤游離SiO2≤50%)的時間加權平均濃度PC-TWA(總塵)應不大于1 mg/m3。

2 側壁回風整體除塵系統氣流組織形式及研究方法

氣流組織又稱空氣分布，是對氣流流動的方向和速度以及分布的均勻性進行組織[3]。側壁回風整體除塵系統著眼于污染源的有效控制，類似于一個“密閉罩”，將污染源密閉地罩于打磨間內，并根據通風工況組織局部氣流來控制懸浮粉塵流向，從而達到排除粉塵的目的。打磨間采用側補風側排風的氣流組織，在排除粉塵的同時，降低人員工作區域的粉塵濃度。工作時，補風從打磨間側面的門洞進入，含塵空氣由打磨間側下部的排風口排出，經除塵器過濾達標后，排至大氣。

目前研究氣流組織常用的方法主要有四種：傳統的射流公式法、模型實驗方法、區域方法和CFD模擬方法[4]。相比于其他三種方法，CFD模擬方法具有成本低、速度快、數據可靠完備且可模擬不同工況的特點，故本文選擇通過CFD模擬方法對打磨間氣流組織與污染物的擴散分布進行模擬及分析。

3 打磨除塵仿真模擬

3.1 數值模型

本研究采用高精度CFD模擬方法，可以得出精度較高的氣流組織與污染物的擴散分布。在本研究的數值模型中，氣流模擬采用最為常用的穩態標準k-epsilon模型，溫度模型采用布西涅斯克假設，標量場(污染物)采用滑移通量模型。通用控制方程形式為：

其中，φ為通用變量，可以指代風速u、湍流強度k、湍流耗散度ε與污染物濃度C；x為空間位置坐標；Γφ為對應變量的擴散系數；Sφ為對應變量的源項。

所有控制方程采用上風差分格式，并采用SIMPLER解法求解。建模與求解計算過程均使用PHOENICS軟件。

3.2 體型參數與邊界條件

如圖1所示，大方框表示模擬采用的計算域，即打磨間邊界，尺寸為5 m×4 m×3 m。具體體型參數與邊界條件見表1。

表1 打磨間模型體型參數與邊界條件

3.3 模擬結果

3.3.1風場

圖2為打磨間中心處x方向(x=2.5 m)垂直截面速度矢量分布。可以看到流場一致性很好，僅在打磨件的尾流區存在渦流，其他位置的流動均為很均勻的從右至左的氣流場，平均風速約為1 m/s，直至接近排風百葉處時流場向下收縮并加速至2 m/s以上，最終排出室外。打磨件熱量產生的浮升力有限，對整個流場的影響并不明顯。

圖3為距離地面高度0.5 m(z=0.5 m)處水平截面速度矢量分布，高度位于排風百葉的中心位置。圖中可以看到氣流從門洞進入后，逐漸擴散放寬至房間寬度，然后保持十分均勻的流動直至遇到打磨件，在打磨件的阻礙下再產生尾流區，但很快又恢復了均勻的流動，最終經排風百葉流出室外。

總體而言，從風場的角度，進風口(門洞)與排風口相對布置，并且風量足夠，所以在室內形成了“活塞流”。此種流動方向一致性好，污染物直接被排出，不容易擴散，是非常好的通風方式。

3.3.2溫度場

圖4為打磨間中心處x方向(x=2.5 m)垂直截面溫度分布。可以看到80 ℃的污染物釋放出之后，由于與周圍氣體摻混，很快降低至40 ℃以下，并集中于尾流區內。由于室內風速較大，浮升力不明顯，溫度也隨著氣體進一步的摻混迅速下降至30 ℃左右，經由排風百葉排出。

圖5為距離地面高度0.5 m(z=0.5 m)處水平截面溫度分布。從這個角度可以清晰地看到“活塞流”對熱氣流的影響，由于氣流方向很一致，熱氣體僅向打磨件下風向擴散，而且由于尾流區渦流加強了熱氣流與周圍冷氣流的摻混過程，氣體溫度下降得很快，到達排風口處時已經下降至30 ℃左右。

3.3.3污染物濃度場

由于本模擬研究主要關注的是將車間內污染物的實際濃度水平，因此模擬中需要采用絕對濃度的計算方法，根據實際污染物釋放的估算結果，假設污染物從打磨件表面均一地釋放出40.0 mg/s的污染物。

圖6，圖7分別為打磨間中心處x方向(x=3.5 m)垂直截面和z方向(z=0.5 m)水平截面的污染物濃度分布。由于污染源與熱源高度一致，可以觀察到污染物的濃度分布與氣體溫度的分布很相似，同樣可以觀察到相似的運動規律，即污染物高濃度區域集中于尾流區。

圖8分別為污染物30 mg/m3平均濃度的等濃度面。由此可以看出30 mg/m3濃度以上的污染物范圍被限制在直徑2 m的區域之內，而且主要集中于打磨件的尾流區。打磨件的迎風面由于受到了來流風的直接影響，正面僅有小部分面積濃度超過了30 mg/m3。另外，從圖6中可以看出，進入排風口的污染物濃度均低于30 mg/m3。

圖9顯示了從空間中若干微氣團的運動軌跡。軌跡的顏色代表了微氣團的運行時間，淺黑色代表剛釋放，深灰色代表運動軌跡末尾。從這張流線圖中，可以看出室內空氣運動較為簡單，主要可以分為兩種：一種是兩側未受打磨件干擾的氣流，沒有任何渦流，幾乎是直接由進風口運動至排風口排出；另一種受到打磨件干擾的氣流運動軌跡稍復雜，首先是繞過打磨件，然后在打磨件的尾流區的渦流內滯留，之后經由排風口排出。圖9中微氣團的運動極有規律，流線幾乎平行，是非常有利于污染物控制的流場。

另外，在人呼吸高度1.5處，室內平均濃度為0.55 mg/m3，且超過1 mg/m3范圍僅有打磨件下風向的小區域內。

4 結語

本研究采用CFD數值模擬的方法計算了打磨間污染物擴散的情況，對給定的送排風條件下的風場、溫度場與污染物擴散狀況進行了深入的分析，得出以下結論：

進風口(門洞)與排風口相對布置，并且風量足夠，所以在室內形成了“活塞流”。此種流動方向一致性好，污染物直接被排出，不容易擴散，是非常好的通風方式。

高溫氣體和污染物被限制于打磨件尾流區內的很小的區域內，沒有向外部擴散，從而保證絕大部分人員工作區域的舒適性與空氣品質可以達到標準。