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《西安建筑科技大学》 2018年
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工业厂房内高温颗粒污染物在近壁面处扩散规律的研究

高东  
【摘要】:工业生产中许多高温工艺过程如焊接,短时间内释放高浓度的颗粒物与气流混合物。该类颗粒物温度高,粒径小,在室内迅速扩散,对作业环境安全以及工人的身体健康具有严重危害。对于污染源位于近壁面处的两相流研究并不多见,因此本文针对高温颗粒污染物在近壁面处时迁移扩散规律的研究,将为今后更加合理有效的控制该类污染物提供理论依据。本文首先以焊接实验为代表对此类高温颗粒污染物扩散规律进行研究,通过实验测试我们对焊接烟尘温度以及速度的变化规律有了初步认知,为后续的数值模拟研究提供了合理有效的边界条件。此后从前人的研究方法出发,结合该类污染物在流场中真实的运动状态,采用数值模拟方法对瞬时散发的高温颗粒物分别在稳态流场和非稳态流场中的扩散进行分析,通过对比颗粒物温度、速度变化,与气流跟随性以及水平方向上的分布,可知:(1)在稳态流场中,不同粒径的颗粒物均能迅速上升至厂房顶部,在非稳态流场中,对于初始温度T=673K,粒径d=1,5,10μm颗粒物先迅速上升至厂房中部位置,此后缓慢运动直至到达顶部,而粒径d=20μm和30μm的颗粒物上升过程中伴随大量的颗粒物回落,到达厂房中上部时不再上升反而会下落;(2)稳态流场中颗粒物的上升速度要远远大于非稳态流场中上升速度,颗粒物脱离气流的数目远远小于在非稳态流场中;(3)在稳态流场中,颗粒物在水平方向上的扩散半径远远小于非稳态流场中颗粒物的扩散半径;在稳态流场中,不同扩散半径内颗粒物均保持向上运动,在非稳态流场中,扩散半径较大的区域的颗粒物在厂房底部已经开始回落。在稳态流场中,颗粒物向近壁面处域迁移,而在非稳态流场中,颗粒物远离近壁侧迁移。由此可知,针对于本文研究对象,即高温颗粒物与气流瞬时散发的焊接工艺,若采用前人的颗粒物在稳态流场中扩散的研究方法,将对颗粒物的扩散迁移预测结果产生较大偏差。基于上述分析本文采用颗粒物在非稳态流场中运动的计算方法对不同影响因素下近壁面处瞬时散发的高温颗粒物扩散规律进行研究,从颗粒物的温度、速度变化出发,探究不同粒径和初始温度颗粒物气流跟随性及颗粒物水平方向扩散分布特性。所得主要结论如下:(1)具有初始温度T=673K的高温颗粒物散发后,短时间内(3s)温度衰减至300K,此后呈现缓慢降低的趋势,且颗粒物粒径越小,初始温度越高,衰减越迅速;伴随温度衰减,颗粒物的速度呈现先增大后减小的趋势,且颗粒物的粒径越大,最大速度越大,但衰减越迅速;(2)对于颗粒物与气流的跟随性,颗粒物粒径越小,初始温度越低,在运动过程中脱离气流的数目越少;对于初始温度T=673K,粒径d=1,5和10μm的颗粒物,95%以上均能运动至厂房中上部区域,80%以上能继续上升至接近屋顶的区域;而粒径d=30μm的颗粒物,运动至厂房中上部区域的数目不足70%,仅有42%的颗粒物能上升至接近屋顶的区域;对于粒径d=10μm,初始温度T=373,473,573和673K的颗粒物到达不同高度处的数目基本相同,仅在运动时间上具有一定差别,初始温度较低的颗粒物所需要的时间较长。(3)对于颗粒物水平方向上的扩散,颗粒物的粒径越小,初始温度越高,同一时刻水平扩散越显著,较之颗粒物粒径,初始温度对颗粒物水平方向扩散具有显著影响;在扩散半径较大的区域,t=1s时颗粒物已经发生回落;颗粒物在水平方向分布最初呈现高斯分布,随着颗粒物非对称水平方向运动导致慢慢偏离高斯分布,且颗粒物粒径越小,初始温度越高偏移越明显。
【学位授予单位】:西安建筑科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:X701;X16

【参考文献】
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