【文章內(nèi)容簡介】 顆粒物屬于大粒子時，室內(nèi)的通風(fēng)對其并沒有什么影響，主要是重力沉淀。但是，當(dāng)測試粒子為小粒子時，其受到通風(fēng)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(zhì)，而把粉塵看成是離散的介質(zhì)；第二種看法，將水泥車間的流體看成是離散的介質(zhì)，而把粉塵看成是連續(xù)的介質(zhì)；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(xué)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(zhì)，這樣帶來的好處是，方便了許多關(guān)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(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)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(zhì)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(dāng)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(dāng)然，以上的關(guān)于粉塵分布的模型對實踐的工程生產(chǎn)都進(jìn)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(guān)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(guān)的作用力，包括附加質(zhì)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(zhì)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(zhì)量， kg。 浮力等于同體積介質(zhì)的重量 gdgmFapa ?? 31 6?? （ 2） [鍵入文字 ] [鍵入文字 ] 式中： da：空氣質(zhì)量， kg； ρa：空氣濃度， kg/m179。 223 )(8 paaD uudCF ?? ?? （ 3） 式中： CD：顆粒阻力系數(shù)； 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(shù)， 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(shù)可用下式近似表示： )6e1e242/ 3ppRRCD ?? （ （ 5） 一般地， Re 小于 1，對球形顆?？蓱?yīng)用下列公式求顆粒運動的阻力： 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(dāng)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(xiàn)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(shù)， kB= 1023JK1； T 是絕對溫度 。 3） Magnus 力 包裝車間的粉塵顆粒，當(dāng)它與其它的顆粒或者墻壁相撞擊之后，可能會發(fā)[鍵入文字 ] [鍵入文字 ] 生旋轉(zhuǎn)， 產(chǎn)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(zhuǎn)的角速度； ? 為流體渦量的 1/2。 4） Saffman 力 當(dāng)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(chǎn)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(xiàn)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(dǎo)熱率； k=（ 15/4） μR； kp 為顆粒熱導(dǎo)率 ； Cs=， Cl=， Cm=； mp 為顆粒質(zhì)量， T 為流體溫度， μ 為氣體動力粘度。 6）附加質(zhì)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(zhì)量力 [17]。 )(21 pdx uudtdF ?? ?? （ 11） 當(dāng) ρρd， xuuF pdx ??? )(?? （ 12） [鍵入文字 ] [鍵入文字 ] 7） Basset 力 當(dāng)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(zhì)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(dāng)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(jié)論 通過對水泥包裝車間粉塵分布規(guī)律的相關(guān)理論調(diào)查和粉塵的受力分析，可以更好 的了解關(guān)于水泥粉塵的研究成果和進(jìn)度，更好的了解粉塵，從而為后面模型的建立提高理論依據(jù)和模型建立的基礎(chǔ)。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(rèn)識，才能知道，在建立數(shù)值模型時，那些因素應(yīng)該考慮，那些受力情況應(yīng)該轉(zhuǎn)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(fù)雜化、困難化。 因此，只有對這些都了解并充分的認(rèn)識，才能有下面模型的建立以及控制方案的提出。 第三章 數(shù)值模擬 水泥包裝車間的數(shù)值的模擬和物理模型 水泥包裝車間的數(shù)值模擬 某水泥的包裝車間廠房的長、寬、高分別為 8m、 8m、 4m。內(nèi)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(nèi)的包裝機，[鍵入文字 ] [鍵入文字 ] 皮帶一共 50 米，室內(nèi)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(jīng)測定，其在 有員工 工作 的 區(qū)域粉塵濃度超標(biāo) 。 如圖 所示，水泥包裝車間一共有 a， b 兩個通風(fēng)口， c 為通風(fēng)管道的出口。 由于水泥包裝車間的環(huán)境情況復(fù)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(fēng)口風(fēng)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(jù)實際情況和將要提出的控制措施進(jìn)行一些理想狀態(tài)的選擇，從而確定模擬的數(shù)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(shè) 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(fù)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(xiàn)在的技術(shù)手段，不可能解決如此復(fù)雜的模型，因此，對于水泥包裝車間的模型進(jìn)行一定的簡化是非常有必要的。模型的假設(shè)和簡化如下： （ 1）水泥包 裝車間的粉塵顆粒，假設(shè)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(nèi)的流體直接與外部的空氣相連接，車間內(nèi)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(nèi)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(chǎn)的水泥的數(shù)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(chǎn)生粉塵，此處 3 米范圍內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)，故設(shè)定從皮帶機頭到皮帶 1m 內(nèi)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(nèi)。 （ 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(shù)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(guān)于水泥包裝車間的物理模型，如圖 圖 關(guān)于模型中所要研究的對象和內(nèi)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(jìn)技術(shù)的，水泥包裝車間的包裝機因此得到了快速的發(fā)展，現(xiàn)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(chǎn)塵不是很多，比較多的地方是水泥包裝機包裝好生產(chǎn)的袋裝水泥，然后從包裝機下落到運送皮帶上，因撞擊而產(chǎn)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(nèi)容 1）水泥包裝機生產(chǎn) 的袋裝水泥與皮帶撞擊點的粉塵的濃度； 2）撞擊產(chǎn)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(jīng)常被用于工業(yè)生產(chǎn)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(fù)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(fēng)速儀 如圖 所示， QDFA2 熱球式熱風(fēng)速儀，此儀器一般也用于室內(nèi)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(nèi) ； 測量誤差： 當(dāng)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(fēng)速儀 1）塵源處粉塵濃度的測試方法 根據(jù)上文的分析，塵源處粉塵的主要分布為 3m，并且根據(jù)現(xiàn)場的調(diào)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(shè)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