基于凸形壁面的虛擬沖擊式呼吸性粉塵采樣器研究*

劉丹丹，黃鵬升，李德文，代英鵬，單 馳

(1.黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引言

呼吸性粉塵的空氣動力學直徑均小于7.07 μm，能沉積于肺泡，對人體危害較大。2020年我國職業性塵肺病新增14 367人，占全國新增職業病總人數的84.19%，因此，進行井下呼吸塵監測對保護人身安全十分重要[1-2]。國內外針對大氣顆粒物的研究主要集中于PM10/PM2.5方面，有關呼吸塵的研究相對較少[3-7]。為精確測量呼吸性粉塵濃度，需設計出滿足呼吸塵采樣的采樣器?；萘h[8]通過響應曲面原理對呼吸塵旋風分離器的結構進行尋優，得到該結構下的旋風分離器對呼吸塵的分離完全符合BMRC分離曲線標準，且在5.9 μm時，分離效率偏差為1.06%；謝雙[9]基于BMRC分離曲線設計虛擬沖擊式呼吸塵分離器，通過模擬對虛擬沖擊式分離器的不斷優化，得到該分離器的最大誤差為4.73%，最小誤差為0.88%；蔣靖坤等[10]針對現有商業化固定源PM2.5采樣器不足，設計1種固定源PM10/PM2.5雙極虛擬沖擊式分離器。本文利用文獻[9]中采樣器原型，提出1種基于虛擬沖擊原理的呼吸塵采樣器結構，對隔離主流和弱流通道的“平滑型”壁面進行變換，分為“凸型”、“凹型”。利用Ansys Fluent氣-固2相流模擬采樣器中的流場，計算模型中各粒徑的分離效能，并與BMRC曲線進行對比分析。

1 虛擬沖擊原理

傳統慣性沖擊分離器由粉塵噴射孔和沖擊板組成，沖擊板上附著黏性物質，利用顆粒物直接撞擊沖擊板捕捉粒徑較大的顆粒物。與傳統慣性沖擊分離采樣不同，虛擬沖擊式分離器采用收集腔代替沖擊板，利用不同粒徑顆粒物慣性進行分離。當含塵氣流進入虛擬沖擊分離器后，進入噴嘴氣流速度提高，高速氣流被分成2部分：一部分氣流發生變向，約占總氣流的90%，稱為主流；另一部分氣流直接由噴嘴進入到收集腔，約占總流的10%，稱為弱流。粒徑小的顆粒物慣性小，容易隨主流流動；粒徑大的顆粒物慣性大，容易隨弱流流動。因此，粒徑大顆粒物容易隨弱流進入收集腔，粒徑小的容易隨主流流出至下一級[11-16]。虛擬沖擊原理如圖1所示。

圖1 虛擬沖擊原理Fig.1 Schematic diagram of virtual impact

2 基于虛擬沖擊原理的呼吸塵采樣器設計

2.1 呼吸塵分離效能

分離效能指顆粒物進入分離器時，被捕捉到的特定粒徑顆粒與總顆粒比值。我國分離效能根據現行《呼吸性粉塵測量儀采樣效能測定方法》(MT 394—1995)[17]規定，呼吸塵分離效能曲線采用由英國醫學研究會制定的BMRC曲線，只要呼吸性粉塵采樣器在各個粒徑點的分離效能誤差小于5%則滿足我國標準。美國政府采用工業衛生協會制定的ACGIH標準曲線，歐盟則采用EN481標準曲線[18-19]。不同呼吸性粉塵分離效能曲線對比如圖2所示。

圖2 不同呼吸性粉塵分離效能曲線對比Fig.2 Comparison of different respirable dust separation efficiency curves

其中，BMRC曲線分離效能計算公式如式(1)所示：

(1)

式中：ηB為分離效能，%；x為呼吸塵的采樣粒徑，μm；d為顆粒粒徑，μm，本文d=7.07 μm。

在滿足BMRC曲線采樣規范時，分離效能計算如式(2)所示：

(2)

式中：x50為切割粒徑，x50=5 μm。

2.2 虛擬沖擊式采樣器的基本參數設計

切割效率為50%時的切割粒徑x50=5.0 μm，對應斯托克斯數Stk50，如式(3)所示：

(3)

式中：W為噴嘴直徑，mm；ρp為顆粒物密度，kg/m3；u為噴嘴噴出氣流速度，m/s；Cc為坎寧安修正因子，當顆粒物大于1 μm時，一般取1；μ為空氣的動力黏度，μ=1.8×10-5Pa·s。

噴出氣流速度u如式(4)所示：

(4)

式中：Q為入口總流量，L·min-1。

根據公式(1)～(4)確定采樣器流量Q和噴嘴直徑D0。理論與實驗結果表明，收集腔直徑D1約為D0的1.3～1.4倍；收集腔與噴嘴的距離S約為噴嘴直徑D0的1.2～1.8倍，基本參數見表1。虛擬沖擊式采樣器模型截面示意如圖3所示。

表1 虛擬沖擊式呼吸塵采樣器基本參數Table 1 Basic parameters of virtual impact respirable dust sampler

圖3 虛擬沖擊式呼吸塵采樣器模型截面示意Fig.3 Schematic diagram for model section of virtual impact respirable dust sampler

根據基本參數的設置，本文對隔離主流和弱流通道的“平滑型”壁面進行變換，包括“凸型”、“凹型”，虛擬沖擊式呼吸塵采樣器壁面形狀如圖4所示。以“平滑型”為例，得到虛擬沖擊式呼吸塵采樣器模型三維模型，如圖5所示。

圖4 虛擬沖擊式呼吸塵采樣器壁面形狀Fig.4 Wall shapes of virtual impact respirable dust sampler

圖5 虛擬沖擊式呼吸塵采樣器模型三維示意Fig.5 3D drawing of virtual impact respirable dust sampler model

3 模擬仿真

3.1 網格無關性驗證

網格劃分是進行模擬仿真時的重要步驟，理論上相同模型前提下，網格數量越多，即計算網格越小，計算精度越高。選擇合適的網格數量對提高仿真結果可靠性，減少仿真成本影響較大。選用所設計的虛擬沖擊采樣器的不同網格數量與噴嘴速度進行對比，結果見表2。

表2 網格無關性驗證Table 2 Grid independence verification

由表2可知，隨網格數量增加，速度最高偏差率為0.39%；在誤差±5%以內，為虛擬沖擊采樣器網格數量劃分提供參考。為節省仿真時間，最終網格數量為496 046，網格劃分如圖6所示。

圖6 虛擬沖擊式呼吸塵采樣器網格劃分Fig.6 Grid generation of virtual impact respirable dust sampler

3.2 計算方法及邊界條件

1)計算方法。由于虛擬沖擊式呼吸塵采樣器內部流體速度較小，故采用壓力基求解器，并采用雷諾應力(RSM)湍流模型、離散相模型(DPM)和隨機軌道模型(DRWM)，湍流流場采用SIMPLEC方式。由于呼吸性粉塵測量采樣標準標定實驗中熒光素銨中的體積分數遠小于10%，故可以忽略顆粒與顆粒、顆粒與氣相之間的作用。

2)邊界條件。虛擬沖擊式呼吸塵采樣器進口采用Velocity_inlet，主流和弱流均采用Outflow，其中主流流量權重為0.9，弱流流量權重為0.1，主流出口對于離散相設置為Trap，虛擬沖擊式呼吸塵采樣器壁面均設置為Wall，采用無滑移邊界條件，離散相設置為Reflect。采樣時間為10 min，采樣流量為2.375 L/min-1，空氣密度為1.225 kg/m3，黏度為1.8×10-5Pa·s，采樣顆粒密度為1 500 kg/m3，粉塵濃度為200 mg/m3，入口顆粒速度為2.5 m/s。粉塵顆粒分散度由1～7.1 μm按Rosin-Rammler分布。

4 結果分析

在建立虛擬沖擊式采樣器模型和網格劃分后，對BMRC曲線中對應各顆粒物粒徑進行模擬仿真，追蹤各粒徑顆粒物由進氣口射入和出口捕捉的數量，得到分離效能。仿真得到的3種虛擬沖擊式采樣器模型的分離效能與BMRC曲線的分離效能對應值比較見表3，分離效能曲線如圖7所示。

表3 仿真值與BMRC曲線對應值比較Table 3 Comparison between simulation values and corresponding values of BMRC curve %

圖7 不同虛擬沖擊器模型的分離效能Fig.7 Separation efficiencies of different virtual impactor models

由表3和圖7可知，由于“平滑型”虛擬沖擊式采樣器在粒徑為7.1 μm，“凹型”虛擬沖擊式采樣器在粒徑為3.9，7.1 μm時分離效能與BMRC曲線偏差均大于5%，故3種虛擬沖擊式采樣器的分離效能只有“凸型”虛擬沖擊式呼吸塵采樣器能夠滿足BMRC曲線，其中3.9 μm對應分離效能偏差相對最小，僅為0.5%。同時，由圖7中可知，“凸型”虛擬沖擊式采樣器更加貼合BMRC曲線。標準差如式(5)所示：

(5)

通過式(5)計算虛擬沖擊式呼吸性粉塵采樣器在主弱流壁面為“凸型”時的分離效能與BMRC曲線的分離效能的標準差δ=2.65%小于5%，滿足標準規定的偏差要求。

5 結論

1)虛擬沖擊式呼吸塵采樣器中弱流與主流之間的壁面為“凸型”時相對“平滑型”和“凹型”對呼吸塵分離的效果更好。

2)虛擬沖擊式呼吸塵采樣器主弱流夾壁面形狀在“凸型”時，對粒徑為7.1 μm分離偏差相比于“平滑型”減小4.6%，提高了對呼吸塵中顆粒粒徑較大的分離效果；“凹型”在粒徑為2.2 μm時的分離偏差為0%，但其他粒徑分離偏差較大，不能滿足分離采樣的要求。

3)本文虛擬沖擊式呼吸塵采樣器主弱流夾壁面形狀在“凸型”時，分離效能與BMRC曲線標準的偏差更小，且標準差δ=2.65%，滿足偏差小于等于5%的要求，研究結果為虛擬沖擊式采樣器的改進提供參考。下一步將針對“凸型”壁面的最優參數繼續研究。