﻿ 某报废弹药销毁车间气流组织数值模拟分析 Numerical Calculation of Air Distribution on TNT Dust in a Scrapped Ammunition Destroyed Workshop

Hans Journal of Civil Engineering
Vol.04 No.03(2015), Article ID:15237,7 pages
10.12677/HJCE.2015.43016

Numerical Calculation of Air Distribution on TNT Dust in a Scrapped Ammunition Destroyed Workshop

Shiyang He

Email: hsy_lz@163.com

Received: Apr. 20th, 2015; accepted: May 15th, 2015; published: May 18th, 2015

ABSTRACT

The air distribution of the scrapped ammunition destroyed workshop is numerically simulated using FLUENT software based on the standard κ-ε two equations turbulence model and SIMPLEC pressure-speed coupled algorithm; then the particle distribution of the scrapped ammunition destroyed workshop is numerically simulated by the discrete phase model of FLUENT after the air flow field calculating convergence. Finally, the results of numerical simulation are analyzed. The results show that changing supply air speed has little influence for the air distribution of the workshop and some regional air flow is easy to form dead zone in the existing supply and back air form. Under the same conditions, small size of particulate easily spreads to the top of workshop and higher level, but large size of particulate does not easily spread to the top of workshop, and the concentration of the particle is higher in certain areas of the workshop. The optimizing advices are put forward for the ventilation system designing of the scrapped ammunition destroyed workshop based on the results of numerical simulation.

Keywords:TNT Dust, Ventilation Flow Field, Concentration Field, Numerical Simulation

Email: hsy_lz@163.com

1. 引言

2. 工程概况

3. 流速数值模拟求解过程

3.1. 物理模型的简化设定

Figure 1. Sketch: workshop

3.2. 模型构建及网格划分

3.3. 求解计算

1) 运行FLUENT程序，选择3D FLUENT求解器，读入GAMBIT导出的物理模型*.msh文件；

2) 检查网格，设定模型长度单位；

4) 选择标准k-e双方程湍流模型，采用标准壁面函数；

5) 设定操作环境及空气物性；

6) 设定边界条件，设定送风口和排风罩回风口的气流速度；

7) 设置求解方法，速度和压力耦合采用SIMPLEC算法；

8) 对计算流场赋初值，初始化计算区域，并进行迭代计算；

9) 对计算结果进行后处理。

3.4. 数值模拟结果及分析

(a) 距出口300 cm断面的速度分布 (b) 距右侧墙120 cm断面的速度分布 (c) 距地面90 cm断面的速度分布 (d) 距出口300 cm，距地面150 cm处速度沿程分布

Figure 2. Simulation results: velocity distribution in difference actions when blowing velocity is 0.5 m/s

(a) 距出口300 cm断面的速度分布 (b) 距右侧墙120 cm断面的速度分布 (c) 距地面90 cm断面的速度分布 (d) 距出口300 cm，距地面150 cm处速度沿程分布

Figure 3. Simulation results: velocity distribution in difference actions when blowing velocity is1.0 m/s

(a) 距出口300 cm断面的速度分布 (b) 距右侧墙120 cm断面的速度分布 (c) 距地面90 cm断面的速度分布 (d) 距出口300 cm，距地面150 cm处速度沿程分布

Figure 4. Simulation results: velocity distribution in difference actions when blowing velocity is 2.0 m/s

1) 送风速度为0.5 m/s：

2) 送风速度为1 m/s：

3) 送风速度为2 m/s：

1) 由不同送风速度的数值模拟结果可以看出，当送风速度发生改变时，车间内的气流组织情况并未发生显著变化，即：在现有的送回风形式下，改变送风速度，对车间的气流组织状况影响较小。送回风形式是影响气流组织情况的关键性因素，因此，欲改善车间内的通风状况，须制定和选择正确合理的送回风形式，使车间内的空气品质得到优化改善。

2) 由于送回风口的高度设置较低，并且送风速度及湍流度较小，所以，模拟结果显示，车间顶部的气流运动速度相对较慢，尤其是在车间东南角顶部，由于此角落高度较高，且离送回风口较远，容易形成气流运动的“死区”。

3) 由于送回风口不在同一平面上，在水平面内，气流从送风口以近乎射流的状态送出并到达对面墙面时，开始围绕制片机和排风罩运动并且形成涡流，最终经排风罩排至车间外。由于台阶的阻碍作用，且气流流动速度较小，气流在车间西北角底部形成涡流。

4. 粉尘浓度场数值模拟

1) 待连续相完全收敛后，定义DPM模型 [4] ；

2) 定义离散相射流源：选择面射流源(距地面0.9 m的水平面)，颗粒密度r = 1654 kg/m3，颗粒质量流量为0.1 g/s，颗粒垂直向上的初速度为0.1 m/s；

3) 设置随机游走模型 [1] [4] (DRW)；

4) 设置颗粒的受力 [4] [5] ：重力、萨夫曼(Saffman Lift Force)、热泳力(Thermophoretic Force)、布朗运动(Brownian Motion)，流体拽力选择斯托克斯–坎宁安(Stokes-Cunningham)定律；

5) 设定离散相边界条件：送风口和回风口设为逃逸边界(Escape)，固壁设为捕集边界(Trap)；

6) 对计算流场赋初值，初始化计算区域，并进行计算；

7) 对计算结果进行后处理。

1) 由于气流组织是影响颗粒物浓度分布的决定性因素，因此，在送回风形式一定的情况下，不同粒径的颗粒物浓度的分布规律具有相似或相同之处，例如，在气流的涡流区或死循环区颗粒物的浓度较高，容易形成积聚等。

2) 对比不同粒径的颗粒物的数值模拟结果可知，在相同条件下，粒径小的颗粒物易扩散到车间顶部或高度较高的水平面，而大粒径的颗粒物则不易向上扩散，进口(距地面90 cm)以下空间的颗粒物浓度明显高于发射面以上的浓度。

(a) 距出口300 cm断面的颗粒物浓度分布 (b) 距右侧墙120 cm断面的颗粒物浓度分布(c) 距地面90 cm断面的颗粒物浓度 (d) 距出口300 cm，地面150 cm处颗粒物浓度沿程分布

Figure 5. Simulation Results: concentration distribution in difference actions when blowing velocity is 0.5 m/s & particle size is 0.1 μm

(a) 颗粒物粒径为1 μm (b) 颗粒物粒径为5 μm(c) 颗粒物粒径为10 μm

Figure 6. Simulation results: concentration distribution in the position (hight is150 cm, distance is 300 cm) when blowing velocity is 0.5 m/s

3) 车间内距右侧墙200 cm的空间下部，易积聚大量颗粒物，尤其是在车间东南角的台阶处，颗粒物积聚情况更为严重。

4) 在人员呼吸区高度范围内(距地面150 cm左右)，颗粒物浓度较低，分布较均匀。

5) 颗粒物的浓度曲线图显示，粒径为0.1 μm的颗粒在墙壁处浓度较高，射流状的送风气流使车间中间部位的颗粒物浓度远低于车间两侧的颗粒物浓度；然而大粒径的颗粒物曲线分布图规律不明显，表明颗粒物分布云团不均匀。

1) 送风口形式应改为长条形，且在送风侧均匀布置，以消除空气流动的某些死区或死循环区域，使气流组织更加合理；

2) 送风速度不宜过大，以免造成颗粒物向车间顶部扬起或二次扬尘的产生；

3) 建议在弹丸倾倒、熔融、制片等工作区域均加设局部排风系统，使产生的TNT粉尘迅速排除，避免其向其他区域扩散。

5. 结论

1) 相同条件下，粒径小的颗粒物易扩散到车间顶部或高度较高的水平面，而大粒径的颗粒物则不易向上扩散，发射面以下空间的颗粒物浓度明显高于发射面以上的浓度。

2) 车间内距送风口 ≥ 200 cm断面的空间下部，易积聚大量颗粒物，尤其是在车间东南角的台阶处，颗粒物积聚情况更为严重。

3) 在人员呼吸区高度范围内，颗粒物浓度较低，分布较均匀。

4) 在现有的送回风形式下，改变送风速度对车间内气流组织影响较小，而且车间内某些区域的气流流动易形成死区；在相同条件下，粒径小的颗粒物易扩散到车间顶部或高度较高的水平面，而大粒径的颗粒物则不易向上扩散，车间内某些区域颗粒物的浓度较高。

Numerical Calculation of Air Distribution on TNT Dust in a Scrapped Ammunition Destroyed Workshop. 土木工程,03,127-134. doi: 10.12677/HJCE.2015.43016

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2. 2. 韩占忠, 王敬, 兰小平 (2008) FLUENT流体工程仿真计算实例与应用. 北京理工大学出版社, 北京.

3. 3. 陈吉伟 (2007) 空调室内流场及颗粒物运动分布的数值模拟. 南京理工大学, 南京.

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