焊接工艺多源散发的高温颗粒污染物扩散特性数值模拟

韩 坤,庄加玮,2,刁永发*,任 美,张俪安

焊接工艺多源散发的高温颗粒污染物扩散特性数值模拟

韩 坤1,庄加玮1,2,刁永发1*,任 美1,张俪安1

(1.东华大学环境科学与工程学院,上海 201620；2.常州大学石油工程学院,江苏 常州 213164)

为探究热工艺过程产生的热气流作用下颗粒的迁移规律,基于气固两相离散粒子模型(DPM)对多源浮射流伴生的高温颗粒的扩散特性进行了数值研究,讨论了两相流运动过程中热气流与颗粒群的温度和速度的瞬时变化情况.结果表明,对于473K£0£673K的高温颗粒群,温度衰减趋势类似,颗粒群温度分布呈中心对称;当5μm£p£20μm时,颗粒与气流之间的跟随性随着粒径的增大而降低;热羽流随时间经历了独立发展和相互合并的过程,羽流之间涡旋结构的消失导致中心位污染源散发的p=10μm的颗粒更容易发生沉降.

高温颗粒；空气质量；热工艺；扩散特性；热羽流

钢铁、铸造等行业存在大量的高温热工艺过程,例如浇注、补焊、切割、高温物料倾倒等工艺过程会产生初始温度高于附近环境温度的高温浮力射流[1-2].这些高温浮射流通常携带较多的颗粒污染物,颗粒以一定的初速度散发到周围环境中,随着浮射流的运动与发展,颗粒不断与周围空气掺混扩散,这些高温颗粒一旦被人体吸入,可能会对人体产生较为严重的伤害[3-5].

目前高温颗粒在室内流场中的扩散规律尚未明确,只有基于具体的工艺,探讨其扩散过程与周围环境参数的相互关系,才能为制定相应的控制方法提供科学有效的依据[6-8].国内外学者近年来针对工业热工艺过程产生的高温颗粒的流动特性进行了相关研究,包括热源附近颗粒群的微观形成机理,以及其所形成的烟羽流在空间内的扩散运动[9-11],在揭示高温颗粒运动过程的动力学特性等方面取得了一定的研究进展.Li等[12]通过数值研究发现单个污染源散发的高温亚微米气溶胶粒子运动过程主要受空气阻力、布朗力、萨夫曼升力和热电泳力的影响.Zhuang等[13]的结果表明瞬时工艺局部污染源散发的热量愈多,颗粒迁移过程获得的最大平均速度越高.

现有工业建筑中关于热工艺产生的热气流作用下颗粒群迁移规律的研究,大多局限于单一局部污染源,而同一工艺过程往往存在多个独立的污染源,已有部分学者的研究表明多污染源对应单源时的流场特征存在显著差异[14-16]. Lai等[17]发现浮射流的合并会导致与单个浮射流相关的被动标量场重叠,导致混合后的特性与独立自由浮射流截然不同.为此他们提出了一种多股浮射流的动态相互作用的一般半解析模型,预测了理想环境中多个浮射流的动态相互作用.多个热源产生的羽流之间相互作用会减少单股羽流的输运空间,Yang等[18]为此研究了不同间距的两个相等热污染源产生的热羽流的流动特性,获得了不同间距比的空气速度和温度分布. Huang等[19]考虑了浮射流间距、初始速度和温度比等因素,给出了控制两个污染源的有效通风设计指导.

虽然前期学者们对多个污染源产生的高温浮射流的流动特性开展了一定的工作,但是尚缺乏针对多源浮射流中伴生的颗粒污染物的扩散分布研究,且现有研究往往忽略了热气流与颗粒的两相耦合作用. 本文以焊接工艺这一典型热工艺为例,基于气固两相离散粒子模型(DPM)对多源瞬时散发的高温颗粒的迁移规律进行研究,讨论两相流运动过程中热气流温度和速度随时间的变化,对初始温度0、颗粒粒径p等不同影响因素作用下高温颗粒群随时间的动态分布进行分析和评价,为多工位作业环境中颗粒污染物的控制提供一定的理论依据.

1 模拟方法

1.1 物理模型

图1 物理模型

研究建立的物理模型如图1所示,该模型为实际工业建筑的一部分.计算域尺寸长()×宽()×高()=12×10×8m3,三个污染源位于厂房底部,考虑作业符合实际安全规范的前提下,每两个污染源之间设置间隔为1m,污染源距地面高度0.8m,颗粒群与气流的混合物由直径为0.4m的圆形出口释放. 其中颗粒为车间常见的铁基颗粒,颗粒密度ρ= 7800kg/m3,比热容C*=460J/(kg·K),导热系数λ=80W/(m·K).

研究过程涉及到的工况如表1所示:

表1 工况设置

1.2 气固耦合两相流输运模型

1.2.1 气流流动模型 在解决房间内部流体流动的问题方面,目前常用的数学模型包括标准模型和Realizable～湍流模型等[20-21].由于Realizable～湍流模型对标准模型中的湍流粘性和湍流耗散率进行了修正,对于模拟射流和混合流的自由流动具有更高的计算精度和更好的稳定性,因此研究过程中选取了Realizable～湍流模型.其中对于非稳态流动问题,其输运方程表达式可以表示为以下形式:

湍流动能:

式中:为时间;为流体密度;σ是湍流动能对应的Prandtl数;为湍流耗散率;G和G分别是因平均速度梯度与热浮力而产生的湍流动能;M表示不可压缩湍流中因脉动膨胀而产生的全部耗散率;为湍流粘性系数;S为用户定义源项.

湍流耗散率:

式中:1ε、2ε和3ε是经验常数;为表面张力系数;σ为耗散率对应的Prandtl数;是湍流时间尺度与平均速度的比值.

1.2.2 气溶胶传输模型 依据牛顿第二运动定律,单个颗粒运动过程的受力平衡方程为:

其中曳力系数D与颗粒的雷诺数p有关,其大小可通过式(5)得出[22-23]:

采用相间耦合的随机游走模型(Discrete Radom Walk,DRW)预测因为流体湍流引起的颗粒扩散行为.该模型基于随机格式通过连续相的瞬时速度(u)来预测颗粒的流动轨迹:

式中:ζ是服从正态分布的随机数.

颗粒群的流动相态采用颗粒物的体积分数进行表征:

式中:N为颗粒数量;V为单颗粒体积;为气固两相混合物体积.研究设置的颗粒质量流量为0.00005kg/ s,经计算,任意工况下颗粒体积百分数均小于10-6.根据文献[24]提到的两相流划分形式,视作稀疏两相流,忽略颗粒间的相互作用.

考虑到颗粒与气流之间存在动量和热量的传递,因此选择双向耦合方法(Two-Way Coupling Method)求解各个时刻离散相和连续相之间的动量和热量交换[25-26].两相流间的动量交换量为:

式中:p为颗粒的质量流量,kg/s;∆为时间步长,s.

热量交换可以表示为:

式中:pin和pout分别代表颗粒发生热交换前后的温度,K;r为参考温度,K.

2 模拟结果与分析

2.1 模型验证

2.1.1 热空气流动模型可靠性验证 Huang等[27]的烟雾可视化实验结果以及Zhuang等[13]的速度流线轮廓模拟结果被用于验证本文中热空气流动数值方法的合理性. Huang等[27]设置实验所在的房间尺寸为10.30m×6.30m×3.50m,直径为0.38m的浮射流喷口布置在距地面0.80m位置处,测试时,环境压力为101325Pa,浮射流初始温度为303K(工况一);Zhuang等[13]建立了直径=0.4m的面散发源数值模型,面污染源沿竖直向上方向朝周围环境直接释放热空气和固态金属颗粒.

在0=303K的工况一条件下,对单源散发污染物过程中热气流的流动进行了数值模拟,文献数据与本文得到的模拟结果对比如图2所示.

可以看出,气流运动过程中在其边缘存在明显的涡旋结构.对比了实验及模拟的气流演化进程,本文数值模拟得到的涡旋结构的演化过程与文献[13,27]的结果吻合度较高. 这说明,本研究中使用的Realizable-湍流模型可以准确地预测热气流的流动.

2.1.2 高温颗粒输运模型的验证 为了进一步验证本研究中采用的颗粒输运模型的合理性,对初始温度373K工况二下工业厂房内单污染源散发的粒径为10μm的颗粒污染物的运动过程进行了数值模拟,并将数值计算结果与Duan等[28]的数据进行了比较.

图2 速度流线轨迹随时间的变化

图3 颗粒群平均温度随时间的变化

图4 颗粒群平均速度随时间的变化

由图3可见,对于初始温度为373K的颗粒群,颗粒群在较短时间内与周围环境产生了明显的热量和动量交换,=3.0s时温度已接近常温,随着热气流速度的变化,颗粒群运动过程受重力和流体曳力的共同影响,速度呈现先增大而后减小的趋势.这些结果与Duan等[28]的数据基本吻合,说明所采用的数值模拟方法可以准确预测瞬时热工艺过程中的气固两相流运动过程,其可用于进一步研究.

2.2 多污染源气流场流动特性

在工况三0=473K,0=0.1s,0=0.3m/s且p= 10μm条件下,分析了局部热气流运动过程中速度场与温度场的动态变化情况.

多源时气流速度场与单源时最本质的区别就是各污染源产生的羽流会随时间的发展逐渐靠近.如图5所示,多股羽流在上升过程中首先经历独立的向上部空间发展,热羽流在浮升力的作用下向上运动不断卷吸周围空气,各个羽流运动过程中在其边缘存在明显的涡旋结构.当>20s后,观察到羽流与羽流之间的涡旋结构消失,速度场融合,羽流在发展过程中相互合并,这是由于羽流之间动量通量的不平衡,附近的羽流会对这种卷吸起一定程度上的抑制作用,即产生了康达效应[29],使得相邻的羽流逐渐靠近.

图6反映了工况三条件下气流温度场随时间的变化情况,热气流沿程不断卷吸周围空气,使羽流质量增加,而传递的热量守恒,热羽流不断与卷吸而来的常温气流进行能量交换,热气流在短时间内与周围环境交换了大量的热量,整体温度急剧下降,=5s时气流核心温度已下降135K左右.伴随着羽流之间的合并和卷吸作用的减弱,气流场温度衰减速度变缓.

图5 气流速度场随时间的变化

图6 气流温度场随时间的变化

2.3 多源散发高温颗粒温度演变特征

工况三条件下热气流运动过程中高温颗粒的温度变化如图7所示.初始阶段,高温颗粒与周围环境存在较大温差,受热交换的作用,高温颗粒的温度随着时间的推移迅速减小,=10s时颗粒群已接近环境温度.颗粒群外围的颗粒温度衰减较快,而中心区域的颗粒可以相对保持更高的温度,一方面是因为外层颗粒与周围空气的接触面积相对较大,更利于热量传递;另一方面是因为外围颗粒更容易与沿涡旋结构的回流区卷吸而来的常温气流换热.结合图5分析,受空气卷吸作用的影响,随着热气流的运动,两侧的颗粒群逐渐往中间区域逼近.由于羽流在发展过程中发生了相互合并,外围两侧的颗粒群沿涡旋结构的回流区域继续向上往中间区域偏转运动,=150s时,原本处在中间区域的颗粒群因为两侧涡旋结构的消失,在重力的作用下产生了明显的沉降.

图7 颗粒群的温度随时间的变化

以上结果表明,颗粒的温度变化与颗粒运动过程中同热气流的跟随性紧密相联.热工艺过程前期,各污染源散发的颗粒表现出的温度相对较高,并且越接近热气流与颗粒群混合物核心区域两相流流速及温度越高,人体暴露风险也越大,需要预防其对作业人员的烧伤.对于多个工位共同作业的工艺过程后期,处在中间工位的作业人员更容易受到颗粒污染物的影响,需要采取措施加强这一区域的安全卫生防护.

以工况三(0=473K)、工况四(0=573K)、工况五(0=673K)为例,探讨了初始温度这一因素对于高温颗粒进入环境后不同区域颗粒的温度分布情况,颗粒群不同区域在=3s时沿X方向的温度分布如图8所示.

从图中可以看出,颗粒群初始温度与外界环境温差越大,颗粒群温度衰减的幅度越高.不同初始温度条件下的高温颗粒的温度衰减的变化趋势类似,温度分布呈中心对称的趋势,比较了当=3s时颗粒群位于=1.5m和=2m区域的温度分布,发现每个污染源对应的颗粒群核心区域上方的温度相对下方较高,这是因为起初颗粒上升过程中主要受周围气流的曳力,颗粒群下方的颗粒在扩散过程中更容易与热气流沿程不断卷吸来的常温气流换热.

2.4 高温颗粒扩散过程的动力学分析

为了明确污染源的位置分布对于颗粒群在空间内迁移过程的影响,在初始条件0=473K,0=0.1s,0=0.3m/s,p=10μm的工况下,追踪了不同位置污染源散发出的典型颗粒,分析了颗粒运动过程中瞬时速度及扩散距离随时间的变化.

如图9所示,<2s时,颗粒的速度逐渐增大,这一时段颗粒上升的动力主要来源于热气流向上运动附加给颗粒的曳力,而后随着周围空气的卷吸作用逐渐减弱,热气流对颗粒的曳力逐渐降低,5s<£40s时,颗粒群在惯性力的作用下继续做减速上升运动.>40s后,中间污染源散发的颗粒运动过程中主要受重力影响,两侧污染源散发的颗粒受外围空气卷吸作用的影响,在曳力和惯性力的作用下以较低的速度继续向上运动.

图9 颗粒迁移过程速度随时间的变化

图10 颗粒垂直方向扩散距离随时间的变化

由图10可见,在高温颗粒扩散初始阶段,对于任一污染源散发的颗粒,颗粒在垂直方向的扩散距离都会随时间的推移逐渐增大;在20s<£40s时,周围空气的卷吸作用逐渐减弱,热气流对颗粒的曳力逐渐降低,两侧污染源散发的颗粒在惯性力的作用下继续向上做减速运动;结合图9可以发现,羽流与羽流在发展过程中相互合并,当>40s后,涡旋结构的消失使得曳力和惯性力难以将中间污染源散发的典型颗粒运输至Y=4m以上的位置,颗粒在重力作用下逐渐沉降.

颗粒径向扩散距离随时间的变化如图11所示,由于两侧污染源散发的颗粒更容易受周围空气卷吸作用的影响,颗粒随着涡旋结构的扩散区沿水平方向运输,后因颗粒在惯性力和重力作用下在垂直方向做减速运动进入涡旋结构回流区,两侧颗粒逐渐向中心轴区域靠拢.

图11 颗粒径向扩散距离随时间的变化

进一步考察了粒径这一因素对颗粒群迁移过程的影响,保持初始条件0= 473K,0= 0.1s,0= 0.3m/s不变,工况六(p=5μm)和工况七(p=20μm)条件下不同粒径颗粒群运动过程中的速度分布情况如图12所示.

结合图5气流速度场的变化可以发现,颗粒和气流之间的跟随性会随着粒径的增大而逐渐变差,当=20s时,粒径为20μm的颗粒群已有较多颗粒发生沉降.除此之外,受热空气速度自核心区域逐渐向外围衰减的影响,位于颗粒群边缘处的颗粒速度相对较低,脱离气流运动概率较大.

图12 不同粒径颗粒群在t=20s时的速度分布

3 结论

3.1 多股热羽流随时间经历了独立发展和相互合并的过程,羽流与羽流之间动量通量的不平衡导致了相邻羽流间涡旋结构的消失,使得颗粒迁移过程受到的气流曳力和惯性力难以将中间污染源散发的粒径p=10μm的颗粒运输至高度4m以上的位置,这部分颗粒在重力的作用下更容易发生沉降.对于多个工位共同作业的热工艺过程后期,处在中间工位的作业人员更容易受到颗粒污染物的影响,需要采取措施加强这一区域的安全卫生防护.

3.2 各个污染源散发的高温颗粒迁移过程与颗粒同热气流之间的跟随性紧密相联,高温颗粒群在热气流的作用下会同时沿着垂直方向和径向扩散,5μm

3.3 两侧污染源散发的颗粒更容易受周围空气卷吸作用的影响,颗粒会随着涡旋结构的扩散区沿水平方向运输,后在惯性力和重力作用下在垂直方向做减速运动进入涡旋回流区,两侧的颗粒逐渐向中心轴区域靠拢.

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Numerical simulation of diffusion characteristics of high-temperature particles generated by multiple pollution sources in welding process.

HAN Kun1, ZHUANG Jia-wei1,2, DIAO Yong-fa1*, REN Mei1, ZHANG Li-an1

(1.College of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China；2.College of Petroleum Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China)., 2022,42(6)：2552～2560

In order to explore the migration law of particles under the action of hot airflow in the process of hot working, the diffusion characteristics of high-temperature particles associated with multiple buoyant jets are numerically studied based on the gas-solid two-phase discrete particle model (DPM). The instantaneous changes of the temperature and velocity of the hot airflow and the particle group during the two-phase flow are discussed. The results show that for the high-temperature particle group with 473K£0£673K, the temperature attenuation trend is similar, and the temperature distribution of the particle group is centrosymmetric. When the particle size is between 5μm and 20μm, the followability between particles and airflow decreases as the particle size increases.Thermal plumes have undergone independent development and merging processes over time.The disappearance of the vortex structure between the plumes causes the particles with a particle size of 10mm emitted by the central pollution source to settle moreeasily.

high-temperature particles；air quality；heat process；diffusion characteristics；thermal plume

X513

A

1000-6923(2022)06-2552-09

韩 坤(1995-),男,江苏泰州人,东华大学博士研究生,主要从事工业建筑室内环境污染物控制研究.发表论文3篇.

2021-11-10

国家重点研发计划(2018YFC0705300);中央高校基本科研业务费重点项目(2232017A-09)

* 责任作者, 教授, diaoyongfa@dhu.edu.cn