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第 37 卷第 3 期2023 年 6 月南华大学学报(自然科学版)Journal of University of South China(Science and Technology)Vol.37 No.3Jun.2023收稿日期:2022-12-26作者简介:张紫轩(1998),女,硕士研究生,主要从事漆雾净化设备 CFD 等方面的研究。E-mail:essie_98s 。通信作者:谢 东(1978),男,教授,博士,主要从事核通风智能控制与空气净化、CFD 模拟与风洞试验、多孔介质传热传质等方面的研究。E-mail:DOI:10.19431/ki.1673-0062.2023.03.006涂装车间漆雾过滤设备内流场数值模拟与设计优化张紫轩1,2,3,谢 东1,2,3,周益辉4,王 猛1,2,3(1.南华大学 土木工程学院,湖南 衡阳 421001;2.南华大学 建筑节能与环境控制技术湖南工程实验室,湖南 衡阳 421001;3.装配式建筑节能技术湖南省重点实验室,湖南 衡阳 421000;4.航天凯天环保科技股份有限公司,湖南 长沙 410100)摘 要:涂装车间在喷涂过程中会产生大量含有漆雾的喷涂废气,在处理喷涂废气之前需对其中的漆雾进行预过滤,在干式喷房中纸盒式漆雾过滤器由于更经济环保,越来越多地被投入使用。针对运行参数对过滤器过滤效率的影响,利用计算流体力学对折流板式纸盒过滤器的过滤效果进行了数值模拟研究,对过滤器的设计参数提出了优化建议。结果表明:设计参数对过滤器过滤效率的影响较大,过滤器对10 m 以下的漆雾颗粒过滤效率在 10%20%,过滤效率较低,对于 10 m 以上的漆雾颗粒,过滤效率随粒径的增大而升高,对 60 m 及以上的漆雾颗粒过滤效率达 99%以上,部分大颗粒漆雾掉落至过滤器内,可实现漆雾储存;过滤器过滤效率随进口流速的增大而降低,随漆雾浓度的增大而升高,设备进出口压差随进口流速的增大而增大,但远低于喷房压阻限制。关键词:喷漆废气;折流板式过滤器;漆雾;数值模拟;过滤效率中图分类号:TQ639文献标志码:A文章编号:1673-0062(2023)03-0038-09开放科学(资源服务)标识码(OSID):Numerical Simulation and Design Optimization of the Internal Flow Fieldof Paint Mist Filtration Equipment in the Paint ShopZHANG Zixuan1,2,3,XIE Dong1,2,3,ZHOU Yihui4,WANG Meng1,2,3(1.School of Civil Engineering,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China;2.Engineering Lab of Hunan for Building Environment Control,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China;3.Key Lab of Hunan for the Energy Conservation in the Prefabricated Buildings,Hengyang,Hunan 421001,China;4.Kaitian Environmental Technology Co.,Ltd.,Changsha,Hunan 410100,China)Abstract:A large amount of spraying exhaust gas containing paint mist will generate in the83第37 卷第3 期张紫轩等:涂装车间漆雾过滤设备内流场数值模拟与设计优化2023 年 6 月painting workshop,and pre-filtration of the paint mist is required before treating the spra-ying exhaust gas.Carton type dry spray booth paint mist filters are increasingly put intouse because they are more economical and environmentally friendly.The effect ofoperating parameters on the filtration efficiency of the filter was studied by numerical simu-lation using computational fluid dynamics on the filtration effect of the folded plate cartonfilter,and suggestions were made for the optimization of the filter design parameters.Theresults show that:the design parameters have a large influence on the filter filtration effi-ciency,the filter filtration efficiency for paint mist particles below 10m is 10%20%,the filtration efficiency is low,for paint mist particles above 10m,the filtration efficiencyincreases with the increase of particle size,the filtration efficiency for paint mist particlesof 60 m and above reaches more than 99%,some large particles of paint mist fall intothe filter,which can realize the paint mist Storage;filter filtration efficiency decreases withthe increase of the inlet flow rate and increases with the increase of the paint mist concen-tration,the pressure difference between the import and export of the equipment increaseswith the increase of the inlet flow rate,but is much lower than the limit of the spray roomPiezoresistive limitation.key words:paint exhaust;folded plate filter;paint mist;numerical simulation;filtration ef-ficiency0 引 言在油漆喷涂过程中,过喷是不可避免的一部分,涂料中能到达喷涂区域的一部分成膜物质逸散到空气中,形成颗粒物飘浮在空气中,成为漆雾。漆雾颗粒微小、黏度大且易黏附于物体表面,他们混杂在喷漆废气(即挥发性有机化合物,volatile organic compounds,VOCs)中,增大了流动阻力且易使废气净化装置造成堵塞,降低净化效率,因此必须在喷漆废气进入净化装置前对其中的漆雾进行预处理。漆雾处理方法分为湿式和干式两类,传统的湿式处理法大多用于油性漆漆雾处理,需要水的参与,因此存在废水废渣难处理、前期投资大等问题;干式处理法多用于水性漆漆雾处理,主要有石灰粉干式过滤系统和纸盒式两类,纸盒式漆雾过滤系统由于其结构简单、成本低、环保节能等特点越来越多地被投入使用1-2。纸盒式漆雾处理法大多采用折流板式的过滤板和滤筒或过滤棉相结合的方式3-4,工艺流程如图 1 所示,过喷气流先经过折流板,通过错综复杂的流道被多次强制改变流向,其中的漆雾颗粒由于惯性力的作用,较大粒径的颗粒黏附在纸盒内壁或折流板上,一部分小粒径颗粒随气流流入后续的由排列的玻璃纤维棉组成的粗效分离器内;最后废气进入到精细分离器内由 V 型漆雾过滤纸进行过滤,最终完成干式分离,这样的漆雾处理方式过滤效率可达到 99%。将 1.965 kg 的油漆与稀释剂按质量比为 1 2 的比例混合为涂料后,将其喷涂产生的废气以 1.2 m/s 的速度通入过滤设备中。过滤 10 min 后,对完全晾干的过滤设备进行称重,折流板式预分离层增重 0.82 kg,后续分离层共增重 0.58 kg,实验前后过滤器状态对比如图 2 所示。通过实验发现,在三级过滤器中,折流板过滤层增重最多,这与其过滤颗粒的粒径和颗粒沉积位置有关,证明过滤系统在实现三级分离的同时部分漆雾颗粒掉落至预分离器内,实现漆雾储存。图 1 干式喷房内漆雾净化工艺流程Fig.1 Paint mist purification process in dry spray booth93第37 卷第3 期南华大学学报(自然科学版)2023 年 6 月图 2 过滤器实验前后对比Fig.2 Comparison of that before and afterfilter experiment由于不同的涂装车间使用的涂装材料、喷涂工艺不同,喷房内的各项指标也不同,对过滤器的定量分析对其设计参数有着很好的参考价值。计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)可以模拟较复杂流动过程,大大减少了过滤器的测试成本和时间。本文针对过滤器建立了物理模型,基于 CFD 方法在漆雾粒径、漆雾流量、进口流速方面对过滤器的过滤效率进行了数值模拟研究,对过滤器漆雾储存能力进行了验证,并对过滤器进出口压差及内部流场进行了分析。1 物理模型过滤器物理模型根据实际过滤器尺寸利用solidworks 软件建模,过喷气流由过滤器侧面进入,进口截面为775 mm307 mm,过滤器内部由四层交错排列的“人”字形折流板构成,过滤后的气流从过滤器上方流出通过下一级的过滤棉进一步过滤。利用 fluent meshing 进行非结构网格划分,由于过滤器内部流道曲折复杂,为保证计算精度并减少计算时间,在折流板附近进行局部网格加密。最终网格数量 6.59106,最大偏斜度(max skewness)为0.617,平均网格质量(average element quality)为0.731。过滤器模型及网格模型如图 3 所示。图 3 过滤器物理模型及网格模型Fig.3 Filter physical model and mesh model2 数学模型2.1 连续相控制方程过喷气流通过与过滤器入口截面尺寸相同的管道进入过滤器内,在标准大气压下通过计算其雷诺数,判断气流处于湍流状态。假设连续相为不可压缩流体,定常流动,且密度为常数。过滤器内部流场满足连续性方程和动量守恒方程:(u)x+(u)y+(u)z=0(1)fx-1px=dvxdtfy-1py=dvydtfz-1pz=dvzdt(2)2.2 离散相模型根据工程实际,过喷气流中漆雾颗粒的质量浓度一般不超过 200 mg/m3,粒径在 100 m 以下,颗粒在气流中随机分散,体积分数在 10%以下,过喷气流可看作气-固两相流,采用离散相模型(discrete phase model,DPM)进行计算,并作出以下假设:1)颗粒被视作质量点,不会占据流体位置;2)颗粒是球体;3)颗粒之间的相互作用可忽略。颗粒轨迹运动轨迹方程:dxpdt=up(3)式中:xp为颗粒球心位移,m;up为颗粒速度矢量,m/s。拉式坐标系下颗粒的动量方程为:dupdt=FD(u-up)+gi(p-)p+Fi(4)式中:为流体密度,kg/m3;u 为速度,m/s;t 为时间,s。同时考虑颗粒在湍流流场中的扩散,采用随机轨道模型来模拟,使模拟结果更加准确。2.3 湍流模型离散相采用拉格朗日方法模拟,连续相用欧拉法模拟,离散相和连续相通过控制方程中的源项进行耦合,考虑两相间的相互作用,气相与固相间采用双向耦合。由于过滤器内部具有错综复杂的流道,属于墙壁束缚流动,且颗粒本身带有黏性,选用 SST(shear-stress transport)k-湍流模型04第37 卷第3 期张紫轩等:涂装车间漆雾过滤设备内流场数值模拟与设计优化2023 年 6 月进行计算。k-SST 湍流模型由 F.R.Menter5博士在1992 年提出,在 方程后添加了一个交叉扩散项,通过混合函数 F1来控制湍流模型的变型,可以更好地进行预测适当逆压梯度流,有着更好的适用性和计算精度6-7。标准 k-模型为:(k)t+(Uk)=+tk()k()+PK-(5)()t=(U)=+tk()()+C1Pkk-C22k(6)=Ck(7)将式(3)直接带入式(2)中可以得到:()t=(U)=+tk()()+vtPK-2+22k(8)式中:为流体密度,kg/m3;u 为速度,m/s;t 为时间,s;k 为湍流动能,J;t为涡黏性系数,kg/(ms);Pk为由平均速度梯度产生的湍流动能,J;为比耗散率,%。标准 k-湍流模型为:()t=(U)=+tk()()+vtPK-2(9)式中:为模型常数,默认值为 0.075。对比式(4)、式(5)可以看出,k-湍流模型与k-湍流模型仅相差式(4)中的交叉扩散项22k。结合了 k-湍流模型和 k-湍流模型,引入系数 F1:22k=2(1-F1)2k(10)则完整的 BSL k-湍流模型为:()t=(U)=+tk()()+vtPK-2+2(1-F1)2k(11)当 F1=0 时,方程变为 k-方程,用于求解主流;当 F1=1 时,方程变为 k-方程,对于边界层附近的求解精确度更高。SST k-湍流模型则在此基础上引入了湍流黏度,对于带黏度的颗粒具有更广泛的应用,湍流黏度限制为:t=k1max1,SF21(12)并进一步引入混合函数 F2:F2=max 2k0.09d500d2(13)2.4 过滤效率计算计算完成后获取过滤器入口压力 pi和出口压力 pe,前后压差 pd=pi-pe。追踪到颗粒总数量 n、捕捉(trap)到的颗粒数量为 nt,未完成(in-complete)颗粒数量为 ni,逃逸(escape)颗粒数量为 ne,最终过滤效率=nt/n。3 边界条件3.1 初始参数由于不同的油漆在喷涂过程中产生的漆雾颗粒大小不同,漆雾粒径范围大,大多数漆雾颗粒粒径在 10 100 m 之间,部分颗粒粒径介于 1 10 m 之间,小部分在 1 m 以下,结合工程实际,本过滤器对于大粒径颗粒有着更好的去除效率,因此本次计算的漆雾颗粒直径为 1 10 m 及20 100 m。纸箱入口风速(v)根据生产实际和设计参数取 0.4 1.4 m/s,漆雾进口流量(f)取0.1 0.6 g/s8-9,具体参数设置见表 1。表 1 数值模拟计算进口参数工况表Table 1 Working conditions of numerical simulationcalculation of imported parameters编号漆雾颗粒粒径/m进口流速/(ms-1)进口流量/(gs-1)11 1000.40.60.81.01.21.40.12300.60.10.20.30.40.50.614第37 卷第3 期南华大学学报(自然科学版)2023 年 6 月3.2 DPM 边界条件入口边界设置为速度入口,出口为压力出口且表压为 0,采用 DPM 模型进行计算,漆雾颗粒带有黏性,在碰撞壁面及折流板时均被捕获,DPM边界条件设置如表 2 所示。表 2 DPM 边界条件Table 2 DPM boundary conditions计算域边界设置入口反射(reflect)出口逃逸(escape)壁面捕捉(trap)折流板壁面捕捉(trap)4 结果及分析4.1 颗粒粒径对过滤效率的影响工况 1 条件下,固定流速 v=0.6 m/s,不同粒径的漆雾过滤效率如图 4 所示。对于粒径 10 m以下的漆雾,过滤器过滤效率保持在 20%左右且不随粒径的变化而改变,证明过滤器对更小的颗粒过滤效率已达到最大值,且过滤效率不高。分析直径 10 m 以下颗粒与直径 10 m 以上颗粒过滤效率之间的显著差别,可说明本过滤器对大颗粒漆雾具有良好的过滤效果,粒径 10 m 以下的漆雾颗粒需在后续的过滤棉过滤层被去除,因此本文着重分析过滤器对直径10 m 以上颗粒过滤效率。过滤器对 60 m 以上颗粒的过滤效率可达到 99%以上,颗粒粒径越大过滤效率越高。由于颗粒质量与其体积成正相关,粒径越大重力和惯性力越大,一部分颗粒由于重力原因被过滤器底部和内壁所捕捉,一部分由于惯性力的作用脱离气相流场,颗粒惯性越大与折流板碰撞的概率越大,所以更容易被捕捉。v=0.6 m/s,f=0.1 g/s 时不同粒径颗粒在过滤器内运动轨迹如图 5 所示,可以看出,大粒径颗粒大多由于重力被过滤器底部所捕捉,小粒径颗粒大多在折流板处被捕捉,分离的同时部分漆雾颗粒掉落至预分离器内,实现漆雾储存。绝大多数大粒径颗粒在 5 s 内被捕捉,极少数小粒径颗粒由于湍流的作用在过滤器内折返停留 10 s 左右后被捕捉或逃逸。图 4 漆雾粒径在 1 100 m 下的过滤效率Fig.4 Filtration efficiency of paint mist underparticle size 1 100 m图 5 漆雾粒径 10 100 m 的运动轨迹Fig.5 The trajectory of paint mist under particle size 1 100 m4.2 进口流速对过滤效率的影响工况 1 条件下,不同粒径及进口流速下过滤效率如图 6 所示,不同流速下漆雾浓度分布云图如图 7 所示。可以看出,在流速小于 1.0 m/s 时,流速越大过滤效率越小,这是因为流速越大,颗粒对空气的跟随性越好,越容易随着空气越过折流24第37 卷第3 期张紫轩等:涂装车间漆雾过滤设备内流场数值模拟与设计优化2023 年 6 月板而逃逸出去;流速越小颗粒的跟随性越小,越容易与折流板碰撞而被捕捉。当流速大于 1.0 m/s时,过滤效率基本不变,达到最大值。当进口流速小于 0.6 m/s 时,绝大部分漆雾颗粒在过滤器底部被捕捉,流速越大过滤器上部捕捉的颗粒越多。4.3 漆雾进口流量对过滤效率的影响工况2 条件下,不同进口流量下漆雾过滤效率如图8 所示,当进口流量从0.1 g/s 增大到 0.6 g/s时,过滤效率增大了7.6%,进口流量越大过滤效率越高,变化范围较小。当进口流量 f=0.6 g/s,进口流速 v=0.6 m/s 时,漆雾占气相的体积分数为0.77%仍在10%以下,占比很小,颗粒间相互作用仍能忽略不计,仅考虑气固两相间的相互作用。当漆雾流量越大时,漆雾与过滤器内壁及折流板的碰撞率越大,因此过滤效率有一定的增长。图 6 过滤效率随进口流速的变化Fig.6 Filtration efficiency varies with inlet flow rate图 7 不同空气流速下漆雾浓度分布云图Fig.7 Contour of paint mist concentration distribution under different air velocity34第37 卷第3 期南华大学学报(自然科学版)2023 年 6 月图 8 过滤效率随进口流量的变化Fig.8 Filtration efficiency varies with inlet flow4.4 过滤器进出口压差的变化在干式喷房中,干式纸盒过滤器中的风阻影响通过纸盒的风量与风速,进而影响整个喷漆房的风速及风平衡,导致喷涂品质的降低10,而过滤器进出口压差与过滤器内部结构和进口流速有关。f=0.1 g/s 时过滤器 X=0.3 m 处截面压力云图如图 9 所示,进出口压差随进口流速的变化如图 10 所示。由于气流的冲击,与入口相对的过滤器内壁附近压力较大,气流每经过一层折流板,压降增大。当进口流速越大时,进出口压差越大,但流速在1.4 m/s 以下时最大压差不超过 12 Pa,在喷漆房中,一般要求漆雾过滤系统压差在 1 000 Pa以下11,因此折流板式过滤器相对于后续的过滤层压差小、容漆量大,可降低后续过滤层的处理量,延长整个过滤装置的使用寿命。图 9 YZ 截面 X=0.3 m 处压力云图Fig.9 Contour of pressure at X=0.3 m in YZ section图 10 进出口压差随进口流速的变化Fig.10 Inlet and outlet pressure difference varieswith inlet flow rate4.5 流场及迹线分布空气流速为0.6 m/s 时气相速度云图如图11所示,可以看出,空气在由折流板组成的曲折流道内多次折返,在同一层折流板间狭缝处由于流动截面减小,流速被加速到最大值直至下一层折流板处,交错排列的折流板可使气流中所携带的漆雾颗粒更多地被捕捉。图 11 v=0.6 m/s 时气相速度云图Fig.11 Gas phase velocity nephogram at v=0.6 m/s工况 2 条件下,颗粒轨迹如图 12 所示,共追踪到颗粒数量 n=75 510,捕捉颗粒数量 nt=56 169,逃逸颗粒数量 ne=19 323,未完成颗粒数量 ni=18,大部分颗粒在过滤器内被捕捉,小部分小粒径颗粒逃逸出去。颗粒运动轨迹和颗粒沉积如图 12 所示,大粒径颗粒大多由于重力被过滤器底部和内部所捕捉,小粒径颗粒大多由于惯性被折流板所捕捉,极少部分颗粒进入湍流并停留其中运动。44第37 卷第3 期张紫轩等:涂装车间漆雾过滤设备内流场数值模拟与设计优化2023 年 6 月图 12 过滤器内颗粒轨迹及过滤器内表面颗粒沉积Fig.12 Particle trajectories in the filte and particle deposition on the inner surface of the filter5 结 论通过对折流板式漆雾过滤设备在过滤效率方面进行数值模拟研究,分析了过滤器进口流速、流量、漆雾颗粒粒径对过滤器过滤效率的影响,以及过滤器进出口压差随进口流速的变化,得出了以下结论:1)过滤器过滤效率随着漆雾粒径的增大而升高。过滤器对粒径在 10 m 以下的漆雾过滤效率在 20%以下,需将其在后续过滤层去除;对于粒径 10 m 以上的漆雾,粒径越大过滤效率越高,对于粒径 60 m 及以上的颗粒过滤效率可达99%以上;2)过滤器进口流速越大过滤器过滤效率越低。固定粒径 d=60 m,流量 f=0.1 g/s,进口流速从 0.4 m/s 升高到 1.4 m/s 时过滤效率从99.9%下降到 87.4%,当过滤器进口流速大于1.0 m/s 时过滤效率不再随流速的增大而降低;3)漆雾浓度增大时过滤器过滤效率有所升高。当进口流速 v=0.6 m/s,漆雾粒径 d=30 m时,漆雾流量增大 0.5 g/s,过滤器过滤效率增大了 5%;4)进口流速越大过滤器进出口压差越大,但相对于喷漆房的要求及后续的过滤层压差小可降低后续过滤层的压力。当进口流速从 0.4 m/s 增大到 1.4 m/s 时,过滤器进出口压差从 2.4 Pa 升高到 11.5 Pa,压阻升高比率为 9.1 Pa,远低于喷漆房过滤系统压差限值。可以看出,设计参数对过滤器的过滤效率有重要的影响,建议从以下两个方面进行优化:1)根据喷房的需要合理设定过滤器的运行参数。过滤器设计参数对过滤效率的影响较大,需根据喷房内的各项指标要求,综合考虑室内风量、风速、风机功率以及经济效益合理设置相应参数,实现过滤效率最大化;2)在漆雾进入过滤器前增大漆雾颗粒粒径。根据模拟结果可知,过滤器对大粒径颗粒的过滤效率更高,可在过滤前通过喷粉等措施将粒径增大,以此提高过滤器效率。折流板干式纸盒漆雾过滤器通过设计新的曲折通道捕集吸附大部分较粗的漆雾颗粒,部分漆雾颗粒掉落至预分离器内,可实现漆雾储存,相对于后续的过滤层压差小、容漆量大,也降低了后续过滤层的处理量,延长了整个过滤系统其使用寿命。参考文献:1 姚茂娟.汽车车身涂装喷漆室干式漆雾捕集装置介绍J.现代涂料与涂装,2016,19(4):57-58.2 冷经成,余丽华,姚鹏辉,等.汽车涂装中干式喷漆的应用J.时代汽车,2021(22):159-160.3 段建国,田立红,刘海娇,等.铁路涂装作业漆雾预处理方式探讨J.铁路节能环保与安全卫生,2021,11(5):44-49.4 黄超群,禤明妮,刘永福,等.涂装干式喷房迷宫纸盒和多层网格纸盒的应用研究J.电镀与涂饰,2019,38(16):908-919.5 MENTER F R.Two-equation eddy-viscosity turbulencemodels for engineering applicationsJ.AIAA journal,2012,32(8):1598-1605.6 郑建祥.粘附性颗粒动理学及气固两相流体动力特性的研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008:21-46.(下转第 58 页)54第37 卷第3 期南华大学学报(自然科学版)2023 年 6 月17 TANG G W,JING M G,ZENG X Y,et al.Adaptive CUsplit decision with pooling-variable CNN 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