基于FLUENT软件的安全帽内温度场分析

2018-07-07孙美娜

安全 2018年7期

李鹏王志孙美娜董强

中国建筑第六工程局有限公司

安全帽的不正确佩戴在建筑行业导致的致伤、致死事故是时有发生的[1-2]，由于建筑行业的艰苦、露天作业、现场材料多以及施工人员自身素质的特点，施工人员不正确佩戴安全帽的现象[3]也是常有的。针对此问题，研究人员对安全帽进行了设计与改善[4]。随着计算流体力学的发展（Computational Fluid Dynamics，CFD），可预见性的安全帽的通风散热设计成为可能[5]。

1 安全帽内温度场数学模型

含通气孔的安全帽，如图1，通气孔主要布置的位置有侧面、顶面和正面三个方向。安全帽内气体为常温、低速、不可压缩符合Bonssinesq假设的流体，遵循质量、动量和能量三大守恒定律[6]。

质量方程：

式中：

ux、uy、uz—x、y、z三个方向的速度分量，m/s；

t—时间，s；

图1 含有通气孔的安全帽

ρ—密度，kg/m³。

动量方程（x方向）：

式中：

σxx—粘性应力分量，Pa；

fx—三个方向的单位质量力，m/s2。

组分方程：

式中：

T—温度，℃；

cp—比热容，J/(kg·K)；

k—流体的传热系数，W/m2·K；

ST—粘性耗散项。

气体流动模型符合湍流模型，假定空气从安全帽正面流入，从安全帽后面流出，使用标准k-e模型进行求解温度场，k-e方程如式4和式5[7]。

式中：

ρ—空气密度，kg/m3；

ui—速度矢量，m/s；

K—湍流脉动动能，m2/s2；

u—层流动力粘性系数，Pa·s；

ut—湍流粘性系数，Pa·s；

ε—湍流能量耗散率，m2/s3。

2 安全帽内温度场数值模拟过程

2.1 GAMBIT建模

绘制长轴220mm，短轴高140mm的椭球代表安全帽，因成年人面部尺寸各异，我们绘制长轴90mm，短轴90mm圆球代表人员佩戴好安全帽。这样，佩戴高度90mm，水平间距20mm，头与帽垂直间距50mm，符合要求。安全帽内部空间左右对称，其左侧三维几何模型，如图2。X轴方向代表安全帽长度方向，Y轴方向代表安全帽宽度方向，Z轴方向代表安全帽高度。几何模型建立好后，可采用多种网格划分方法，由于模型较简单，划分间距5mm[8]。

图2 安全帽内温度场几何模型

2.2 数值模拟后处理

数值模拟后可采用FLUETN软件中的Contours进行后处理，当数值模拟迭代解算结束后，点击Display，选择Contours即云图，勾选Options中的Filled选项，在Contours of中选择Temperature，此时，单击Display即可以显示安全帽内的温度场。

3 单因素影响的安全帽内温度场分布

3.1 环境温度对其影响

显然，安全帽内的温度受到环境温度的影响，环境温度越高，安全帽内温度也越高。在FLUENT中设置头部为WALL，设置其温度为36℃，当外部环境温度为30℃和36℃时，假定外界环境风速为0.1m/s，并迎着安全帽流动，选取y=0.005m、y=0.002m、y=0.003m三个切面，安全帽内温度场分布，如图3。

图3 安全帽内温度与环境温度关系

由图3看出，外部环境温度增大，安全帽内的高温区域明显增加，整个安全帽的温度与环境温度基本相同。

3.2 通风散热对其影响

假定环境中的风流流动方向为迎着安全帽正面，风流流入安全帽与人头部的空隙，在流出安全帽。假定外部环境风速为0.1m/s和0.5m/s时，湍流强度5%，湍流直径0.01m，安全帽内温度场随环境风速变化，如图4。

图4 安全帽内温度与环境风速关系

由图4可看出，随着通风条件的改善，安全帽内的温度也有逐渐降低的趋势。但当风速超过0.5m/s时，人面部会有不适的感觉，而且现场的通风条件也非可控的，安全帽内的通风散热效果取决于所设置的通气孔的个数、位置和面积等因素。

3.3 劳动时间对其影响

由于劳动时间越长，人头部蓄积的热量也会更多，假定人头部温度速度为2℃/30min，人头部未劳动前初始温度30℃。设置FLUENT中Time Step Size为60s，迭代步数分别为60和90，即劳动时间为60min和90min时安全帽内温度场，如图5。

图5 安全帽内温度与环境风速关系

图5中，2幅图的标尺最大刻度值不同，劳动时间增加，安全帽内高温区域也有增加，这主要是由于随着劳动时间的增加，而头部热量积聚，使温度升高。

4 多因素影响的安全帽内温度场分布

当影响安全帽内的温度场因素较多时，且各个因素变化范围也较多时，各因素对于安全帽内高温区的确定具有不同的程度，我们需要制定一个试验设计表来分析多因素对其影响。选择4组试验按下表，进行FLUENT数值模拟。

表多因素影响安全帽内温度场试验设计表

在Contours中取消Auto Rang的勾选，设置Static Temperature中Min为32℃，Max为35℃，此时云图就可以显示温度在32～35℃的区域，区域越大对施工人员的影响越大。

图6 安全帽内高温分布区域

由图6-a和图6-b可看出，虽环境风速相同，6-a劳动时间较长，但是也未能有6-b环境温度变化带给安全帽内高温区域分布明显，6-a中高温主要集中在头部，6-b中高温主要集中在帽顶；对比图6-b和图6-c，二者环境温度相同，环境风速和劳动时间不一样，由图6-c可知中高温区较多一些，此时劳动时间占主要；图6-d则是环境温度最高，由图显然看出，环境温度对安全帽内温度场影响最大。