1、一种新型旋风气幕式排风罩数值模拟研究0 引言传统的排风罩对于污染物的控制仅依靠单纯的吸气流动，因吸入速度衰减较快，所需排风量随控制点与罩口之间距离增大而急剧增大；另一类吹吸式排风罩，利用射流与吸气流动形成复合气流，该气流具有抗弯能力强，排污风量小的优点，但由于其射流的特性，即遇到障碍物时易破裂，使得控制效果恶化， ；利用射流作用下的吸气流场（但不是两者的复合）虽然在一定程度上提高了抽吸能力，但它的控制能力较小，当粉尘的逃逸速度或有害气体的浮升速度较大时，抽吸效率会大大降低。因此有必要研究一种新型的吸气流动方式，使之既有良好的控制效果，又可以减小排风罩控制污染物所需的排风量。人造龙卷风控制抽吸提
2、出了新的理论和方法。通过在传统局部排风罩罩口边缘设置环形射流口，并在射流口采用一定的加旋装置，诱导出具有一定旋转速度的环形射流，形成了新型旋转环形风幕排风罩。旋转射流作用下的吹吸流场是一个复杂的流动过程，影响因素众多，通过模型实验来获得此种排风罩工作机理显得十分重要。本文采用 CFD 方法来分析排风罩工作流场及有害物运移规律，揭示其作用机理，为推广应用这一新技术提供更可靠的理论依据。1 新型旋风气幕式排风罩工作原理旋风气幕式排风罩是一种新型的排风罩，它是利用射流形成的气幕将尘源罩住，即利用射流的屏蔽作用，阻止排风罩吸气口前方以外的空气进入抽吸区，从而缩小排风罩的吸气范围，达到以较小的吸气量进行
3、远距离控制抽吸的目的。图 1 所示是旋风气幕式排风罩的工作原理。这种排风罩有内、外联合层，送风机通过排风罩有内、外两层之间的夹层，将空气从喷口喷出，形成一伞形气幕将吸气区屏蔽起来，再在排风机的抽吸作用下，通过排风罩中心吸气口将有害物气流排走。同时，在环形缝处（射流出口）采用一定的加旋装置，使从环形缝压出的风流为具有一定扩散角的旋转射流，这种旋转射流出来具有气幕屏蔽控制作用之外，更主要的是具有“龙卷风”效应。即在旋转气流中心由于吸气而产生负压，这一负压核心是旋转气流受到向心力作用；气流在旋转过程中将受到离心力的作用，在向心力和离心力的平衡范围内，旋转气流想成涡核，涡核收束于负压核心四周并朝向排风
4、口，这就形成所谓的人工“龙卷风” 。由于利用了人工龙卷风原理，涡流核心具有较大的上升速度。与传统排风罩相比，新型旋风气幕式排风罩注重了有害物的控制，不仅能提高车间人员工作区的空气品质，改善车间作业环境和安全状况，还可以减少排风量，以较小的吸风量来捕集有害物。2 计算模型2.1 物理模型采用排风罩数值模拟的物理模型为一个工作车间局部，取长宽都为 5m，为简化模型，便于计算分析，将污染源设置于地面，只考虑车间下半空间流场，取模型高为 0.5m，如图 2 所示。将排风罩置于模型中心，抽风筒直径 D1 为 0.1m，射流口外径 D2 为 0.2m，环形射流送风口宽为 0.8cm，罩口距地面距离为 0.
5、3m，污染源是一个长宽都为 5cm，高为 3cm 的长方体。2.2 假设条件1）通风气流可视为不可压缩流体，可忽略由流体黏性力做功所引起的耗散热，同时假定壁面绝热。2）假定流场具有高紊流 Reynolds 数，这是流体的紊流黏性具有各向同性，紊流黏性系数 1 可作为标量处理。3）流动为稳态紊流，满足 Boussinesp 假设。2.3 教学模型本文对紊流流场的计算采用 Renoldys 平均法，其中关于封闭的均方程所补充的紊流模型，比较成熟的主要有 Standard- 模型， RNG- 模型和 Realizable-模型，通过对几种模型的分析和实际计算结果的对比，最终选用了 Realizabl
6、e-双方程控制模型。Realizable - 模型是近期才出现的，此模型为湍流黏性增加了一个公式，为耗散率增加了新的传输方程，确保在雷诺压力中有数学约束湍流的连续性。Realizable- 模型直接的好处是对于平板和圆柱射流的发散比率的更精确的预测，而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的表现。在以上假设的基础上，描述排风罩流流场及有害物运移规律的控制方程如下：式中 湍流动能；湍流动能耗散率；GK由层流速度梯度而产生的湍流动能；C2,C1常量， C2=1.9，C1=1.44；， 方程和 方程的湍流 Prandtl 数 =1.0，=1.2S用户定义的湍流动能。5）组分
7、质量守恒方程：div(ucs)=(Dsgrad( c s)式中：cs 为组分 s 的体积分数；u 为流体的运动速度，m/s，其在直角坐标下的三个分量为 u,v,w, cs 为该组分的质量浓度，kg/m；D 为该组分的扩散系数。3 数值模拟3.1 网格划分针对上述模型，在笛卡尔坐标系下划分计算网格。网格质量对紊流场分析十分重要，由于平均流动和漩涡脉动的强烈作用，紊流的数值计算结果往往比层流更容易受到网格的影响，在很多情况下，关键区域的弱解反倒会成为流动的主要特征，在此模型中环形送风口、抽风口及污染源为关键区域，但是这些区域的面积相对于整个模型非常小，在现有计算机资源水平下，要保证这一区域的网格精
8、度由要顾及整体有一定的难度，采用一般网格划分方法很难在求解域内得到过渡平滑、节点分布适当的网格。针对这个难点，本文采取如下一种离散方法，对环形送风口、抽风口及污染源赋予一定的网格函数，使满足在面积过小的区域有足够的网格数目，并且网格大小实现逐渐过渡，不会使网格数目过于庞大，其他面使用 GAMBIT 默认的网格函数，划分体网格时，所有的体采用 Tgrid 方法生成四面体非结构化网格，最后在计算域内得到光滑性、分辨率及单元形状性对评价较高的网格。3.2 边界条件设定环形射流口边界：是流场的进口边界，在此边界上施加速度进口计算条件。由于喷口宽度很小，速度可视为均匀分布，喷射速度 us=QS/D 2b
9、0（QS 为排风罩送风量） ，计算中采用坐标定义该速度矢量，根据旋流强度计算旋转角度，通过分别定义轴向、径向和切向分速度来得到模拟旋流的目的。抽吸口边界：相当于计算流场出口边界，在此边界上施加速度进口计算条件，为了表示出口，定义速度值为负值 uz=-QS/D1（ QZ 为排风罩排风量） ，速度方向为轴向，此模拟中取-12m/s。开口边界：为排除墙壁对排风罩性能的影响，近似模拟无限空间排风罩排风，在新型排风罩工作流场时，将模型四周面施加压力出口边界条件，定义压力为零，顶面施加压力出口边界条件，压力设置向前；当模拟传统排风罩工作流畅时，将四周面及顶面均设置为压力入口边界条件，定义压力为零。壁面边界
10、：将底面及风管壁面施加无滑移固体边界条件，采用标准壁面函数计算。模拟污染物扩散时，将长方体顶面和侧面作为污染物发散面，侧面 CO 发散量都为 0.5g/s，顶面发散量为 2g/s。取工作压力为 101.325kPa，环形喷射口的宽度 b0=0.8cm，喷射口角 =70。4 模拟结果及分析为了分析新型旋风气幕式排风罩作用效果，本文应用 Fluent 软件分别对传统排风罩和旋风气幕式排风罩风流流场及有害气体（CO ）扩散进行了数值模拟。同时为了对比分析，模拟时两种通风系统除送风方式不一样外，气体排风参数、排风罩布置参数及有害物散发参数保持一致。4.1 排风罩风流流场数值模拟结果分析排风罩风流流场模
11、拟采用 Realizable- 双方程紊流模型，运用一解迎风格式及 SIMPLE 算法求解控制方程，模拟计算结果如图 3 所示。图 3 和如 4 分别是传统排风罩和新型排风罩 Y=0 切面吸气流动等速线分布图，图 5 为两种排风罩轴线速度衰减比较曲线。由等速线分布图及轴线速度衰减很快，在距罩面约一倍吸口直径处，气流衰减为吸口吸气速度的十分之一。而新型旋风气幕式排风罩速度衰减就慢的多，这是由于射流的屏蔽作用，阻挡了周围和后方的新鲜空气进入抽吸区的缘故，从而压缩了抽吸区的径向尺寸，使轴向吸气范围增加。图 6图 9 是两种排风罩 X=0m 切面和 Z=0.2m（距地面 0.1m）切面局部放大速度矢量
12、图。从图 6、图 7 可以看出，传统排风罩工作时，气流式从四周汇集到排风罩，吸气口的吸气范围较大，使得速度衰减很快，而造成吸气口较远污染源得不到有效的控制。从图 8、图 9 可以看出，新型旋风气幕式排风罩工作时，由于环形射流的存在，在罩口下方形成空气幕，将罩口下方有害物屏蔽在有限空间里面。同时，屏蔽作用减少了吸气口的吸气范围，使得吸气口吸气补充来源限制在屏蔽空间。旋风气幕除具有屏蔽效应外，同时由于射流的旋转和吸口吸气共同作用下形成具有纵长涡结构人造龙卷风，龙卷风效应使得罩口下方轴线附近产生一负压中心，气流汇于罩口下方中心，并提高了喜峰口的抽吸效果。图 10图 11 是两种排风罩工作时罩口下方距
13、地面 0.1m 切面压力场局部放大图，从两种排风罩局部压力场可以看出，新型旋风气幕式排风罩工作时，由于产生龙卷风效应使得罩口下方轴线附近形成负压中心，罩口下方在同一切面内压力时沿径向增加的，在负压作用下气流往中心汇集，然后在吸风的共同作用下将污染物排走。而传统排风罩局部压力场没有此特性，使得他们对有害物的控制不如新型气幕式排风罩。旋转射流屏蔽作用下的抽吸流场具有中部压力较低和抽吸能力提高的作用。4.2 排风罩风流流场污染物扩散数值模拟结果分析采用组分输运模型对两种排风罩工作车间空气中有害物（CO）扩散进行了数值模拟，模拟结果如图 12图 13 所示。图 12图 13 为两种排风罩功过时 X=0
14、 切面 CO 质量分数分布图。从传统排风罩工作时 X=0 切面 CO 质量分数分布图可以看出，传统排风罩工作时有害物得不到有效地控制，有害物分布于整个切面。而新型旋风气幕式排风罩，由于有向下射流的屏蔽作用，将大量污染物控制在罩口下方的空间内，并且随离罩口距离增加而剧减。从图中还可以看出，新型旋风气幕式排风罩罩口上方空间污染物浓度很小，这样可以通过控制排风罩的安装高度，将有害物控制在人体呼吸带以下，而新鲜空气不断从车间上部得到补充，使人体可以呼吸到新鲜空气。5 结论通过对比分析传统排风罩和新型旋风气幕式排风罩工作流场及有害物分布情况数值模拟结果，结合理论分析，可以得到以下结论：1）新型旋风气幕式排风罩工作时在罩口下方产生旋转风幕，阻止污染源发散的有害物向外扩散，可提高排风罩系统对有害物的控制。2）旋转射流的屏蔽效应减少了吸口吸气范围，使得吸气流轴线速度衰减缓慢。新型旋风气幕式排风罩轴线速度衰减缓慢的特性可以实现远距离捕集有害物及较小的排风速度排放有害物。3）旋转射流屏蔽作用下的抽吸流场具有中不压力较低和提高抽吸能力的作用。
