铸造车间打磨区污染物扩散模拟分析

李 阳 王振京

(中国船舶重工集团国际工程有限公司，北京 100024)

1 概述

铸造车间铸件人工打磨区的除尘问题一直是困扰铸造厂运行的一个较为突出的问题，为满足零部件打磨需求，在打磨区域内，打磨工人采用电动角磨机、切割机或气动角磨机切割机打磨工件或切割工件。在打磨和切割时，会产生大量粉尘，造成工人的工作环境极端恶劣。研究表明，由粉尘诱发的疾病主要是呼吸道疾病，其中以尘肺病患病率较高，同时也会增加肺部恶性肿瘤的发病率[1]。因此，进行粉尘治理，保障工人的身体健康刻不容缓。

铸造车间铸造用的主要原材料是树脂砂，则扩散在空气中的粉尘主要成分是游离态的二氧化硅。在铸造行业，粉尘中平均游离态二氧化硅的含量最低约为17%，最高约为34%，即游离态二氧化硅含量在10%～50%的区间范围内。据GB Z2.1—2019工业场所有害因素职业接触限值 第1部分：化学有害因素[2]中的规定：工作场所空气中粉尘职业接触限值表中列出的各种粉尘(石棉纤维尘除外)，凡游离SiO2不低于10%者，均按矽尘职业接触限值对待。矽尘(10%≤游离SiO2≤50%)的时间加权平均浓度PC-TWA(总尘)应不大于1 mg/m3。

2 侧壁回风整体除尘系统气流组织形式及研究方法

气流组织又称空气分布，是对气流流动的方向和速度以及分布的均匀性进行组织[3]。侧壁回风整体除尘系统着眼于污染源的有效控制，类似于一个“密闭罩”，将污染源密闭地罩于打磨间内，并根据通风工况组织局部气流来控制悬浮粉尘流向，从而达到排除粉尘的目的。打磨间采用侧补风侧排风的气流组织，在排除粉尘的同时，降低人员工作区域的粉尘浓度。工作时，补风从打磨间侧面的门洞进入，含尘空气由打磨间侧下部的排风口排出，经除尘器过滤达标后，排至大气。

目前研究气流组织常用的方法主要有四种：传统的射流公式法、模型实验方法、区域方法和CFD模拟方法[4]。相比于其他三种方法，CFD模拟方法具有成本低、速度快、数据可靠完备且可模拟不同工况的特点，故本文选择通过CFD模拟方法对打磨间气流组织与污染物的扩散分布进行模拟及分析。

3 打磨除尘仿真模拟

3.1 数值模型

本研究采用高精度CFD模拟方法，可以得出精度较高的气流组织与污染物的扩散分布。在本研究的数值模型中，气流模拟采用最为常用的稳态标准k-epsilon模型，温度模型采用布西涅斯克假设，标量场(污染物)采用滑移通量模型。通用控制方程形式为：

其中，φ为通用变量，可以指代风速u、湍流强度k、湍流耗散度ε与污染物浓度C；x为空间位置坐标；Γφ为对应变量的扩散系数；Sφ为对应变量的源项。

所有控制方程采用上风差分格式，并采用SIMPLER解法求解。建模与求解计算过程均使用PHOENICS软件。

3.2 体型参数与边界条件

如图1所示，大方框表示模拟采用的计算域，即打磨间边界，尺寸为5 m×4 m×3 m。具体体型参数与边界条件见表1。

表1 打磨间模型体型参数与边界条件

3.3 模拟结果

3.3.1风场

图2为打磨间中心处x方向(x=2.5 m)垂直截面速度矢量分布。可以看到流场一致性很好，仅在打磨件的尾流区存在涡流，其他位置的流动均为很均匀的从右至左的气流场，平均风速约为1 m/s，直至接近排风百叶处时流场向下收缩并加速至2 m/s以上，最终排出室外。打磨件热量产生的浮升力有限，对整个流场的影响并不明显。

图3为距离地面高度0.5 m(z=0.5 m)处水平截面速度矢量分布，高度位于排风百叶的中心位置。图中可以看到气流从门洞进入后，逐渐扩散放宽至房间宽度，然后保持十分均匀的流动直至遇到打磨件，在打磨件的阻碍下再产生尾流区，但很快又恢复了均匀的流动，最终经排风百叶流出室外。

总体而言，从风场的角度，进风口(门洞)与排风口相对布置，并且风量足够，所以在室内形成了“活塞流”。此种流动方向一致性好，污染物直接被排出，不容易扩散，是非常好的通风方式。

3.3.2温度场

图4为打磨间中心处x方向(x=2.5 m)垂直截面温度分布。可以看到80 ℃的污染物释放出之后，由于与周围气体掺混，很快降低至40 ℃以下，并集中于尾流区内。由于室内风速较大，浮升力不明显，温度也随着气体进一步的掺混迅速下降至30 ℃左右，经由排风百叶排出。

图5为距离地面高度0.5 m(z=0.5 m)处水平截面温度分布。从这个角度可以清晰地看到“活塞流”对热气流的影响，由于气流方向很一致，热气体仅向打磨件下风向扩散，而且由于尾流区涡流加强了热气流与周围冷气流的掺混过程，气体温度下降得很快，到达排风口处时已经下降至30 ℃左右。

3.3.3污染物浓度场

由于本模拟研究主要关注的是将车间内污染物的实际浓度水平，因此模拟中需要采用绝对浓度的计算方法，根据实际污染物释放的估算结果，假设污染物从打磨件表面均一地释放出40.0 mg/s的污染物。

图6，图7分别为打磨间中心处x方向(x=3.5 m)垂直截面和z方向(z=0.5 m)水平截面的污染物浓度分布。由于污染源与热源高度一致，可以观察到污染物的浓度分布与气体温度的分布很相似，同样可以观察到相似的运动规律，即污染物高浓度区域集中于尾流区。

图8分别为污染物30 mg/m3平均浓度的等浓度面。由此可以看出30 mg/m3浓度以上的污染物范围被限制在直径2 m的区域之内，而且主要集中于打磨件的尾流区。打磨件的迎风面由于受到了来流风的直接影响，正面仅有小部分面积浓度超过了30 mg/m3。另外，从图6中可以看出，进入排风口的污染物浓度均低于30 mg/m3。

图9显示了从空间中若干微气团的运动轨迹。轨迹的颜色代表了微气团的运行时间，浅黑色代表刚释放，深灰色代表运动轨迹末尾。从这张流线图中，可以看出室内空气运动较为简单，主要可以分为两种：一种是两侧未受打磨件干扰的气流，没有任何涡流，几乎是直接由进风口运动至排风口排出；另一种受到打磨件干扰的气流运动轨迹稍复杂，首先是绕过打磨件，然后在打磨件的尾流区的涡流内滞留，之后经由排风口排出。图9中微气团的运动极有规律，流线几乎平行，是非常有利于污染物控制的流场。

另外，在人呼吸高度1.5处，室内平均浓度为0.55 mg/m3，且超过1 mg/m3范围仅有打磨件下风向的小区域内。

4 结语

本研究采用CFD数值模拟的方法计算了打磨间污染物扩散的情况，对给定的送排风条件下的风场、温度场与污染物扩散状况进行了深入的分析，得出以下结论：

进风口(门洞)与排风口相对布置，并且风量足够，所以在室内形成了“活塞流”。此种流动方向一致性好，污染物直接被排出，不容易扩散，是非常好的通风方式。

高温气体和污染物被限制于打磨件尾流区内的很小的区域内，没有向外部扩散，从而保证绝大部分人员工作区域的舒适性与空气品质可以达到标准。