林大建 马淋淋 姜鑫

(江西理工大学资源与环境工程学院 江西赣州 341000)

0 引言

木制家具生产过程中，往往会进行喷漆处理，喷漆过程中产生的甲苯等有害物质不仅会对人体、空气、水环境造成污染[1]。对木制家具喷漆房进行气流组织优化研究，并提出有效方案，就可采取针对性的措施来减少其带来的危害。

传统气流组织优化研究往往采取现场测量采样和实验分析的方法，检测环境存在危险，因测点较多而耗费时间与人力，且数据受多种因素的影响而无法保证其准确性[2]。现如今，对室内气流组织污染扩散问题的研究已成为热门，CFD方法模拟时间短、成本低，且易于实现多种工况，被大量学者应用于对气流组织的优化研究[3-4]。蒋明辉[5]基于CFD方法结合正交试验对车辆在装料时产生的扬尘进行了模拟，采用k-ε标准湍流模型，拉格朗日离散相模型用作两相流模型，对正交数据进行多元回归分析，对现有尘源控制系统进行了优化，并且达到了符合预期的治理效果。李瑞[6]采用CFD数值仿真模拟，基于优化的机柜模型，对不同形式下的气体环境进行了分析，针对不同影响因素获得每个因素的最优工况，最后通过正交分析得出整体最优方案，有效解决了机房制冷能耗、优化数据中心气流组织的问题。徐丽等[7]采用k-ε粘性湍流模型和Navier-Stokes方程并结合CFD方法，对房间中污染物CO2的浓度进行仿真研究，对3种不同的通风方案进行对比，得出了提高空气品质和通风效率的最优通风方案。李思师等[8]以传统办公室为研究模型，提出用竖直贴附射流结合导流板的新送风形式，对不同影响因素进行正交试验设计，通过对比不同工况下气流组织的流场及温度场分布规律，得出了既满足舒适性又保证通风效果的导流板优化方案。

文中采用ICEM建立物理模型，导入FLUENT进行参数设定并求解，把喷涂过程中甲苯扩散的过程作为研究对象，在不同通风量、排风口高度、排风口位置、通风口形状的工况下，结合CFD方法，研究其分布规律，把垂直、水平控制面上污染物的平均质量分数和平均速度作为评价指标，通过方差分析并综合考虑劳动者舒适性等因素，对木制家具涂装过程中影响通风效率的因素进行正交设计。

1 模型的建立

模拟的过程为室内污染物的扩散过程，在不影响模拟结果的前提下，需对相关条件进行必要假设：连续性介质、非稳态湍流、无化学反应、t=0时污染物浓度为零。室内污染物扩散属于流体流动的范畴，因此应遵循流体流动基本物理守恒定律，包括：质量守恒定律、能量守恒定律、动量守恒定律、组分守恒定律。

以某家具厂涂装过程中化学挥发性有机化合物(VOCs)扩散作为数值模拟研究对象,通过室内甲苯扩散速度场、浓度场的数据来研究其扩散规律并设计正交方案进行优化。

根据《涂装作业安全规程 涂漆工艺安全及其通风净化》(GB 6514—2008)，可知喷漆过程中化学挥发性有机物含量约占油漆总量的0.65。物理模型选择常规喷漆房模型(见图1)，室内湿度、压力、温度等参数采用默认值,污染物散发源为油漆喷枪，喷枪喷射速度最大可达4.248 kg/h，在喷漆过程中C7H8有组织扩散速度约0.167 kg/h，占污染物浓度的3.93%。模型的具体参数见表1。

2 甲苯分布规律的模拟分析

家具制造业手动喷漆房通风设施技术规程对室内污染物监测点做出相关要求：通风形式为上送下排时，地面标高为0 m，取1.5 m处(即z=1.5 m)水平截面为控制面；通风形式为上送侧排时，取涂装作业人员所在位置(即x=3.05 m)垂直截面为控制面。

1—出口；2—光源；3—喷漆台；4—通风口；5—收集池； 6—水帘幕板；7—排风口。

表1 模型具体参数

2.1 初始设置情况下的甲苯分布

本次研究初始设置条件：送风量为8.0×103m3/h，排风口为0.64 m2(正方形)，排风口标高0.2 m。初始设置条件下，甲苯分布见图2。当室内甲苯扩散基本平稳时，垂直、水平控制面上甲苯平均质量分数分别为1.54×10-5(质量浓度为1.89×10-2g/m3)、1.30×10-5(质量浓度为1.59×10-2g/m3)；平均速度分别为0.50、0.46 m/s。

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

2.2 改变通风量

通风量的大小会直接影响甲苯的扩散速度及浓度分布。保持通风口尺寸一致，改变通风量大小，研究3种不同的工况下气流组织分布情况。通风量为1.0×104m3/h时，甲苯分布见图3。室内甲苯扩散基本稳定时，垂直、水平控制面上甲苯平均质量分数分别为7.89×10-6(质量浓度9.7×10-3g/m3)、6.23×10-6(质量浓度7.6×10-3g/m3)；平均速度分别为0.63、0.51 m/s。通风量为1.2×104m3/h时，喷漆房内甲苯扩散基本稳定时，垂直、水平控制面上甲苯平均质量分数分别为4.38×10-6(质量浓度5.4×10-3g/m3)、2.59×10-6(质量浓度3.12×10-3g/m3)；平均速度分别为0.79、0.66 m/s。

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

对比分析3种工况下甲苯速度场、浓度场的变化：当送风量由8.0×103m3/h增至到1.0×104m3/h时，甲苯的浓度出现快速降低趋势，扩散速度加快；当送风量1.0×104m3/h增至1.2×104m3/h时，甲苯浓度呈现缓慢降低趋势，扩散速度加快。可知在一定范围内增大通风量可降低室内污染物浓度，但通过增加通风量来降低污染物浓度具有一定局限性，当通风量达到一定值后，增加通风量后喷漆房内污染物浓度下降趋势缓慢。各工况下控制面浓度均为可接受范围，但当作业人员周围风速过大时会影响其劳动舒适感(风速应控制在0.3～0.5 m/s)，故通风量为8.0×103m3/h时通风效果最优。

2.3 改变排风口高度

排风口距地面高度会直接影响喷漆房内通风效率。本次模拟取排风口标高为0.1、0.2、0.3 m等3种工况，对甲苯扩散规律进行分析。排风口标高0.1 m时，甲苯分布云图见图4。室内甲苯扩散基本稳定后，垂直、水平控制面上甲苯平均质量分数为1.60×10-5(质量浓度1.96×10-2g/m3)、9.89×10-6(质量浓度1.21 ×10-2g/m3)；平均速度分别为0.55、0.40 m/s。排风口标高0.3 m时，室内甲苯扩散基本稳定后，垂直、水平控制面上甲苯平均质量分数为1.49×10-5(质量浓度1.82×10-2g/m3)、9.95×10-6(质量浓度1.22×10-2g/m3)；平均速度分别为0.55、0.41 m/s。

对比分析可认为：排风口标高0.3 m时，污染物平均质量分数较另外两种工况略小。随着排风口标高增加，甲苯浓度降低，控制面风速上升，室内通风效果更好。综合考虑控制面上平均质量浓度及劳动者作业舒适度的要求，认为排风口标高0.2 m时通风效果更好。

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

2.4 改变排风口位置

当室内排风口位置发生改变时，室内甲苯扩散规律也会发生变化。本次分析取排风口距离左墙3.5、5.0、6.5 m等3种工况下甲苯分布情况。排风口距左墙3.5 m时，甲苯分布云图见图5。室内甲苯扩散基本稳定时，垂直、水平控制面上甲苯平均质量分数分别为6.59×10-6(质量浓度8.07×10-3g/m3)、6.75×10-6(质量浓度8.27×10-3g/m3)；平均速度分别为0.68、0.47 m/s。排风口距左墙3.5 m时，室内甲苯扩散基本稳定时，垂直、水平控制面上甲苯平均质量分数为1.49×10-5(质量浓度1.83×10-2g/m3)、1.10×10-5(质量浓度1.35×10-2g/m3)；平均速度分别为0.45、0.46 m/s。

对比可知，当喷漆房内甲苯扩散基本稳定时，排风口与左墙距离由3.5 m增大到5.0 m时，控制面周围的甲苯平均质量分数增大，风速降低；排风口与左墙距离由5.0 m增大到6.5 m时，控制面附近甲苯平均质量分数少量降低，风速降低。分析后可认为工况一通风效果更佳。

2.5 改变通风口形状

对于喷漆房内污染物扩散，通风口的形状也同样起到重大影响作用。本次模拟取通风口形状分别为长方形(3.2 m×0.2 m)、正方形(0.8 m×0.8 m)、圆形(R=0.9 m)条件下，研究室内甲苯扩散规律。

通风口形状为长方形时，甲苯分布云图见图6。室内甲苯扩散基本稳定时，垂直、水平控制面上甲苯平均质量分数为1.21×10-5(质量浓度1.48×10-2g /m3)、1.68×10-5(质量浓度2.06×10-2g /m3)；平均速度分别为0.41、0.37 m/s。

通风口形状为圆形时，甲苯分布云图见图7。室内甲苯扩散基本稳定时，垂直、水平控制面上污染物平均质量分数分别为1.60×10-5(质量浓度1.96×10-2g/m3)、1.07×10-5(质量浓度1.31×10-2g/m3)；平均速度分别为0.57、0.48 m/s。

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

对比图2、图6、图7可认为：通风口形状为圆形时室内污染物质量分数高于另外两种情况；通风口形状对甲苯运动速度影响程度：圆形>正方形>长方形。通风口形状为正方形时，控制面上污染物平均质量分数较低。综合考虑控制面上平均质量浓度及劳动者作业舒适度的要求，通风口形状为正方形状时通风效果最优。

3 基于正交方案的气流组织优化设计

本文选定4个因素、3个等级，采用正交方案设计，按正交表为L9(34)=4×(3-1)+1=9种。

3.1 编制方案

结合单一因素对喷漆房内气流组织的影响，针对各单一影响因素及各工况进行正交性分析，制定正交方案因素等级表，设计方案及方案结果见表2。

表2 设计方案及方案结果

续表2

基于正交方案对数据进行方差分析，在进行检验显著性前，可通过设置低影响因素为误差项来提高F检验的灵敏性。通过在2.5节对通风口形状分析可知通风口形状对室内通风影响较低，在此将通风口形状设为误差项，方差分析见表3。

表3 方差分析

从表3可以看出，4种因素对喷漆房内污染物平均质量分数影响显著性低；排风口位置对甲苯平均速度的影响的显著性高于其他因素。两组方案指标的优水平一致，得出对室内甲苯扩散影响程度的大小：排风口距左墙位置>排风口标高>通风量>通风口形状，优组合方案数据： 1.0×104m3/h、5.0 m、0.2 m、长方形。

3.2 气流组织优化设计方案

基于正交方案设计并进行方差分析得出气流组织优化设计方案，但其真正通风效果仍需进一步验证。由图8可以看出，喷漆房内甲苯扩散基本稳定时， 垂直、水平控制面上甲苯平均质量分数分别为1.75×10-5(质量浓度2.14×10-2g/m3)、9.33×10-6(质量浓度1.14×10-2g/m3)；平均速度分别为0.45、0.37 m/s。

x=3.05 m z=1.5 m x=3.05 m z=1.5 m

通过对比初始设置条件下及优化方案条件下垂直、水平控制面上甲苯分布云图，可知前者垂直控制面上甲苯浓度略低，后者水平控制面甲苯浓度略低，但前者平均速度处于劳动者舒适度要求速度范围的临界值附近，选取最优方案时，通风要求及作业人员舒适度均需考虑。综合考虑后可认为后者更符合现实要求。

4 结论

(1)本文利用CFD模拟研究喷漆房内通风量、排风口高度、排风口位置、通风口形状等因素对污染物扩散的影响。在喷涂油漆过程中污染物释放量一定条件下，各单一因素的改变均会改变污染物扩散的运动轨迹，通过对木制家具涂装过程中气流组织扩散规律分析，得出单组最优解。

(2)基于正交设计并对喷涂过程中影响污染物扩散的因素进行方差分析及综合考虑劳动者作业舒适度的角度提出了气流组织优化方案数据：通风量1.0×104m3/h、排风口距左墙5.0 m、排风口标高0.2 m、通风口形状为长方形。

(3)CFD模拟方法在保证模拟数据可靠性前提下进行多因素多水平组合模拟，对提高室内通风效率方面有着重要的指导意义，对喷涂工艺过程提出可量化、易实现的措施，为企业提高喷漆房内通风效率，降低劳动者职业危害提供了参考性建议。