高大工业整体厂房焊接烟尘控制与置换通风数值仿真平台和试验研究

论文摘要

焊接是机械加工业不可缺少的技术手段。随着现代工业的发展,焊接及相关工艺日新月异。然而,随之而来的是有毒有害物质——焊接烟尘的大量产生,且常积聚在厂房上部,造成车间工作条件恶劣。近年来,置换通风方式以其在热舒适、室内空气品质和节能方面的优越性引起广大学者和工程设计人员的关注。对这一通风方式的研究主要依靠实验法和CFD法,随着计算机技术的发展,CFD法在置换通风研究中已占据主要地位。然而,在实际焊接厂房中,由于空调风口结构复杂,焊接点热量散发方式和污染物散发方式难以确定,以及厂房内障碍物形式多样,都成为CFD技术成功应用的障碍。本文针对上述焊接厂房烟尘控制和置换通风模拟中的难题提出满足工程精度的简化方法,以便于寻找一种适合高大空间CFD气流组织分析的有效方法。首先,研究了不同尺寸孔板风口周围的流场分布特点,提出了孔板类风口的简化方法,并在此基础上提出了圆柱形风筒的简化方法;其次,分析了焊接热射流的特点,提出了一种简便的焊接热源简化方法;接着,提出将焊接烟尘散发源简化为一线污染源,同时,通过分析焊接烟尘粒子数量、粒子体积(质量)累积百分数与粒子尺寸的关系,认为数值模拟中污染物粒径的选取可在0.1～0.2μm、0.5～1μm和1～4μm三段区间分别选取一种粒径作为该区间段粒子粒径的代表。最后,在前述各简化模型的基础上对某铝合金焊接厂房烟尘控制和置换通风进行模拟,发现现有的置换通风系统的除尘、控温和控制风速能力良好。同时,文章研究了焊接热源强度对厂房内烟尘分布、温度分布和空气速度分布的影响,发现对已有的置换通风系统,厂房内的低强度热源对通风系统的除尘、控温和控制风速的能力并无影响,但若存在强度较高的热源,系统的除尘能力将大为降低。此外,本文利用PIV技术对提出的圆柱形送风筒的简化方法进行验证,结果表明本文提出的简化方法与试验数据一致,从而验证了简化方法的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 风口模型研究现状
• 1.2.2 焊接热源模型研究现状
• 1.2.3 焊接烟尘扩散研究现状
• 1.3 本文要作的工作
• 1.4 本章小结
• 第二章 高大焊接厂房气流组织CFD 模拟数学模型
• 2.1 湍流流动模拟方法
• 2.2 湍流输运模型模拟
• 2.2.1 不可压缩流体雷诺时均方程
• 2.2.2 湍流模型
• 2.3 颗粒物模拟
• 2.3.1 直接模拟
• 2.3.2 混沌动力学研究
• 2.3.3 离散涡模拟
• 2.3.4 大涡模拟
• 2.3.5 统观模拟
• 2.4 求解策略
• 2.4.1 方程的离散方法
• 2.4.2 通量离散的一般形式
• 2.4.3 离散方程的求解方法
• 2.5 边界条件处理及壁面函数法
• 2.5.1 入口边界条件
• 2.5.2 壁面函数法
• 2.5.3 出口边界条件
• 2.6 本章小结
• 第三章 高大焊接厂房 CFD 模拟中风口模型、热、污染源模型研究
• 3.1 风口模型研究
• 3.1.1 现有风口模型简介
• 3.1.2 本文提出的方法
• 3.2 热、污染源模型研究
• 3.2.1 焊接热源简化模型研究
• 3.2.2 焊接烟尘散发简化
• 3.3 某铝合金焊接厂房置换通风数值模拟
• 3.3.1 置换通风系统除尘、控温和控制风速能力
• 3.3.2 焊接热源强度对厂房内温度、速度和烟尘浓度分布的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 风口模型实验验证
• 4.1 模型实验理论
• 4.1.1 几何相似
• 4.1.2 运动相似
• 4.1.3 动力相似
• 4.1.4 相似准则
• 4.2 模型实验相似条件的保证
• 4.2.1 几何相似的保证
• 4.2.2 相应准则数
• 4.3 PIV 技术简介
• 4.3.1 PIV 基本原理
• 4.3.2 PIV 系统结构
• 4.4 模型实验结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢