船廠大空間焊接車間通風CFD模擬

董 浩，李高進，李佳妮，王 軍，林小龍，陳 寧

（1. 上海船舶工藝研究所，上海 200032；2. 江蘇科技大學 能源與動力學院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

焊接技術在船廠應用廣泛，焊接過程中產(chǎn)生的焊接煙塵包含諸多危害人體健康的危險物質(zhì)，焊接煙塵包含各類金屬與非金屬氧化物、氟化物等成分，組成成分非常復雜。肖凌云采用理論分析和數(shù)值模擬的方法確定車間內(nèi)部的通風濕度，并對通風系統(tǒng)進行低能耗設計。賈雪峰等利用流體計算軟件對某高大封閉焊接車間置換通風情況進行模擬，結果表明：自然通風車間的焊接煙塵濃度明顯要高于混合通風車間。IACOVIDES等對-湍流模型中的雷諾應力進行時間平均處理，該研究成果在湍流數(shù)值模擬領域取得巨大成功，被廣泛應用于大型空間建筑物的速度場和溫度場的數(shù)值模擬。

焊接車間必須進行通風除塵，將焊接煙塵的濃度降低到規(guī)定范圍內(nèi)。本文以某船廠的焊接車間為對象，對不同的工況下車間內(nèi)部焊接煙塵的濃度分布情況進行數(shù)值模擬，分析焊接煙塵在焊接車間內(nèi)部的分布情況和流動特性，以期為焊接車間通風除塵系統(tǒng)的布置優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型概況

焊接車間長36 m，寬9 m，高5 m。焊接車間正面開設4扇窗戶以及1扇門，窗戶與門默認開啟。車間采用自然通風作為主要通風手段，車間模型及 坐標系設置情況見圖1。

圖1 車間模型

1.1 工況1

工況1中焊接車間僅通過窗戶自然通風，無其他強制通風處理焊接煙塵。1.6 m高度處焊接車間煙塵濃度云圖見圖2，1.6 m高度處方向煙塵濃度變化情況見圖3，1.6 m高度處不同測點的濃度見表1。焊接煙塵大多集中在車間的后方與左側位置，除焊接平臺（污染源）外，車間左后方位置的煙塵濃度要高于車間其他位置，通風口位置對焊接煙塵濃度的影響較為明顯。

圖2 1.6 m高度處焊接車間煙塵濃度云圖（工況1）

圖3 1.6 m高度處y方向煙塵濃度變化情況（工況1）

表1 1.6 m高度處不同測點的濃度（工況1）

1.2 工況2

工況2在工況1的基礎上考慮外界通風，從正面吹入自然風的風速為1 m/s。該工況下1.6 m高度處焊接車間煙塵濃度云圖見圖4，1.6 m高度處方向煙塵濃度變化情況見圖5，1.6 m高度處不同測點的濃度見表2。在有自然風進入以后焊接煙塵的濃度得到明顯控制，最大濃度僅為2.6 mg/m。由此可知，自然風對焊接煙塵的濃度影響較大。

圖4 1.6 m高度處焊接車間煙塵濃度云圖（工況2）

圖5 1.6 m高度處y方向煙塵濃度變化情況（工況2）

表2 1.6 m高度處不同測點的濃度（工況2）

1.3 工況3

工況3對車間內(nèi)部通風口進行優(yōu)化，在車間后部增開3扇窗戶，位置與原窗戶相對，并在車間左后角的位置新增2扇窗戶，車間考慮外界通風，從正面吹入自然風的風速為1 m/s。該工況下1.6 m高度處焊接車間煙塵濃度云圖見圖6，1.6 m高度處方向煙塵濃度變化情況見圖7，1.6 m高度處不同測點的濃度見表3。工況 3最大焊接煙塵濃度為1.81 mg/m，相較于工況2下降明顯。這是由于增設窗戶實現(xiàn)空氣對流，提升了除塵效率。然而，工況3的進風口依舊布置在車間前側，故焊接煙塵濃度的分布在整體上仍然是前部區(qū)域低于后部區(qū)域。

圖6 1.6 m高度處焊接車間煙塵濃度云圖（工況3）

圖7 1.6 m高度處y方向煙塵濃度變化情況（工況3）

表3 1.6 m高度處不同測點的濃度（工況3）

1.4 工況4

工況4考慮在車間頂部加裝9個風機進行機械排風。由于加裝的風機為可逆轉(zhuǎn)風機，故可根據(jù)風機的工作狀態(tài)將工況4分為排風和送風2種模式。

1）排風模式

工況4排風模式下1.6 m高度處煙塵濃度云圖見圖8，1.6 m高度處方向煙塵濃度變化情況見圖9，1.6 m高度處不同測點的濃度見表4。此時最大焊接煙塵濃度為1.08 mg/m，相較于工況3下降明顯。

圖8 1.6 m高度處焊接車間煙塵濃度云圖（工況4，排風模式）

圖9 1.6 m高度處y方向煙塵濃度變化情況（工況4，排風模式）

表4 1.6 m高度處不同測點的濃度（工況4，排風模式）

2）送風模式

工況4送風模式下1.6 m高度處焊接車間煙塵濃度云圖見圖10，1.6 m高度處方向煙塵濃度變化情況見圖11，1.6 m高度處不同測點的濃度見表4。此時最大焊接煙塵濃度為0.38 mg/m。相較于排風模式，送風模式對焊接煙塵濃度的控制效果更好。這是由于排風模式下車間內(nèi)部由于排風扇的抽吸產(chǎn)生負壓，車間窗戶及各通風口均向車間內(nèi)部送風，而只通過排風扇進行排氣，故車間內(nèi)部焊接煙塵濃度的控制效果并不理想。在送風模式下，車間通過窗戶及各通風口向外排氣，增大了輸出流量，故該模式下車間內(nèi)部焊接煙塵的濃度更低。

圖10 1.6 m高度處焊接車間煙塵濃度云圖（工況4，送風模式）

圖11 1.6 m高度處y方向煙塵濃度變化情況（工況4，送風模式）

表5 1.6 m高度處不同測點的濃度（工況4，送風模式）

1.5 工況5

工況5假定無自然通風，僅通過車間頂部的9個風機進行機械排風，且風機處于送風模式。該工況下1.6 m高度處不同測點的濃度見表6，1.6 m高度處方向煙塵濃度變化情況見圖12。利用風機進行機械排風可有效降低焊接煙塵的濃度。

表6 1.6 m高度處不同測點的濃度（工況5）

圖12 1.6 m高度處y方向煙塵濃度變化情況（工況5）

2）采用自然通風和機械通風的混和通風模式效果要優(yōu)于單一通風模式。

3）送風模式的機械通風效果要優(yōu)于排風模式。

2 結論

本文以某船廠的焊接車間為對象，對不同的工況下車間內(nèi)部焊接煙塵的濃度分布情況進行數(shù)值模擬，分析焊接煙塵在焊接車間內(nèi)部的分布情況和流動特性，可得出以下結論：

1）自然通風對焊接煙塵濃度分布的影響很大，雙側通風的效果好于單側通風，在進行車間設計時，要慎重考慮通風口的位置，盡量產(chǎn)生對流運動。