张水平，黄小路，黎良飞

（江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州341000）

0 引 言

随着现代工业的快速发展，焊接技术在建筑、冶金、机械、造船、轨道以及桥梁等领域得到广泛应用[1]。 焊接时，焊接电弧区产生的温度最高可达5000 ℃，熔化焊条和焊芯会产生大量的烟尘，工人长期吸入会造成肺组织纤维性病变，即电焊工尘肺，同时神经系统也会受到伤害[2-4]。 在发达国家，电焊烟尘研究得到高度重视，电焊烟尘致病机制的研究已相对成熟，而我国在电焊烟尘研究领域的研究力相对薄弱，颗粒物的研究正在兴起[5]。 周红等[6]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扩散的因素，得到电焊烟尘的扩散特性；黄德寅等[7]采用空间统计学的克里格方法，对通风改造后各焊接操作位的短时间定点采样浓度数据进行空间插值，评估通风改造效果及职业病危害评价；顾平道等[8]利用Comsol Multiphysics 软件模拟了静电式电焊烟尘净化器荷电区的电流体场；黄德寅等[9]运用MPPD软件模拟电焊烟尘颗粒物在呼吸道的沉积规律，并采用蒙特卡罗方法分别模拟该车间电焊工的日暴露量、日潜在剂量和日作用剂量的概率分布；Moroni 等[10]根据尺寸分布、晶体结构对金属惰性气体（MIG）不锈钢（SS）电弧焊烟气样品进行了SEM-TEM 组合研究，为后人研究电焊烟尘颗粒奠定了基础；杨利芳等[11]通过数值模拟金属丝绵的除尘效率、过滤压力损失及残余压降等影响过滤性能的因素，将金属丝绵应用于移动式除尘器；刘洁等[12]介绍了一种新型的高性能金属微孔过滤材料——烧结属丝网过滤材料及其特性，将该过滤材料应用于高温煤气的除尘过程中。 这些文献虽对电焊烟尘有一定的研究，但对电焊烟尘去除效果评价的研究较少，文中通过对栅-网耦合过滤过程的研究，利用软件进行对栅-网耦合正交试验的相关参数进行模拟计算，得出各参数对过滤效率的影响程度以及电焊烟尘的过滤效果最明显的工况组合。

1 几何模型的建立

模型由金属丝过滤网、振弦栅和外部箱体构成，起过滤净化的作用。 放置顺序为前栅后网（气流先流经振弦栅再流过金属丝网），示意图如图1所示。

单根振弦栅与垂直方向的夹角ω=arctan（0.4/200）=0.115°，基本可忽略不计，故在本研究中每一根振弦栅均看作垂直排布。 在ICEM-CFD 中建立振弦栅简化阵列模型，拓扑后得到图2。

图2 振弦栅简化模型

本文选用的金属丝网的参数见表1。

表1 金属网参数表

将金属丝网实际模型合理简化为有序的经、纬向阵列模型，图3 为5 μm 等效过滤孔径的金属丝网几何模型示意图。

图3 金属丝网几何模型

根据栅-网耦合过滤段实物模型的实际参数应用ICEM-CFD 软件在笛卡尔坐标系中建立三维几何模型，模型参数见表2，经拓扑后得到图4。

表2 几何模型参数表

图4 栅-网耦合几何模型示意

采用非结构化网格划分法对几何模型进行网格划分。

2 金属丝网等效过滤孔径的模拟研究

2.1 丝网等效过滤孔径对过滤效率的影响

分别对等效过滤孔径为 5 μm、3 μm、1 μm 的金属丝网建模，设置比例参数得到合适的计算网格，导入FLUENT 软件，入口风速设置为1.0 m/s，经迭代计算得到不同等效孔径下的模拟结果，整理如表3 所示。

表3 不同过滤孔径的过滤效率表

分析不同等效过滤孔径的金属丝网对颗粒的分级过滤效率，统计流场出口颗粒粒径分布，得到数据如表4。

表4 不同等效过滤孔径的出口颗粒粒径分布表

不同孔径出口颗粒粒径分布存在明显差异：5 μm 和 3 μm 等效过滤孔径的金属丝网对粒径大于0.56 μm 的电焊烟尘颗粒有较好的过滤效果，但后者对粒径0.192~0.376 μm 颗粒的过滤效果稍好于前者；1 μm 等效过滤孔径的金属丝网对粒径为0.4 μm 以上微粒已达到较高的分级效率。 因此可以认为，在不考虑阻力的情况下，等效过滤孔径越小的金属丝网过滤电焊烟尘颗粒不仅总体净化效率更高，而且分级过滤性能也更加优异。

文中各金属丝网等效过滤孔径均对0.56 μm以上的颗粒有较好的过滤效果。 从金属丝网左、右两侧含尘气流的速度矢量图（图5~图7）分析可知，电焊烟尘开孔率低导致气流在过滤孔周围出现风速超过20 m/s 的局部扰流，从而提升了除截留效应外的惯性碰撞效应、扩散效应的强度，促进颗粒与振弦栅的碰撞，使较大的颗粒被捕获，极小颗粒则随气流逃逸。

2.2 丝网等效孔径对过滤流场的影响

由于厚度极小，故可将金属丝网简化为多孔跳跃边界模型，利用惯性阻力系数C2和渗透率K 定义模型参数，进行模拟后结果如图8。

由模拟结果得，由于金属丝网开孔率低，气流流经金属丝网时产生了较为剧烈的回流现象，导致在过滤面周围局部出现了负压和较多流速较高的小涡旋，即紊流现象，此时流速增加整体较为平缓。故在实际应用过程中可适当增大过滤风速。

图5 5 μm 等效过滤孔径速度矢量

图6 3 μm 等效过滤孔径速度矢量

图7 1 μm 等效过滤孔径速度矢量

图8 不同等效孔径金属丝网的速度分布云图

3 栅-网耦合正交试验

栅-网耦合过滤过程中过滤效率受多种因素的交叉影响，因此需要通过正交模拟的方式得到影响除尘效率的主要因素，以确定模拟条件下的最优工况组合。

3.1 试验参数的设置

单块振弦栅的参数设置为：0.2 mm 栅丝直径、0.35 mm 栅丝间距、1 mm 栅丝层间距；振弦栅数量为两块时，栅间距为20 mm，摆放顺序为前栅后网。选取振弦栅数量、栅-网间距和金属丝网等效过滤孔径为耦合正交变量进行正交模拟，其代号及取值如下：

1）振弦栅数量（A）：1 块（A1）、2 块（A2）；

2）栅-网间距（B）：5 mm（B1）、20 mm（B2）、40 mm（B3）；

3）金属丝网等效孔径（C）：5 μm（C1）、3 μm（C2）、1 μm（C3）。

为直观地呈现正交模拟变量，可处理得到不同工况下的正交模拟编号表5。

表5 正交模拟工况编号表

因实际应用中振弦栅的过滤风速大于金属丝网，本模拟决定选取 1、2、3、4、5、6、7 m/s 这 7 个入口风速作为模拟的外部变量进行研究。

3.2 耦合正交试验结果与分析

3.2.1 耦合正交过滤效率试验结果

在入口风速分别为 1、2、3、4、5、6、7 m/s 时，将电焊烟尘气流在18 种不同工况条件下做正交试验，得到过滤段颗粒捕集率的数据，其过滤效率随入口风速变化的试验结果见图9。

图9 不同工况下的试验结果

3.2.2 过滤效率模拟结果与分析

采用FLUENT 软件默认的一阶差分格式和SIMPLE 算法，应用阵列模型简化振弦栅和金属丝网过滤材料，模拟电焊烟尘气流在18 种不同正交模拟工况条件下的过滤段颗粒捕集率，得到共计126 种组合的模拟结果，见图10。

依据图9、图10 以振弦栅数量为区分方式对不同工况进行分类讨论：

1）单块振弦栅

金属丝网等效过滤孔径为5 μm 时，各工况过滤效率随风速变化的趋势相近，达到最大值的风速均为6 m/s，栅-网间距为40 mm 时过滤效率较其他两者稍高； 金属丝网等效过滤孔径为3 μm 时，栅-网间距为40 mm 且风速为4 m/s 时过滤效率达到最大值； 金属丝网等效过滤孔径为1 μm 时，不同工况过滤效率达到极值的入口风速均为5~6 m/s。单块振弦栅耦合的情况下，栅-网间距为5 mm，等效过滤孔径为1 μm 的金属丝网与振弦栅的耦合效应最明显。

图10 不同工况不同风速条件下的过滤效率折线图

2）两块振弦栅

金属丝网等效过滤孔径为5 μm 时，过滤效率随风速变化体现出先增后减再增的趋势；金属丝网等效过滤孔径为 3 μm 时，栅-网间距为 20 mm 的过滤效率随入口风速变化趋势为先增后减再增，其他两者均在过滤风速为5 m/s 时达到极值；当金属丝网等效过滤孔径为1 μm 时，过滤效率随入口风速的变化趋势与单块振弦栅工况体现的规律相近，仅仅是有部分工况条件下极值点减小； 此时栅-网间距为20 mm，等效孔径为1 μm 的工况耦合效应更明显。 振弦栅数量增加后，等效过滤孔径分别为5 μm 和 3 μm 时过滤效率有一定提升，但等效过滤孔径为1 μm 的变化不明显；配置两块振弦栅时，不同等效过滤孔径工况均体现出更强的规律性。

3.2.3 极差分析

用同一因素不同水平下平均过滤效率的极差R（R=Xmax-Xmin）来反映不同因素的水平的变化对试验结果影响程度的大小，极差越大，则因素的水平变化对试验结果的影响就越大，反之就越小。

通过极差分析法对试验结果进行分析得到表6。

表6 模拟结果极差分析表

初步分析4 种正交参数对过滤效率的影响程度，可排序为： 金属丝网等效过滤孔径＞振弦栅数量＞入口风速＞栅-网间距。

3.2.4 过滤压降模拟结果与分析

在模拟结果中后处理选项中选择report 输出气流入口面及出口面平均压强并求出差值，按不同工况整理后可得到图11。

分析模拟结果可得，过滤压降与入口风速呈正相关，等效过滤孔径为1 μm 的金属丝网过滤压降远大于其他两者； 金属丝网等效过滤孔径为5 μm和3 μm 的过滤压降差值较小； 过滤压降与栅-网间距呈正相关；相对单块振弦栅的工况，两块振弦栅的过滤压降明显更大，但得到的过滤压降折线重合度更高，体现出更加明显的规律性。 相较于单网过滤工况，栅-网耦合过滤系统能明显提高电焊烟尘的过滤效率。

3.2.5 过滤效率对比

根据不同工况组合条件下的过滤效率和过滤压降，分析得到满足过滤需求前提下过滤压降最小的工况组合。

采用粉尘整体过滤效率为计算标准。出口浓度按式（1）计算，整体过滤效率按式（2）计算，且与模拟计算所得过滤效率相对应。

图11 不同工况不同风速条件下的过滤压降

式（1）中：C 为出口浓度，mg/m3；G 为电焊烟尘的质量流量，mg/s；Q 为风管风量，m3/s。

式（2）中：η 为整体过滤效率，%；C1为入口浓度，mg/m3；C2为出口浓度，mg/m3。

根据文献[13]，本文选用罩面吸口直径为0.2 m，罩面吸口风速为0.3 m/s，喷口速度为1.1 m/s 的排风罩，经计算进入栅-网耦合过滤系统的电焊烟尘浓度为271.02 mg/m3。 不考虑风管漏风率对过滤效率的影响，根据式（2）得到栅-网耦合过滤系统满足作业场所电焊烟尘接触限值标准的最低过滤效率为98.53%，将满足过滤需求的所有工况整理后得到表7。

对比过滤压降后可知，振弦栅结构参数为0.2 mm 栅丝直径、0.35 mm 栅丝间距、1 mm 栅丝层间距，采用两块振弦栅，栅间距为20 mm，摆放顺序为前栅后网的前提条件下，金属丝网等效过滤孔径为1 μm 的栅-网耦合过滤系统在入口风速为3.0 m/s 时对电焊烟尘的过滤效率达到98.96%。 其排出电焊烟尘浓度低于4 mg/m3，满足国家对工作场所电焊烟尘接触限值的要求，过滤压降远小于其他能满足过滤需求工况，能效优势明显。

表7 各工况过滤效率及压降对比表

4 结 论

1）在不考虑阻力的情况下，金属丝网的等效过滤孔径越小过滤效率越高，而且在分级过滤效率方面也有明显体现。

2）振弦栅数量为一块时：栅-网耦合过滤系统较使用单网过滤效率的提升幅度按从大到小的顺序排列依次为6%~7%、7%~9%、5%~6%，等效过滤孔径为3 μm 时耦合效应最明显。 振弦栅数量为两块时明显提升了各工况栅-网耦合效应的强度，较仅使用单网过滤，栅-网耦合过滤系统按金属丝网等效过滤孔径提升幅度依次为10%~13%、9%~10%、6%~7%； 耦合效应强度随金属丝网过滤孔径的减小而减小。

3）4 种正交参数对过滤效率的影响程度，可排序为： 金属丝网等效过滤孔径＞振弦栅数量＞入口风速＞栅-网间距。

4）综合考虑过滤效率和过滤压降，采用两块振弦栅，栅-网间距为20 mm，金属丝网等效孔径为1 μm的栅-网耦合过滤系统在入口风速为3.0 m/s 时对电焊烟尘的过滤效率达到98.96%，效果最明显。