【摘 要】
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在工业冶炼转炉以及倒灌的过程,经常会伴随着强烈的涡旋以及各种污染物产生,且这类污染物具有阵发性、温度高、浓度大等特点,主要表现为阵发性高温浮射流卷吸烟尘颗粒扩散。为了更加深入了解这类高温污染物的扩散特性,本文通过研究阵发性高温浮射流涡结构对高温烟尘扩散过程的影响,并利用引射流诱导通风原理,对局部通风控制方法进行优化设计。本文采用实验和数值模拟结合的方法研究阵发性高温浮射流涡结构对高温烟尘的扩散影响
【基金项目】
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十三五国家重点研发计划项目课题“高温烟尘散发特性与控制关键技术研究（2018YFC0705302）”； 国家自然科学基金项目“具有阵发性污染源的大型厂房通风系统能效研究（51608424）”； 陕西省高校科协青年人才托举计划项目“面向工业厂房高温烟气环境的通风与水雾喷淋协同控制研究（20190418）”；
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在工业冶炼转炉以及倒灌的过程,经常会伴随着强烈的涡旋以及各种污染物产生,且这类污染物具有阵发性、温度高、浓度大等特点,主要表现为阵发性高温浮射流卷吸烟尘颗粒扩散。为了更加深入了解这类高温污染物的扩散特性,本文通过研究阵发性高温浮射流涡结构对高温烟尘扩散过程的影响,并利用引射流诱导通风原理,对局部通风控制方法进行优化设计。本文采用实验和数值模拟结合的方法研究阵发性高温浮射流涡结构对高温烟尘的扩散影响以及引射流作用下的局部通风系统。首先研究阵发性高温浮射流涡结构对不同粒径（5μm、20μm、30μm、50μm、70μm）氧化铁颗粒扩散特性影响,对比了阵发性高温浮射流与稳态高温浮射流中颗粒物的扩散范围。其次,对这类阵发性高温污染物的控制方法进行优化,利用引射流诱导通风,优化局部排风系统。研究了排风速度、污染源速度、引射流速度、引射流与污染源间距、引射流风口面积、污染源温度对通风系统捕集效率的影响,给出了不同污染源速度下的引射流适用范围。最后研究了引射流作用下通风系统对阵发性高温烟尘的控制效果。主要结论如下:（1）阵发性高温浮射流速度的变化,导致阵发性高温浮射流流场涡旋强度更大,对颗粒物的径向扩散作用更大。在阵发性高温浮射流初期,射流主流区对颗粒物扩散影响较大。随着阵发性高温浮射流停止散发,涡结构对颗粒物的扩散影响比重逐渐增大,但对不同粒径的的作用效果不同。当St﹤0.05（氧化铁粒径小于20μm）时,涡结构可以卷吸颗粒物扩散至约15倍射流口直径。当St=0.11（氧化铁粒径等于30μm）时,涡结构卷吸能力减弱,颗粒在跟随涡结构的运动过程中开始发生脱落。当St﹥0.29（即氧化铁粒径大于50μm）时,颗粒从开始就发生沉降,涡结构对颗粒的卷吸作用大大减弱。（2）对比阵发性与稳态高温浮射流对颗粒物扩散范围,发现当St≤0.29（即氧化铁粒径小于50μm）时,阵发性比稳态高温浮射流中颗粒物扩散范围大,最大约1.5倍。当St﹥0.29时,阵发性与稳态高温浮射流中颗粒物扩散范围基本相等。（3）温度越高,阵发性高温浮射流涡旋强度越大,对颗粒物卷吸能力越强。同一时刻下,温度越高,颗粒物扩散范围越大。温度越小,同一粒径的颗粒物沉降越明显,随着温度的升高,颗粒物轴向扩散距离增大。而当温度大于1773K时,由于此时温度非常高,颗粒物在上升扩散过程中较为密集,一定程度上抑制了颗粒的轴向发展,同时对流场也产生了一定程度的抑制作用。（4）引射流作用下局部通风系统的六个因素影响作用从主到次的顺序为:A（排风速度）﹥F（污染源速度）﹥D（引射流速度）﹥C（引射流与污染源间距）﹥B（引射流风口面积）﹥E（污染源温度）。最优组合方案为A5B2C2D4E2F1,即A=3.5m/s,B=0.016m~2,C=0.08m,D=6m/s,E=50℃和F=1m/s。其中显著性影响因素为A（排风速度）、F（污染源速度）、D（引射流速度）。（5）利用引射流的诱导作用可以提高局部通风系统捕集效率。当污染源温度为50℃,排风速度为2.15-3.5m/s时,不同污染源速度与引射流的匹配如下:污染源速度为1.0m/s,引射流应在4.0-6.0m/s中取值;污染源速度为1.5m/s,引射流应在5.0-6.5m/s中取值;污染源速度为2.0m/s,引射流应在6.0-8.0m/s中取值。因此,实际工程利用引射流通风时,要合理匹配污染源速度和引射流速度。（6）阵发性高温污染物散发的过程中加入引射流,在散发不同时期,引射流的作用效果不同。在散发初期,捕集效率下降,最小仅为72.33%。在散发中期,颗粒物速度突然增大,捕集效率急剧下降,在引射流作用下,捕集效率有所提升。在散发后期,阵发性高温颗粒速度减小,加入引射流,捕集效率增大。因此,在阵发性中期和后期,利用引射流可以提高捕集效率,在阵发性初期,引射流对捕集效率提升意义不大,而且一定程度会造成捕集效率下降。
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