【文章內容簡介】 顆粒物屬于大粒子時，室內的通風對其并沒有什么影響，主要是重力沉淀。但是，當測試粒子為小粒子時，其受到通風的影響明顯增加。 同時，在研究水泥車間粉塵的分布規(guī)律時 ，也存在不同的看法，第一種看法，將水泥車間的流體看成是連續(xù)的介質，而把粉塵看成是離散的介質；第二種看法，將水泥車間的流體看成是離散的介質，而把粉塵看成是連續(xù)的介質；忽略其它情況，只研究流體與粉塵之間相互的作用力。然而在 1970 年的初期，英國帝國理工學院 Spaldillg 教授提出單流體模型 [7]，即將粉塵顆粒和載體流體看成同一介質，這樣帶來的好處是，方便了許多關于粉塵顆粒的研究，但是卻與實踐的粉塵運動有著很大的差距。因此該方案只用于理想模型狀態(tài)的研究，而不會用于解決實際的工程作業(yè)問題。 今年來，為了把粉塵的顆 粒運動應用于工業(yè)生產中，不少人提出了多流體模型，即將粉塵顆粒物和載體流體看成是相互滲透的介質或者流體 [8]，這個想法的提出，是將粉塵顆粒物和流體二者之間相互你的作業(yè)力考慮的比較充分，[鍵入文字 ] [鍵入文字 ] 缺點是，在考慮二者之間的作用力時，考慮的因素會比較多，比如粒子的大小，二者撞擊的時間，不同粒子之間的作用力是不一樣的等等，特別是當考慮的顆粒物比較多時，對于最后模型的計算式非常困難的。 當然，以上的關于粉塵分布的模型對實踐的工程生產都進行了一定程度的簡化，在具體的模型建立中還需要考慮其是否符合實際的分布情況。 粉塵在車間的 受力介紹 在分析水泥車間粉塵的受力情況時，我們必須考慮粉塵顆粒物和載體流體之間是否有作用力，一類是流體和顆粒間的相對運動無關的主要是體積力和各種梯度力 (如布朗擴散力、渦擴散力、壓力梯度力、渦泳力、熱泳力 )；另一類是流體和顆粒間的相對運動有關的作用力，包括附加質量力、 Basset 力等、Saffman 力、 Magnus 力等 [9,10]。 1） 重力和阻力 圖 為粉塵粒子收到的重力 F浮力 F介質阻力 F3，其受力分析圖如下 [11,12] 圖 為了研究方便將水泥包裝車間粉塵視為球體形，則粉塵重力為： gdgmFppp ?? 31 6?? （ 1） 式中： dp：粉塵粒徑， m； ρp：粉塵濃度， kg/m179。； mp：粉塵質量， kg。 浮力等于同體積介質的重量 gdgmFapa ?? 31 6?? （ 2） [鍵入文字 ] [鍵入文字 ] 式中： da：空氣質量， kg； ρa：空氣濃度， kg/m179。 223 )(8 paaD uudCF ?? ?? （ 3） 式中： CD：顆粒阻力系數； ua：空氣速度， m/s； up：粉塵速度， m/s。 ??apvd?Re （ 4） 式中： μ：氣體粘滯系數， pa s 對于水泥包裝車間粉塵顆粒， Re 一般在 1 以下。特別是 Re 時，pDC Re24? ，對于過渡區(qū)的顆粒，其阻力系數可用下式近似表示： )6e1e242/ 3ppRRCD ?? （ （ 5） 一般地， Re 小于 1，對球形顆?？蓱孟铝泄角箢w粒運動的阻力： vdF p??33 ? （ 6） 該阻力的 1/3 分量為顆粒的形狀阻力分量，阻力的 2/3 分量為顆粒的摩擦阻力分量。 2）布朗力 當懸浮的微粒足夠小的時候，由于受到的來自各個方向的液體分子的撞擊作用是不平衡的。在某一瞬間，微粒在另一個方向受到的撞擊作用超強的時候，致使微粒又向其它方向運動，被分子撞擊的懸浮微粒做無規(guī)則運動的現象叫做布朗運動 ，受到的力叫做布朗力 [13]。 xCDJBB ???? （ 7） 式中 pCBB dTCkD ??3?，為布朗擴散系數， kB= 1023JK1； T 是絕對溫度 。 3） Magnus 力 包裝車間的粉塵顆粒，當它與其它的顆?；蛘邏Ρ谙嘧矒糁螅赡軙l(fā)[鍵入文字 ] [鍵入文字 ] 生旋轉， 產生一個垂直于 相對速度方向的升力，稱為 Magnus 力 [14]。 ????pppM vvdF ???63 （ 8） 式中： p? 為顆粒旋轉的角速度； ? 為流體渦量的 1/2。 4） Saffman 力 當水泥包裝車間的粉塵顆粒足夠大時，其在流體中的速度梯度力也會變大，從而會產生一個，稱為 Saffman 力 [15]。 )()(2 4/12/1 pklijppij vvddd dKvF ?? ? ? （ 9） 式中： K=； dij；為流體變形速度張量。 5）熱泳力 水泥包裝車間粉塵 顆粒處在有溫度梯度的流場中，將受到自高溫區(qū)的熱壓力而向低溫區(qū)遷移，這種現象稱為熱泳，使顆粒由高溫區(qū)向低溫區(qū)運動的力通常稱為熱泳力 [16]。 xTTmKnCKC KnCKCudF plm lspx ????? ?? 1)221)(31( )(62? ? （ 10） 式中： Kn=2λ/dp， λ為氣體平均分子自由程； K=k/kp， k 為基于氣體平均動能的氣體熱導熱率； k=（ 15/4） μR； kp 為顆粒熱導率 ； Cs=， Cl=， Cm=； mp 為顆粒質量， T 為流體溫度， μ 為氣體動力粘度。 6）附加質量力 水泥包裝車間粉塵顆粒在周圍流體加速而引起的附加作用力，成為附加質量力 [17]。 )(21 pdx uudtdF ?? ?? （ 11） 當 ρρd， xuuF pdx ??? )(?? （ 12） [鍵入文字 ] [鍵入文字 ] 7） Basset 力 當水泥包裝車間粉塵 顆粒在流體中，作任意速度的直線運動時，顆粒不止受到重力和質量力，同時還受到一個瞬時流動阻力，稱為 Basset 力 [18]。 ? ??? ?? ????? ? 0 )(6 2 dt vvddrFppagB （ 13） 8）壓力梯度力 當水泥包裝車間粉塵顆粒在流體中，除了受到流體的阻力之外，還受到流體的壓力梯度力 [19]。 xpVxprF ppp ???????? 334 ? （ 14） 式中： Vp 表示顆粒的體積 。 結論 通過對水泥包裝車間粉塵分布規(guī)律的相關理論調查和粉塵的受力分析，可以更好 的了解關于水泥粉塵的研究成果和進度，更好的了解粉塵，從而為后面模型的建立提高理論依據和模型建立的基礎。只有對這些理論知識有了充分的了解，對粉塵的受力情況有了充分的認識，才能知道，在建立數值模型時，那些因素應該考慮，那些受力情況應該轉化為理想狀態(tài)。如果對這些都不清楚，在建立模型時，每個因素都需要考慮，每個受力情況都得計算，這樣無形中會使模型的建立復雜化、困難化。 因此，只有對這些都了解并充分的認識，才能有下面模型的建立以及控制方案的提出。 第三章 數值模擬 水泥包裝車間的數值的模擬和物理模型 水泥包裝車間的數值模擬 某水泥的包裝車間廠房的長、寬、高分別為 8m、 8m、 4m。內部有一臺水泥包裝機、輸送皮帶，輸送皮帶連接車間外的水泥輸送點和車間內的包裝機，[鍵入文字 ] [鍵入文字 ] 皮帶一共 50 米，室內的皮帶長 4 米，包裝機包裝好的水泥落到皮帶上，然后通過皮帶運送到終點， 經測定，其在 有員工 工作 的 區(qū)域粉塵濃度超標 。 如圖 所示，水泥包裝車間一共有 a， b 兩個通風口， c 為通風管道的出口。 由于水泥包裝車間的環(huán)境情況復雜，粉塵的濃度受到很多方面的影響，比如，人員的走動，受到 a、 b 兩個通風口風速的影響，這些因素對于水泥包裝車間的 粉塵模擬研究都會造成困難。因此，本課題會根據實際情況和將要提出的控制措施進行一些理想狀態(tài)的選擇，從而確定模擬的數值，并提出控制措施。 水泥包裝車間的物理模型 1） 物理模型簡化與假設 在對水泥包裝車間粉塵模型的建立時，考慮到車間中粉塵的流動、車間受到天氣的影響氣流的不確定性、以及人員的走動，這些都會對模型驗證復雜化，也對模型的計算甚至控制方案的提出增加困難，并且，以現在的技術手段，不可能解決如此復雜的模型，因此，對于水泥包裝車間的模型進行一定的簡化是非常有必要的。模型的假設和簡化如下： （ 1）水泥包 裝車間的粉塵顆粒，假設為理想狀態(tài)下的流體，即不可壓縮、常物性、定常流。同時，考慮到粉塵的分布以及流動狀況，并且需提出控制措施，因此，確定模型為三維模型。 （ 2）水泥包裝車間內的流體直接與外部的空氣相連接，車間內部有溫度變化，車間外的氣體更是具備可變性，為了方便計算，忽略二者溫度的改變，將車間內和外部的流體統(tǒng)一看做是恒溫狀態(tài)。 （ 3）水泥包裝車間的粉塵濃度是時刻變化的，然而，車間生產的水泥的數量是固定不變的，水泥落到皮帶的時間間隔是相同的，因此，將水泥粉塵的塵源看作是固定不變的。 （ 4）水泥包裝車間的袋裝水泥 下落到下行皮帶頭處由于撞擊產生粉塵，此處 3 米范圍內的粉塵濃度偏高，可以視作主要的塵源，其它區(qū)域的粉塵濃度低于國家的標準，故設定從皮帶機頭到皮帶 1m 內為發(fā)塵面（皮帶的運行速度為），即將測定的塵源發(fā)塵量平均分配到面積為 3m 內。 （ 5）研究水泥包裝車間的粉塵顆粒運動時，將其視作圓形的顆粒處理，這樣方便數值模擬和計算。 [鍵入文字 ] [鍵入文字 ] （ 6）模擬水泥包裝車間的粉塵擴散規(guī)律時，將粉塵顆粒的直徑視作同意，這樣可以簡單快速模擬其運動的規(guī)律。 2） 物理模型的建立 關于水泥包裝車間的物理模型，如圖 圖 關于模型中所要研究的對象和內容 模型研究的對象 上文也提到過，由于國家對水泥包裝機改進技術的，水泥包裝車間的包裝機因此得到了快速的發(fā)展，現今水泥包裝機大都是半封閉型的，就水泥包裝機而言，本身的產塵不是很多，比較多的地方是水泥包裝機包裝好生產的袋裝水泥，然后從包裝機下落到運送皮帶上，因撞擊而產生的粉塵，因此，在這個點看作是塵源，從而確定水泥包裝車間粉塵的運動規(guī)律 。 模型研究的內容 1）水泥包裝機生產 的袋裝水泥與皮帶撞擊點的粉塵的濃度； 2）撞擊產生粉塵的運動研究； 3）塵源粉塵的擴散速率研究。 檢測的儀器和方法 檢測的儀器 1） P5L2C 型微電腦粉塵儀 如圖 所示，此儀器經常被用于工業(yè)生產中，作為粉塵濃度的檢測，檢[鍵入文字 ] [鍵入文字 ] 測的的速度快， 1 分鐘就能測出濃度，靈敏度也高。性能也比較穩(wěn)定，攜帶方便。 主要特點為： 檢測靈敏度： ； 測定范圍： mg/m3100 mg/m3； 測定時間： 、 15 分及手動任意時間； 重復性誤差： ≤177。2% ；測量精度 ： 177。10% ； 環(huán)境溫度： 040℃。 圖 P5L2C 型微電腦粉塵儀 2） QDFA2 熱球式熱風速儀 如圖 所示， QDFA2 熱球式熱風速儀，此儀器一般也用于室內粉塵濃度的測定，但是，粉塵顆粒物的移動速度必須是低速才行。 主要特點為： 測定范圍：溫度在 10℃ 40℃、濕度 ≤85%RH 、大氣壓在 97104KPa 范圍內 ； 測量誤差： 當測試粉塵的額速度在不在 ，誤差較大， 不予使用。 [鍵入文字 ] [鍵入文字 ] 圖 QDFA2熱球式熱風速儀 1）塵源處粉塵濃度的測試方法 根據上文的分析，塵源處粉塵的主要分布為 3m，并且根據現場的調研，距離皮帶 處的粉塵濃度具有代表性，如圖 所示，在距離撞擊點 的平面設置 4 個測試點，每個點用儀器測量 4 次，每次 一分鐘。 11 3m 圖 測試區(qū)域劃分