电焊烟尘的扩散规律研究

电焊烟尘的扩散规律研究
周红;林大建;费振玲
【摘要】电焊烟尘具有粒径小、危害大及难处理等特点.文章利用Gambit软件和Fluent软件模拟风速、焊点间距和垂直距离等影响电焊烟尘的扩散的因素,得到电焊烟尘的扩散特性:在同一截面时,间距越大,烟尘浓度越低,烟尘浓度下降得越快;在同一间距时,发尘源垂直方向的高度不同,电焊烟尘的浓度不同,烟尘浓度都是经历先增后减的过程.依据电焊烟尘的扩散规律,提出了对车间进行置换通风的控制措施,运用旋风气幕式排风罩,对烟尘进行处理,使电焊工作环境得以明显改
善.%Considering the characteristics of welding fume of small particle size, severe damage and unwieldiness, this paper adopts the Gambit software and Fluent software to simulate the wind speed, spot spacing, vertical distance and other factors that affect the diffusion of welding fume and get the diffusion characteristics of welding fume. The results show that, in the same section, the greater the spacing, the lower the concentration, and the concentration decreases more quickly; with the same distance, the height of different dust sources in the vertical direction is different, the concentration of welding fume is different, and the smoke concentration first increases and then decreases. Based on the diffusion rule of welding fume, the control measures of displacement ventilation in the workshop are put forward, and the cyclone air curtain exhaust hood is used to deal with the smoke and dust, thus improving the working environment.
【期刊名称】《江西理工大学学报》
【年(卷),期】2017(038)005
【总页数】6页(P81-86)
【关键词】电焊烟尘;扩散;数值模拟
【作者】周红;林大建;费振玲
【作者单位】江西理工大学资源与环境工程学院,江西赣州 341000;江西理工大学资源与环境工程学院,江西赣州 341000;石家庄海航认证咨询有限公司,石家庄050000
【正文语种】中文
【中图分类】X942
自二十世纪八十年代以来，我国进入工业化进程，电焊作业广泛应用于工业生产中，是重要的连接技术之一.焊接工艺方法在冶金、机械、建材、汽车、造船、建筑、
铁路等行业中广泛使用.在焊接过程中，熔池处的焊条与母材处于5000°C高温状态，会产生大量的电焊烟尘、有害气体以及弧光辐射等，粉尘粒径在0.01～5 μm，多为呼吸性粉尘，且长期高浓度的职业暴露可引起电焊工尘肺、锰中毒、金属热等职业病危害[1-2].电焊烟尘的治理是一项技术难题，其困难主要表现如下：①电焊
烟尘粒径小，其粒径在 0.01～5 μm，滤除困难；②焊接工位的多变性，使得电焊烟尘捕捉困难；③电焊烟尘热气流滞留特性；④焊烟除尘设备投资大，运行费用高[3].
国内外对于电焊烟尘扩散的研究相对较少.Marconi和Bravaccini通过对焊枪角度的摆放以及排气速率的研究，得出烟尘扩散最佳的通风位置[4]；蔡治平等利用理
论扩散模式得出烟尘在热力学抬升高度处的浓度分布最高的结论[5]；牛萍萍等通
过分析在不同通风状况下室内气流组织形式以及烟尘速度的变化，认为越靠近通风口，烟尘浓度越小，甚至可以达到国家规范[6]；刘志云等测定分析不同工况条件
下电焊烟尘浓度分布规律，结合国家相关标准对电焊烟尘浓度的规定，对各工况焊接作业危害开展研究[7-8].这些相关文献虽对电焊烟尘的研究有一定的作用，但并
没有结合烟尘的实际扩散特性，对电焊烟尘进行有效的收集.
文中通过建立三维湍流模型，采用有限体积法，对某电焊车间的烟尘进行扩散模拟，得出烟尘浓度随时间、风速、尘源间距等参数变化的结果.
1.1 模拟的理想化模型
电焊烟尘的运动为流体运动，一般用流体软件Fluent对烟尘的扩散进行模拟.假定流体为不可压缩流体，且在模拟过程中未考虑温度对气流场的影响.由于烟尘向四
周扩散，且不稳定，所以为非稳态流动过程.
1.2 建立基本守恒方程组
流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律.如果流动包含有不同组分的混合或相互作用，系统还要遵守
组分守恒定律.如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程[9-10]. 1）质量守恒定律
其中：ρ为密度，kg／m3；t为时间，s；u 为速度矢量；u，v，w 为在三维方向的分量，m/s.
2）动量守恒方程
其中为静压力，Pa；τij为应力矢量；ρgi为方向 i的重力分量.
3）能量守恒方程
其中：Cp为比热容；K为传热系数；T为温度；ST为粘性耗散项，即为流体内热源以及在粘性作用下部分机械能转变为热能的总和.
1.3 建立数值模型
以某焊接厂房为研究对象，利用Gambit建立模型，模型尺寸为长80 m，宽30 m，高8 m，横纵各边均有2扇4 m×5 m的大门，且横向各边均分布10扇3 m×1.2 m的通风窗.选择Fluent软件计算模拟该厂房内发尘点源间距不同、通风不同和排烟装置位置时对电焊烟尘扩散的影响情况，其模型如图1.
1.4 确定初始与边界条件
由于图1模型的压力梯度较小，采用标准k－ε湍流模型，能有效的建立三维湍流流动模型.同时假设在无风条件下，该车间为密闭的，车间底部中心的发尘源设置为质量入口，其他设置为wall；在自然通风条件下，将车间的右面的门和窗设置为速度入口，另一侧为自由出口，符合车间夏季风的主导风向.
1.5 网格划分
由于非结构化网格生成相对简单，而且在采用二阶迎风格式时具有较高的精度，还具有比较好的可调节和可控制性，所以该模型选择非结构化网格类型，采用均匀网格布置，Elements项选择Tet/Hybrid形式，类型选择TGrid形式，最小网格尺寸为0.1 m×0.1 m，且对其进行了网格检查，Skewness为0.89，且Change in Cell-size在1.15以内.划分的几何模型如图2所示.
1.6 控制方程的计算
采用数值方法对数学模型计算，Fluent将有限容积法作为离散化方法，运用Implicit格式，流场计算采用SIMPLEC的压力速度耦合方式.运用Fluent进行参数以及算法的设置，对其进行计算[11]，具体的设置如表1～表4.
2.1 单一电焊作业点的扩散模拟
模拟在无风条件下，1个发尘源的烟尘扩散情况.将车间内的门和窗都设定为wall.坐标为（40，15，0）的车间底部中心作业点的扩散浓度云图如图3所示.
在X，Y轴保持不变时，选取Z=0.5 m、1 m、3 m时，烟尘浓度在垂直方向的变化情况；在X，Z轴保持不变时，选取Y=15 m、14 m、14.7 m时，烟尘浓度在
水平方向的变化情况，如图4和图5.
从图4和图5可以看出，在无风条件下，保持X和Y不变，垂直方向上的烟尘呈
均匀分布，且Z越大，烟尘扩散得越快，但当Z大于1 m时，经模拟，烟尘的浓度扩散较小，趋势较平缓；当X和Z不变时，水平方向上的烟尘向四周扩散，距
离越远，浓度越低.
2.2 密集电焊作业点的扩散模拟
2.2.1 发尘源间距对烟尘扩散的影响
模拟静风条件下，9个发尘源同时存在，且间距分别为1.5 m、1.8 m、2 m时烟
尘的扩散情况.其扩散的浓度云图为图6.
当X，Y保持不变，Z=1 m时，无风条件下间距为1.5 m、1.8 m、2 m时的电焊烟尘的扩散情况的等值线图如图7所示.
从图7可以看出，在同一截面上，发尘源间距越大，各个发尘源的相互影响越小，车间内电焊烟尘的浓度越低.与此同时，在不同截面上，发尘源不同，电焊烟尘的
浓度下降如图8所示.
从图8可得以下结论：
1）在同一间距时，发尘源垂直方向的高度不同，电焊烟尘的浓度不同，烟尘浓度都是经历一个先增后减的过程.当垂直方向的高度小于1 m时，烟尘浓度的幅度变化较快；当垂直方向的高度上升到2 m时，烟尘浓度趋于平缓.
2）在同一截面时，间距越大，烟尘浓度越低，烟尘浓度下降得越快.间距为1.5 m 时的烟尘浓度远远高于间距为2 m的浓度，且当Z=0.5 m时，间距为1.5 m的发尘源浓度达到最高，而间距为1.8 m和2 m的发尘源在垂直高度为1 m时，才达到最大值.
2.2.2 风流对烟尘扩散的影响
为更好的显示模拟效果，选择发尘源间距为3 m，在自然通风条件下，风速不同
时烟尘的扩散特性.
模拟无风条件下，X，Y保持不变，9个发尘源同时存在，间距为3 m且Z=0.5m 截面的电焊烟尘浓度分布等值线图，见图9.
而当发尘源为9个，间距为3 m时的条件下，模拟自然通风条件下风速为0.8
m/s、1 m/s、1.2 m/s时电焊烟尘的扩散.
此时设定横向面的一侧2个门和中间的4个窗户为打开状态，设为速度进口；对
面一侧的2个门和中间的4个窗户同样为打开状态，设为压力出口.模拟时间选择
为10 min.
从模拟的效果图10中可以看出，在无风状态下，距离发尘源越近，烟尘浓度越高；在风速不同，其他条件相同的情况下，风速越高，烟尘浓度越小，扩散得越快.
同时，为了更好的达到效果，保持其他条件不变，改变截面Z的高度，模拟在不
同风速下电焊烟尘的扩散特性.见图11.
经模拟，当风速较大时，烟尘浓度较低，在离地面越低的截面，风流对烟尘浓度的影响越大，烟尘浓度降低越快；当Z=1 m时，风速越大，烟尘下降的速度最快；而当Z=3 m时，风速越大，烟尘下降的速度逐渐变慢，而当烟尘上升到一定高度时，会基本保持一个稳定值，分布在房屋上部，其上部有一个热力分层高度，分层高度以上，则烟尘变化趋于平缓，基本无变化，分层高度以下，烟尘浓度变化较大，且越靠近发尘源，变化越大，这是由于空气密度差所形成的热气流上升和冷空气下降的原理[12-13].
1）在单一作业点时，在无风条件下，保持X和Y不变，垂直方向上的烟尘呈均匀分布，且Z越大，烟尘扩散得越快，但当Z大于1 m时，烟尘的浓度扩散较小，趋势较平缓；当X和Z不变时，水平方向上的烟尘向四周扩散，距离越远，浓度
越低.
2）在密集作业点时，其他条件不变的情况下，当垂直方向的高度小于1 m时，烟
尘浓度的幅度变化较快；当垂直方向的高度上升到2 m时，烟尘浓度趋于平缓；
在同一截面时，间距越大，烟尘浓度越低，间距为1.5 m时，发尘源浓度达到最大；而当风速较大时，烟尘浓度较低，在离地面越低的截面，风流对烟尘浓度的影响越大，烟尘浓度降低越快，当Z=1 m时，风速越大，烟尘下降的速度最快，而当Z=3 m时，风速越大，烟尘下降的速度逐渐变慢.
3）根据烟尘的扩散特性，可以对烟尘采取措施，首先，可以提高焊接机械化和自动化的程度，对烟尘浓度进行有效地控制，减少烟尘的产生，其次，应采用有效地通风排烟措施，运用置换通风原理，选用新型旋风气幕式排风罩，不仅可以吸收焊接时所产生的有毒有害气体，而且可以提高电焊工在作业时的舒适度，有效地减少电焊工对电焊烟尘的吸收，大大降低了电焊工尘肺病的发生.
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