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1、武 汉 科 技 大 学东 风 设 计 研 究 院 有 限 公 司 二一一年十二月,汽车制造厂大型焊接车间通风空调系统研究,主要内容,1.绪论,2.汽车制造厂大型焊接车间通风空调系统计算研究,3.汽车制造厂大型焊接车间通风空调系统物理模型试验研究,4.汽车制造厂大型焊接车间通风空调系统数值模拟研究,5.研究结果及其分析,6.研究成果应用与结论,7.总结与展望,一、绪论,1,课题研究的背景和意义,现有方法的局限性,焊接烟尘的危害,汽车制造业的发展,近年来，汽车制造已成为我国民经济中的重要支柱产业之一。汽车焊接生产会产生烟尘，焊接烟尘对人的危害十分严重。当前，提倡以人为本，关注环境与健康，实现安全生
2、产和社会经济协调发展，已经成为人类追求生活质量提升和社会稳定进步的新目标。继续开展焊接与环境、焊接与健康方面的研究与探讨，对推动焊接技术的清洁、环保、可持续发展，具有参考价值和重要意义。,焊接工艺种类很多，主要有手工电弧焊、二氧化碳保护焊、氩弧焊、埋弧焊等。在焊接过程中，产生大量的电焊烟尘，可引起电焊工尘肺、锰中毒、呼吸道炎症、神经衰弱症等多种职业危害。因此，电焊烟尘治理成为当前职业卫生、环保工作中的当务之急。由于焊接是一种劳动强度比较大的工种，所以建立良好的焊接环境，对于提高劳动生产率起着决定的作用。解决电焊烟尘污染，除在工艺上采取减少发尘量的措施外，在车间内采取有组织的通风，是改善作业环境
3、的有效措施。,目前国内外焊接烟尘的治理主要以局部排风、局部送风为主,全面通风为辅的手段来改善焊接车间的劳动卫生环境。全面通风也称稀释通风,包括自然通风和机械通风两种主要方式。工业厂房大部分采用射流形式的机械通风，耗电量大,运行成本高,同时往往由于设计不合理及运行管理不完善而达不到预期的通风效果。鉴于此,需要研究找到安全、舒适与节能的通风方式，消除焊接烟尘的危害。,2,汽车生产中的焊接技术,a.激光焊接技术,b.塑料焊接技术,c.电阻焊的节能及控制技术,d.等离子焊,e.焊缝自动跟踪技术,f.机器人焊接,g.自动化焊接,焊接有害物质是在电弧高温作用下，焊条端部的熔化物以及熔滴和熔池表面生成的过热
4、蒸气，被迅速氧化凝聚成细小固态粒子，以及熔滴过渡区化学冶金反应产生的大量气态物质。焊接材料特性是影响发尘量的内在因素，焊接参数、焊接条件以及焊接方法则是外因，其发尘量最终受焊接有害物质产生机理控制。焊接发尘量的改变或降低，归根结底要从焊接材料入手，研发新型低有害物质焊接材料。焊接有害物质种类较多，单组分作用对健康的影响各异。实际的有害物质是多组分混合物，对健康的影响更复杂，还必须考虑有害物质的实际浓度，以及侵害时间等因素。焊条电弧焊接方法中，对健康影响较大的是电焊尘肺；在氩弧焊方法中则是神经衰弱症候群与呼吸道刺激症；在等离子弧焊接及切割方法中，除了神经衰弱症候群与呼吸道刺激症之外，还必须注意金
5、属烟尘热和焊工尘肺等问题；在 CO2气体保护焊中主要是神经衰弱症候群和金属烟尘热以及呼吸道刺激症。不锈钢烟尘中的六价铬化物有强烈的致癌诱变作用，镍的氧化物也有致癌作用，铝及铝合金焊接时焊工的铝尘肺，铜及铜合金焊接时焊工的急性铜中毒症等，是材料焊接对健康的主要影响。,3,汽车焊接技术与安全危害的主要问题,(1)车间空气中电焊烟尘卫生标准GB16194-1996的主题内容与适用范围本标准规定了车间空气中电焊烟尘的最高容许浓度及其监测检验方法。本标准适用于进行电焊作业的各类企业。引用标准GB 5748作业场所空气中粉尘测定方法卫生要求车间空气中电焊烟尘最高容许浓度为6mgm3。在施焊过程中产生的其他
6、有害物质仍按这些毒物现行规定的卫生标准执行。监测检验方法车间空气中电焊烟尘浓度、游离二氧化硅含量的测定按GB 5748执行。监督执行各级卫生行政部门负责监督本标准的执行。(2)GBZ 1-2002工业企业设计卫生标准：工作场所每名工人所占容积小于20 m3 的车间，应保证每人每小时不少于30 m3的新鲜空气量;如所占容积为2040 m3时，应保证每人每小时不少于20 m3的新鲜空气量;所占容积超过40 m3时允许由门窗渗入的空气来换气。采用空气调节的车间，应保证每人每小时不少于30 m3的新鲜空气量。(3）GBZ2-2002对工作场所有害因素职业接触限值进行了规定。,4,车间有毒物质及卫生作业
7、标准,5,汽车焊接车间的建筑特点与地理特点,建筑特点,地理特点,寒冷地区,非采暖地区,高大的工业厂房,全封闭的工业厂房,半封闭的工业厂房,我们研究的对象是半封闭的高大工业厂房，且地处广州，属非采暖地区，汽车焊接车间的安全与节能通风空调系统。,开敞式的工业厂房,气楼式的工业厂房,过渡地区,南方地区焊接厂房均为半开放空间,旧厂房的屋顶通风气楼结构简陋,自然通风效果差,开启处于无控状态,年久失修,且会因外部风向的变化出现气流倒灌现象。部分厂房两侧内墙上安装有轴流风机,但厂房跨度大,效果甚微,基本无气流组织可言。装有屋顶通风机的厂房实际上由于效果不佳而基本不开启通风机。寒冷地区的焊接厂房在冬季为封闭状
8、态,屋顶设置通风器,但无补风措施,室内通风条件差,烟尘浓度高。外部自然风一般呈非连续状态,特别是不利条件(静风)下自然风停歇时间长,对于纵深大的大型焊接厂房,内部空间自然通风效果难以期待。,6,汽车焊接车间通风现有状况及特点,1,2,3,4,5,7,课题的研究方法,物理模型试验,数值模拟,8,通风效果的评价方法,通风效率,空气龄,换气效率,9,国内外研究进展,a)焊接污染物的种类与危害研究,国外,1998年Formenti等人研究了在电焊接车间工人工作时，因缺乏相关的通风系统，在不同时间内派生污染物的浓度，并取样分析出各派生污染物的种类，指出这几种污染物的危害。1999年Gorban,L.N.
9、Kucheruk,T.K讨论了焊接生产工业卫生的紧迫问题，调查了焊接产生的有害性气体，给出了包括改善通风系统在内的改善焊接工作环境条件的预防性措施。2002年林肯电力公司的Brown,K指出焊接服、焊接罩确保焊工在焊接时远离各种潜在的危害，焊工要有良好的工作习惯。列举了有毒气体流通等几种危险情况。2003年Kilin,P.I.;Bezrodnova,E.G发表了“焊接台有效的局部排风和紫外线、红外线的影响”的文章。该文章介绍了焊接通风处紫外线和红外线辐射对人体的影响。2004年Carter,Graham J指出由于暴露在焊接烟尘中的危害性，在工作前要对暴露可能性进行评估。并要进行相应的烟尘控制
10、。2006年美国的Ravert,Ed在Welding Journal发表了“铬烟尘的控制”的文章。该文章写到职业安全健康管理局（OSHA）的新规定，强调雇主必须限制雇员暴露在六价铬烟气的工作环境，并在工作场所要提供洁净的空气。所有的工作台都要对焊接烟气进行监测。烟粒大小已经作为了衡量空气标准的一个重要依据。规定工作区要选择适当的空气污染控制系统，要考虑空间大小，通风和空气置换率。2007年Occupational Hazards发表了“焊接安全：呼吸新鲜空气靠通风”的文章。该文章说明了电焊工工作场所适当通风的重要性。指出对于焊工来说，焊接烟尘颗粒导致了多种健康问题，举例说明吸入六价铬烟气等焊接
11、副产品会损害或刺激工人的鼻子、喉咙、肺等器官。解释了雇主应设法改善工人工作场所空气品质的原因。2007年美国的M.Omar等人做了一个实验，在一个高气流速度的管道系统中进行惰性气体的焊接操作来调查工业火灾的根源。该实验借助红外温度记录系统和纤维滤波器监测焊花。重复火灾的临界条件。为工业焊接通风系统的有效防火提供了依据。,9,国内外研究进展,a)焊接污染物的种类与危害研究,国内,1998年范永平等对焊接作业中尘毒的危害与对策进行了分析，介绍了焊接作业中有害气体对作业人员 身体的危害,同时论述了有害气体烟尘的来源、种类及危害情况,介绍了防护措施。2002年杨桂茹等人对焊接烟尘的影响因素及其防护措施
12、进行了研究，叙述了焊接生产过程中烟尘的产生、构成及其影响因素,指出,为了创造安全、卫生和舒适的劳动环境,保证生产安全和焊工身体健康,必 须采取有效方法和措施,最大限度地降低甚至消除焊接烟尘带来的各种危害。2003年邵伟对结构钢焊条焊接烟尘的危害与防护进行了研究，对焊接烟尘的性质，危害进行了分析，认为应该注重对焊接烟尘的防护，还对全面通风和局部通风进行了分析。2004年武汉大学采用数值模拟的方式来研究焊接时近源区及大空间两种模型的焊接气溶胶扩散规律，研究主要包括物理模型分析、建立数学模型并求解、结果显示及分析三个部分。2006年中山大学通过测定电焊作业场所空气中职业危害因素的浓度，了解电焊作业场
13、所职业卫生状况；通过调查和检查作业人员的健康状况，研究电焊作业产生的烟尘、氧化锰、电弧光等有害物质对作业人员的健康损害，以及这些有害物质与健康损害之间的剂量效应关系。2007年张杰等对空调参数对粒子在空调通风系统中沉积的影响分析进行了研究。探讨了空调工况参数(温度、湿度、速度)对粒子在空调风系统中沉积的作用机制，分析了粒子在典型的温度、湿度、速度下的沉积状况。2008年栗卓新等对焊接烟尘的影响因素及净化措施进行了分析，从焊接材料和焊接工艺两个方面简要介绍了焊接烟尘的影响因素，并介绍了现阶段一些主要的焊接烟尘净化方法。,9,国内外研究进展,b)焊接污染物治理研究,国外,1998年Nygren等人
14、研究了在焊接车间由于通风系统的运作造成的能源消耗，并通过两个不同的通风设计的运行对比，提出了在不恶化空气品质的前提下车间节能的措施。2001年芬兰职业卫生学院的Laajaniityntie研究了在大型焊接车间、工厂在不同的置换通风空气流动模式下，有害物浓度的分布。2002年Harris,Ian D.Castner,Harvey R.介绍了通过改变焊接设备、工艺参数、消耗品和利用局部排风系统来减少焊接烟尘。主要谈到焊芯金属材料和弧焊保护气体对减少焊接烟气的改善作用。2003年Mazur,A.A.;Zayats,S.V.介绍了几种焊接和通风方法，并对比的说明了相应的经济选择因数。2004年Anon
15、在Welding Journal中发表了“汽车零部件制造厂通风管道越来越少”的文章。讨论了装配系统和规范操作。由于工厂的标准化，工人们最关心的空气过滤和通风问题得到了处理。2005年Levchenko,O.G.;Chigarev,V.V.研究了改善焊芯区有害物质的方法，包括选择最佳局部排风点，允许弧区空气流动等。2007年美国路易斯路华盛顿大学化学环境能源研究部门的空气品质和粉尘实验室，Myong-Hwa Lee等研究了在一个小型腔体内，焊接进行的工作环境中，采用上下两种不同吹吸式通风方式的通风效果；描述了在靠近焊接处焊接工人脸部附近的焊烟分布的情况。2007年Welding Design a
16、nd Fabrication中“确保工人的安全和健康”一文中指出焊接企业必须采取有效措施确保焊工的安全，防止或避免焊接过程和焊接材料给人体带来的不利影响。美国焊接学会指定的焊接标准里最低要求为每分钟要置换2000立方英尺的空气。所有的有毒物质都必须标明出来。为保证工人不暴露在焊接烟尘里，适当的通风是必须的。美国职业安全和健康管理局已推荐企业用一种专为过滤焊接烟尘而设计出来的空气供给型电阻。2007年Welding Design and Fabrication上发表了“便携式通风系统”的文章。该文章介绍了林肯电气公司开发出一中吸尘系统Mobiflex烟气萃取机，其轻巧和便携性正符合OSHA对排气
17、和通风系统所提出的新标准。2007年Anon指出电弧切和电弧剜都会产生大量的烟气、氮氧化物等有害气体。工人们要远离这些有害烟气，要穿戴相应的防护装备，要进行自然通风和局部通风来控制这些金属烟尘。,9,国内外研究进展,b)焊接污染物治理研究,国内,1993年田胜元等对容器组焊全面通风用周边附璧射流进行了实验研究，在介绍开封市球罐现场实测所得的有害物产生及危害和罐内气流自然流动的基础上，论述采用周边附璧射流作为全面通风手段的依据和设计此种通风设计的基本要求，通过对此种特殊射流的结构和机理分析，探索出四种计算方法，并依次设计和制造出两种变风量用周边附璧射流通风装置。1998年杨璇对吹吸式通风装置在棚
18、车棚板焊接烟尘控制中的应用进行了研究，吹吸式通风装置是一种能有效控制污染源扩散的通风装置。在棚板焊接上单纯采用吸气罩来排除大面积焊接烟尘,存在着效果不理想以及方式不够合理等问题。因而提出了将吹吸式通风装置用于棚板焊接烟尘控制上。对其烟尘控制的有效性和合理性作了具体分析,同时介绍了吹吸式通风装置送、排风量的计算方法。2003年刘雅俊等对风幕集烟尘风机治理焊烟污染进行了研究。介绍了工业电焊烟尘的产生原理及特点,重点论述了风幕集烟尘风机在治理工业焊烟中的理论研究,论证了利用“短路流场”控制烟尘理论的可行性和先进性。讨论了造成“短路流场”的风幕集烟尘风机的结构及集烟尘原理。该项技术经对各种型式样机的研
19、制和多次烟尘试验及大量测试分析,从理论上建立了“短路流场”数学模型,实际烟尘试验验证了其良好的集烟尘效果。为适应现场状况,提出了烟尘净化综合处理系统方案。2006年郭剑对焊接车间的采暖通风设计进行了研究。结合焊接车间焊接烟尘特点，在首推清洁工艺的前提下，从暖通专业角度阐述了焊接车间采暖通风设计，着重对焊接车间可采取的不同的通风方式进行了分析比较，并提出笔者认为效果相对较好的解决焊接车间焊接烟尘的通风方法。2006年牛爱明等对高大工业厂房控制焊烟的各种通风方案进行了研究分析，其中主要包括传统的局部通风和全面通风以及吹吸通风方式，并且对他们进行了比较，最终得出了结论：在高大工业厂房中控制焊烟,吹吸
20、式通风相对于传统通风方式而言,具有很大的优越性。2007年同济大学对大空间焊接厂房的通风方式用airpak进行了数值模拟。2008年李强民等通过对焊接工艺的相关特点焊接烟尘和焊接烟羽的分析，结合置换通风的特点，在焊接烟尘治理中的应用研究。2008年，朱伟民等从工程应用的角度，结合实际调研，通过CFD模拟计算，探讨了自然通风和辅助机械通风方式对造船厂焊接车间通风效果的影响。,2002年叶晓江等人采用在厂房中部利用射流气流进行隔断，对厂房内的污染物分层分区处理，减少除尘系统能耗。2004年胡定科等人用FIDAP软件模拟了一典型大空间建筑空调采用置换通风的室内空气流动的速度场和温度扬。分析了回风口高
21、度对室内空气流动的速度场和温度场的影响。2004年林心关等人结合工程实例介绍喷口送风气流组织方式中风口的选型计算方法,并对该工程实际运行效果进行现场测试,总结了喷口送风设计过程中应注意的问题。2006年徐剑平对诱导通风系统进行了研究与应用探讨。介绍了诱导通风系统的原理，提出了诱导通风系统智能化和模型化的概念；通过与传统通风方式的比较和分析，阐述了诱导通风系统具有较大的实用价值和优越性。2007年李艳强等人，对受限空间内粉尘流动的浓度分布模型及其数值模拟进行了研究。2008郭配山等人系统地介绍了吹吸式通风技术的最新研究成果,分析了吹吸式通风主要工程设计方法的优缺点,指出了发展方向。2007年叶必
22、朝等人对空调系统和组合通风系统的联合应用进行了研究。2008年黄少明等人发表了“大型工业厂房应用吹吸式通风方式控制焊烟的可行性分析”的文章。,c)相关研究,10,发展趋势及存在的问题,国内外的学者对焊接车间的通风方式的研究，一般是要么用CFD数值模拟，要么做一些小型局部的实验，对于用1：20的大物理全景模型与CFD数值模拟相结合，对一个3万平方米的焊接车间进行研究还未见有过。,目前国内外焊接烟尘的治理主要以局部排风、局部送风为主,全面通风为辅的手段来改善焊接车间的劳动卫生环境。全面通风也称稀释通风,包括自然通风和机械通风两种主要方式。工业厂房大部分采用射流形式的机械通风,耗电量大,运行成本高,
23、同时往往由于设计不合理及运行管理不完善而达不到预期的通风效果，有害物浓度高，特别是非采暖地区，有大量的余热产生，车间内温度高于工作环境的温度要求。鉴于此,需要研究找到安全、舒适与节能的通风方式，消除焊接烟尘的危害。,通过我们所作的研究结果来看，我们设定的通风与空调系统是可以满足安全、舒适与节能的通风要求的。也应该说对于非采暖地区的焊接车间通风有着指导和方向性意义。,11,研究对象存在的及要解决的问题,1车间空气中电焊烟尘最高容许浓度6mgm3；2一氧化碳短时间接触容许浓度33 mg/m3；3二氧化碳时间加权平均容许浓度9000 mg/m3；4二氧化碳短时间接触容许浓度18000 mg/m3；5
24、保证每人每小时不少于30 m3的新鲜空气量；6车间的空气调节工作地带夏季空气温度不得超过 3332()，设定为26()；规定相对湿度为3070(%)；7消除飘浮在2-4米高度的烟云及飘尘。,12,本研究所做的主要工作,1.对焊烟的种类、焊烟的危害、焊烟在车间内的浓度标准、生产环境标准、人的舒适性标准等进行研究；2.对特定的建筑内有害物的放散量与扩散规律进行研究，并针对焊接车间内的 特定条件用理论计算的方法，对汽车制造厂大型焊接车间的全面通风、工位空调、诱导式通风、吹吸式通风等多种复杂气流条件进行计算研究，使车间内的环境在计算条件下满足设定的要求；3.在理论分析与计算的基础上，对汽车制造厂大型焊
25、接车间的通风与空调系统进行物理模型试验研究，以得到满足设定的环境条件下定型的通风与空调系统4.对汽车制造厂大型焊接车间的通风与空调系统进行数值模拟，CFD计算模型是建立在上述三种通风结构形式基础上的，并对计算结果进行分析，以确定最有效、可行的通风方式；5.用通风效率的方法，分析不同研究方法的结果一致性与差异性问题；6.在汽车制造厂大型焊接车间进行实测，对研究成果进行检验。,研究对象的特殊性：特定的半封闭厂房；地处非采暖地区；气流组织的多样性：大气流为诱导单向流、小气流为吹吸式通风，且结合空调工位送风，冬夏两用；气流组织的复杂性：车间内有组织的气流有五种，车间排风、车间送风、诱导风、吹吸式通风、
26、空调工位送风；无组织的气流有两种，自然风进风和大型风扇（风量14000 m3）研究方法的创新性：理论计算、1：20的物理模型实验及CFD模拟相结合的研究方法。,13,研究课题的主要创新点,其中：B热源水平投影的直径或长边尺寸（m）；H热源至计算断面距离（m）；Z某断面的高度（m）。,焊烟扩散图,二、汽车制造厂焊接车间焊烟及热射流放散计算,Z断面上热射流的流量Lz一般采用下式：Lz=（m3/s）式中：Q热源的对流散热量（kJ/s）。热源的对流散热量：Q=Ft（kJ/s）式中：F热源的对流放热面积（m2）；t热源表面与周围空气温度差(),t=tr-tkd；tr热源表面温度()，tkd周围空气温度(
27、)；对流放热系数（KJ/m2S）=At1/3；式中 A系数，水平散热面A=1.7；垂直散热面A=1.13。则热源的对流散热量：Q=AFt4/3（kJ/s）在某一高度上热射流的断面直径：dz=0.43Z0.88（m）,2.1 研究对象的通风空调系统配置,车间工艺、空调工位送风平面图,车间空调通风剖面图,车间局部通排风罩布置图,2.2 全面通风量的计算,室内有害物浓度处于稳定状态时所需的全面通风量按下式计算：车间工作一般都在8小时以上。对积分式进行积分,并近似认为通风过程是稳态的过程,同时取安全系数K6可得全面通风换气量的值为L=98.4x104 m3/h；考虑车间内负压，采用屋顶风机加风管送风,
28、每个系统的送风量为L=30000m3/h.系统总送风量为L=54x104m3/h。,2.3 诱导风机的风量计算与配置,为了保证全面通风除去污染物的效果，利用吹吸式通风原理，在车间内每跨配置了诱导风机，这样做使室内的焊烟及有害气体的层流运动受到破坏，顺应向上的诱导气流，再通过屋顶风机抽吸将有害物排至室外。从而大大减少工作区污染物的浓度。根据计算式：L/L0=4.4(as/d0+0.147)可以计算出诱导风机喷口流量L0的值，即：L0=L/4.4(as/d0+0.147)式中：a 紊流系数 a0.066（带有收缩口的喷嘴）；s 射流射程 s15m；d0喷口直径 取d0200mm；L射流在15m处的
29、流量值；则单个诱导风机的流量L0为1329.39 m3/h。,送风导流器内的导流风机机组不同射程处的轴心速度,2.4 空调工位送风计算,式中：mi 单元i 送风质量，kg/s；c 空气的定压比热，kJ/kg；Ti单元i 某时刻的温度，；Q 单元内部的冷负荷，W；Qcool 送风的冷量，W。Qcool=1232Vi(to-ti)式中：1232 1m3/s 空气的定压比热，J/m3；Vi 送风量，m3/s；Ti工作区的平均温度，取26；To 送风口温度，。当时间t趋向于无穷大即工位内趋于稳态时，Q+Qcool=0 于是有：1232 Vi(26-To)=Q,工厂的空调热平衡方程,工位冷负荷计算Q=Q
30、pe+Qlig+Qeq 式中：Qpe人员散热冷负荷，W；Qlig照明散热量，W；Qeq设备冷负荷，W。人员散热冷负荷Qpe=212.8W照明冷负荷Qlig=19W焊接设备冷负荷Qeq=1648.2W所以 Q=212.8+6.33+1648.2=1867.33 W,新风冷负荷,Qo=oVo(ho-hi),Qo=379.08W,湿负荷的计算,D=0.001ng 最终计算结果：D=66.710-6g/s,热湿比为=27995,由室内外计算参数在i-d图上可查到露点送风状态点：to=14，ho=36.66kj/kg。,送风参数点的确定,送风射流的气流组织,1232Vi(26-14)=1867.33于是
31、得到送风量Vi=0.1263m3/s。在射流中有：,式中：vsp 工作区平均风速，取小于1m/s；vo 送风风速；a 紊流系数，取0.2；s 送风口至工作区距离，取2m；Do送风口直径。可以计算出tn小于28。若采用全新风系统，空调送风量为：214500 m3/h；若考虑一次回风、露点送风，则空调总风量为:715000 m3/h。,2.5 局部排风罩设置与排风量的计算,局部排风罩设置 在焊架上方设置局部排风罩，将在焊接过程产生的有害物通过局部排风罩排除。风量计算 风量计算有两个计算方法,一是外部吸气罩的计算方法，二是用吹吸式通风的计算方法，再综合考虑车间大流场的风量平衡问题。,排风罩的排风量计
32、算结果,必要排风量即是工位送风的量。比较两种计算结果，综合车间大流场的风量平衡，确定吹、吸风总量为：215000m3/h。,三、汽车制造厂大型焊接车间通风空调系统物理模型试验研究,物理模型的相似理论 借助相似理论，利用模型实验对室内空气分布进行预测，不需依赖经验理论，是最为可靠方法，但这种方法昂贵而且周期长。搭建实验模型耗资巨大，而对于不同的条件，可能还需要多个实验模型，耗资更多，周期也长达数月以上。因此模型实验一般只用于要求结果很准确的情况。比如，Zhang J.S等人在非等温通风房间的比例为1/12的模型上测得空气流动模型，列出了详细的各点参数测量值。这样的测量结果对了解实际房间的流动情况
33、有很好的指导意义。,力学相似性原理（1）几何相似 几何相似是指流动空间几何相似。即形成此空间任意相应两线段夹角相同，任意相应线段长度保持一定的比例。,几何相似，是力学相似的前提。有了几何相似，才有可能在模型流动和原型流动之间存在着相应点，相应线段，相应断面和相应体积这一系列互相对应的几何要素。才有可能在两流动之间存在着相应流速，相应加速度，相应作用力等一系列互相对应的力学量。才有可能通过模型流动的相应点，相应断面的力学量测定，来预测原型流动的流体力学状态。,（2）运动相似,两流动运动相似，要求两流动的相应流线几何相似，或说，相应点的流速大小成比例，方向相同。v 称为速度比例常数。有了速度比例常
34、数，和长度比例常数，显然可以根据简单的t=l/v 的关系，得出时间比例常数t。,即时间比例常数是长度比例常数和速度比例常数之比。这个比例常数表明，原型流动和模型流动实现一个特定流动过程所需时间之比。不难证明，加速度比例常数是速度比例常数除以时间比例常数。,（3）动力相似,流动的动力相似,要求同名力作用，相应的同名力成比例。这里所提的同名力，指的是同一物理性质的力。例如重力、粘性力、压力、惯性力、弹性力。所谓同名力作用，是指原型流动中，如果作用着粘性力、压力、重力、惯性力、弹性力，则模型流动中也同样的作用着粘性力、压力、重力、惯性力、弹性力。相应的同名力成比例，是指原型流动和模型流动的同名力成比
35、例。,式中，、p、G，I、E 分别表示粘性力、压力、重力、惯性力、弹性力。,相似准数,欧拉数是压力的相似准数弗诺得数是重力的相似准数雷诺数是粘性力的相似准数马赫数是弹性力的相似准数,模型律,在安排模型实验前进行模型设计时，怎样根据原型的定性物理量确定模型定性量值呢?譬如确定模型管流中的平均流速，以便决定实验所需的流量。这主要是根据准则数相等来确定的。但问题是在模型几何尺寸和流动介质等发生变化，不同于原型值时，事实上很难保证所有的准则数都分别相等。例如，不可压缩流体的恒定流，只有当弗诺得数和雷诺数相等时，才能达到动力相似。但是，雷诺数和弗诺得数中都出现了定性长度和定性速度。因此，雷诺数和弗诺得数
36、相等，就要求原型和模型在长度和速度的比例上要保持一定的关系。,阿基米德数,式中：d。-风口直径;Vo-风口速度;To-风口气流相对于室内空气的温差;Tu-室内绝对温度。,Re=,雷诺数,3.1 物理模型,参数计算 1几何相似设计：流体空间几何相似，是力学相似的前提。有了几何相似，才有可能在模型流动和原型流动之间存在着相应点、相应线段、相应断面和相应体积这一系列互相对应的几何要素，才有可能在两流动之间存在着相应流速、相应加速度、相应作用力等一系列互相对应的力学量，才有可能通过模拟流动的相应点、相应断面的力学量测定，来预测原型流动的流体力学状态。根据要求与实验室条件，选定ln/m=20，则:AAn
37、/Aml2400，vVn/Vml38000。由此进行模型的几何设计。,2运动相似设计：两流体运动相似，要求两流动的相应流线几何相似，或者说是相应点的流速大小成比例，方向相同，速度比例为常数。根据雷诺数相等求得vUn/Um3.84，于是可以求得模型的送风、排风、空调以及污染源的数据，并依次进行模型内各气流的设计。3模型律和相似准则数：该模型律采取雷诺模型律，是指原型和模型流动雷诺数相等这个相似条件。雷诺数相等，表示粘性力相似，由于该模型内的流动为空气流动，因此，重力的影响不大，只取雷诺模型律。准则数考虑雷诺数相等 和阿基米德数相等=0.000858696,夏季风量计算结果汇总表,冬季风量计算 结
38、果汇总表,模型吸气罩计算结果表,3.2 试验模型,模型的相似是进行实验的前提。模型的几何比例尺寸取1：20。原型车间尺寸为：252m122m11m（坡面屋顶，顶点高13m），且内部布满各种工艺设备以及辅房，对于一个如此庞大而复杂的原型，其模型不可能面面俱到。在不影响气流组织的条件下，我们对模型做了如下处理。1建筑模型：整体严格按1：20缩放，即模型尺寸为：12.6m6.1m0.55m（坡面屋顶，顶点高0.65m），钢架框式结构。为便于实验操作和观察，模型四周用透明的玻璃和耐力板维护，地面用规则的木板拼装成，且部分木板可根据需要打开，整个模型建立在一个高1.2m的平台上。至于车间内部，建立了所有
39、的焊架模型、自动线模型、自动线上方的工作平台模型以及前排辅房模型。,2空调系统：原型共有11台空调处理机组，系统形式均为带30%新风的全空气系统。在模型中，模拟了空调器的外形，但无法模拟空调器的功能，于是对其作了如下处理：将集中处理好的空气分配到每个空调器中，在由接在空调器上的管道输送到车间各个部分，车间内部的空调管道系统原型一致，唯一不同的是原型的方形管道在模型中按当量直径相等转化成了圆形管道。空调的回风模型集中排至室外，每个排风口仍按原型布置在空调器处。3通风系统：原型共有18台屋顶送风机，通过管道将室外空气送入室内。在模型中，用冷热盘管将室外空气加热到计算的温度，再通过管道集中送入模型内
40、。4排风系统：原型共有41台屋顶排风机，模型同样采用管道集中排风。,5诱导和风扇系统：诱导和风扇系统的特点是风扇一边吸入室内空气，一边又送到室内，实验模型将所有的吸风口和送风口分别连接，在用风机连接吸风总管和送风总管，形成一个环路，这与单独的风扇具有同样的效果。6污染源系统:污染源点布置在各焊架下面，分布与原型基本一致，只是在数量较多的地方，按照同时工作系数，发烟点予以适当的减少。每个污染源点的发散量也是根据实际测得的数据，通过相似理论计算确定。每个区域的污染源都有静压箱分配，箱子上带阀门，可控制发烟区域和发烟量的大小。模型设计的系统形式及涉及到的设备，详见设计图纸。,空调平面布置图,排风系统
41、图,送风系统图,诱导风系统图,污染物模拟点平面图,模型风管接口布置图,3.3 物理模型实验,第一次实验 为了能较好地把握系统运行后模型内气流组织及通风换气效果，实验做了五个方面的工作。实验用仪器仪表：CO2浓度测试仪，粉尘颗粒数测量仪，发烟器、流场示踪记录仪、CO2发生装置、粉尘发生装置、流速检测仪、风量检测仪、压力检测仪、温度检测仪、干湿球温度计、压力表、以及五金工具一套。,测试一 在计算的流量结果下，空调送风量按214500m3/h配置时，用带色烟气和流线分别示踪送风、空调、诱导和污染源系统的气流运动情况，拍摄照片和录像记录，并测量部分风口的速度衰减情况，以便进行定量分析。测试步骤及结果如
42、下：调整每个系统的风量到设计流量。送风系统、诱导系统与排风系统同时开启，其余系统关闭。送风系统发烟，观察送风是否能很好的与工作区的空气混合，并送至诱导风机负压区。拍摄照片和录像记录。从拍摄照片和录像记录资料中，我们可以看到：在送风口下，新风与室内空气混合较差，若是夏季送热风，效果更差；送风弥漫的地方就是送风能量消耗完的地方，它与诱导风机配合得不是很好。为了更好的说明情况，我们对送风口的轴心的速度衰减做了测试。,1,2,测点7在诱导风口附近，送风速度衰减比较大，诱导力量则不是很到位。送风系统、诱导系统、排风系统与空调系统同时开启，其余系统关闭。空调系统发烟，观察空调送的冷风能否覆盖整个工作区。拍
43、摄照片和录像记录。从图片和录像中可以看到，空调风口的布置能够使冷空气覆盖整个工作区域。这样的结果表明空调的均匀性比较好，工位附近温度梯度比较小。,送风口轴心速度测试表,测试点布置图,3,送风系统、诱导系统、排风系统与污染源系统同时开启，其余系统关闭，这也是冬季车间通风的情况。污染源系统发烟，观察分布以及被稀释的情况。由实际测试可观察到，在有污染源发散的地方，污染物稀释的效果并不是很好，在工作区上面，诱导射流对污染物的卷吸作用不明显，以至污染物在工作区上方弥漫。拍摄照片和录像记录。送风系统、诱导系统、排风系统、空调系统与污染源系统都同时开启，这也是夏季室内的空调通风情况。污染源系统发烟，观察污染
44、物分布以及被稀释的情况。由实际测试可观察到，在有污染源发散的地方，污染物被稀释的效果也不是很好，污染物在工作区上方弥漫。而且由于各种气流的存在，污染物的运动也变的相当复杂，由于空调的下送风，污染物更可能停留在工作区。拍摄照片和录像记录。送风系统、诱导系统、排风系统与空调系统同时开启，污染源系统关闭。在诱导系统系统发烟，观察诱导风口的射流是否有较好的诱导比，卷吸周围空气送至排风口的负压区。由实验观察的效果来看，诱导射流对工作区空气卷吸作用不是很明显。拍摄照片和录像记录。,4,5,6,测试二 在计算的流量结果下，空调送风量按715000m3/h配置时，用带色烟气和流线分别示踪送风、空调、诱导和污染
45、源系统的气流运动情况，并拍摄照片和录像记录。测试步骤及结果如下：调整每个系统的风量到设计流量。送风系统、诱导系统与排风系统同时开启，其余系统关闭。送风系统发烟，观察送风是否能很好的与工作区的空气混合，并送至诱导风机负压区。送风系统、诱导系统、排风系统与空调系统同时开启，其余系统关闭。空 调系统发烟，观察空调送的冷风能否覆盖整个工作区。送风系统、诱导系统、排风系统与污染源系统同时开启，空调系统关闭，这也是冬季车间通风的情况。污染源系统发烟，观察污染物分布以及被稀释的情况。送风系统、诱导系统、排风系统、空调系统与污染源系统都同时开启，这也是夏季室内的空调通风情况。污染源系统发烟，观察污染物分布以及
46、被稀释的情况。以上结果与测试一测试的结果相差不大。,1,2,3,4,5,测试三 在计算的流量结果下，用CO2气体示踪，以计算CO2浓度来分析判断通风效率。测试步骤及结果如下：打开每个系统，调整风量到设计流量。在污染源系统的发烟箱发烟，并保证发烟稳定。选定测试区域和测定点，用CO2浓度测试仪测定每点0mm、75mm和150mm高度的CO2浓度。计算每个高度CO2的平均浓度，并绘成曲线图，观察CO2浓度随高度变化的情况，从而可计算得到通风效率，以此分析污染物被稀释的状况。,1,2,3,4,测试区域及测点图,焊接车间污染物浓度表,从曲线来看，在工作区内CO2的浓度延高度分布，反映了车间稀释通风的过程
47、。,测试四 在计算的风量参数下，我们比较了下面两种运行方式下，室内污染物被完全排出所需要的时间。此测试主要在于了解换气效率的大小。方式1：送风系统、诱导系统、排风系统与污染源系统同时开 启，空调系统关闭；方式2：送风系统、诱导系统、空调系统、排风系统与污染源系统同时开启。在第一种运行方式下，室内污染物被完全排除所需要的时间是136”。而在第二种运行方式下，室内污染物被完全排除所需要的时间是221”。由此可见，在没有局部排风的情形下，空调的运行妨碍了污染物的排出。,实验结论,通过对实验结果的分析，本次实验得出如下结论：（1）通过实验证明车间大流场基本上能按照设计思想运动。有一定的通风效率与换气效
48、率。（2）送风在没达到诱导风机时，速度就已经衰减得很小了，射流断面也大，与诱导配合的不是很理想。（3）诱导风机射流对工作区的空气诱导作用效果还可以。（4）空调送风气流送出后扩散较快，这反映出空调的工位送风效果不错，且空调在工位处温度的梯度较小。空调气流对污染源有影响，使污染源气流的稀释与扩散受限。（5）工作平台的下方，通风效果较差，气流不容易排出。（6）在有风扇的一端，由于风扇风量过大，对附近的大流场有较明显的影响。（7）屋顶排风，根据对换气效率的测试结果判断，效果是不容置疑的，但大流场将污染物送至I-J轴线的区域内，其排出速率不够。（8）根据二氧化碳示踪的测试结果反映，通风稀释污染源的效率一
49、般，特别是在焊接时的D区域表现得明显一些。,再次实验的设想,根据实验结果，对模型提出改进意见，并进行二次实验。车间大流场不变。焊接架上做局部通风。即焊架上方做局部排风罩，空调送风口为吹风口，全年运行。（空调送风口夏天送冷风，其他季节送室外风。）WSP平台处诱导器安装位置下降，以便改善WSP平台下的通风状况。自动线部分适当增加空调送风。屋顶排风风机，吸风口接短管，在9.3M处设置到二到三个排风口，以加强屋顶排风的效果。为了使送风机送风与诱导有教好的配合，调整送风口高度。,第二次实验,焊架上做局部吹吸式通风，即焊架上方做局部排风罩（详见图），空调送风口改为可调节风口形式，全年运行。夏季送空调风，冬
50、季送室外风。,焊架上方做局部排风罩,实验方法与实验数据整理同上，在安装有排风罩的情况下做了如下几个实验。,1、CO2浓度的测试送风系统、诱导系统、空调系统、排风系统与污染源系统同时开启，污染源系统散发CO2，观察污染物分布以及被稀释的情况。实验步骤：布置好测点区域和测点位置，并打开送风系统、诱导系统、空调系统、排风系统与污染源系统。在污染源系统的发烟箱发CO2，保证系统散发CO2稳定。在选定区域和测点，用CO2浓度测试仪测定每个测点的CO2 ppm值并记录。进行数据处理与统计，绘制相应曲线，计算通风效率并以此分析污染物被稀释的情况。,实验数据 实验原始数据详见表，罩子在各个测点位置代号的含义如
