高大工业整体厂房焊接烟尘控制与置换通风数值仿真平台和试验研究

【摘要】：焊接是机械加工业不可缺少的技术手段。随着现代工业的发展,焊接及相关工艺日新月异。然而,随之而来的是有毒有害物质——焊接烟尘的大量产生,且常积聚在厂房上部,造成车间工作条件恶劣。 近年来,置换通风方式以其在热舒适、室内空气品质和节能方面的优越性引起广大学者和工程设计人员的关注。对这一通风方式的研究主要依靠实验法和CFD法,随着计算机技术的发展,CFD法在置换通风研究中已占据主要地位。然而,在实际焊接厂房中,由于空调风口结构复杂,焊接点热量散发方式和污染物散发方式难以确定,以及厂房内障碍物形式多样,都成为CFD技术成功应用的障碍。本文针对上述焊接厂房烟尘控制和置换通风模拟中的难题提出满足工程精度的简化方法,以便于寻找一种适合高大空间CFD气流组织分析的有效方法。首先,研究了不同尺寸孔板风口周围的流场分布特点,提出了孔板类风口的简化方法,并在此基础上提出了圆柱形风筒的简化方法;其次,分析了焊接热射流的特点,提出了一种简便的焊接热源简化方法;接着,提出将焊接烟尘散发源简化为一线污染源,同时,通过分析焊接烟尘粒子数量、粒子体积(质量)累积百分数与粒子尺寸的关系,认为数值模拟中污染物粒径的选取可在0.1～0.2μm、0.5～1μm和1～4μm三段区间分别选取一种粒径作为该区间段粒子粒径的代表。最后,在前述各简化模型的基础上对某铝合金焊接厂房烟尘控制和置换通风进行模拟,发现现有的置换通风系统的除尘、控温和控制风速能力良好。同时,文章研究了焊接热源强度对厂房内烟尘分布、温度分布和空气速度分布的影响,发现对已有的置换通风系统,厂房内的低强度热源对通风系统的除尘、控温和控制风速的能力并无影响,但若存在强度较高的热源,系统的除尘能力将大为降低。 此外,本文利用PIV技术对提出的圆柱形送风筒的简化方法进行验证,结果表明本文提出的简化方法与试验数据一致,从而验证了简化方法的正确性。