1、毕业论文 - 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 船厂通风系统的优化及数值模拟研究 学 院： 学生姓名： 专 业： 建筑环境与设备工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 - 目录 摘 要 . 1 ABSTRACT . 2 1 概述 . 3 1.1 课题研究背景 . 3 1.2 国内外通风研究现状 . 3 2 污染物扩散的数值模拟基础理论 . 5 2.1 船厂中污染物的种类及特性 . 5 2.2 数值模拟 . 5 2.3 数值求解 . 7 2.4 模拟软件简介 . 7 3 工程介绍及模型建立 . 10 3.1 物理模型的建立 . 10 3.2 网格划分 . 10 3.3. 数学模
2、型的建立 . 11 3.4. FLUENT 程序求解问题的 步骤 . 12 3.4.1 输出网格 . 12 3.4.2 建立求解模型 . 12 3.4.3 组分传输 . 12 3.4.4 确定流体的材料物性 . 12 3.4.5 确定边界类型及边界条件 . 12 3.4.6 流场初始化 . 13 3.4.7 求解计算 . 13 3.4.8 后处理 . 13 4 数值模拟及结果分析 . 14 4.1 自然通风对车间内污染物影响的模拟结果及分析 . 14 4.2 增加机械通风后对室内污染物分布的模拟结果与分析 . 18 5 气流组织及污染物浓度的影响因素研究 . 22 5.1 送风速度的影响 .
3、22 毕业论文 - 5.2 送风口个数的影响 . 25 5.3置换通风对室内空气的影响 . 29 5.4密闭工作条件下加 入局部通风对室内空气的影响 . 32 6 模拟方案的结果讨论 . 36 致谢 . 38 参考文献 . 39 附录 . 错误 !未定义书签。 毕业论文 - 船厂通风系统的优化及数值模拟研究 摘 要 船厂涂装车间内涂装工作时，涂料常散发甲苯、二甲苯、甲基异丁基酮和乙二醇乙醚，威胁工作人员的健康。本文研究的目的在于通过通风系统控制船厂涂装车间内污染物的浓度，确保工作人员的安全。 本文首先概述了国内外船厂的发展，分析了船厂现有的通风方式。本文利用 Fluent 软件进行数值模拟，以
4、研究自然通风、屋顶送风、置换通风、局部 送风等情况下对室内污染物扩散的影响。通过对模拟数据的归纳和总结，得出如下结论： 1. 在自然通风条件下，大门送风处甲苯浓度较低，而墙与涂装部件之间由于气流组织无法到达，因而污染物浓度偏高； 2. 在屋顶送风条件下，风速不同、送风口数量不同导致工作区域污染物浓度不同，风速较低时，屋顶送风与自然送风相撞，反而对车间内污染物分布不利；当风速较大时，车间内污染物有微小的改善。 3. 在置换通风条件下，船厂内污染物大有改善，涂装部件附近甲苯浓度大大降低。 4. 在密闭车间内，只能运用局部通风，相对改善了人员工作点的卫生条件。 最后，论文根据 数值模拟的结论，提出多
5、模式通风系统整合成一整套通风系统。 关键词 涂装车间；甲苯；扩散；数值模拟；置换通风 毕业论文 - Study on numerical simulation and optimization of ventilation system in shipyard Abstractwhen Shipyard painting in the workshop, painting often disseminate C7H8、 C8H10、 C6H12O 、 C4H10O2, these threaten the health of staff. This article explores the v
6、entilation system which used for controlling concentration of Pollutants. First,this article outlines the development of domestic and foreign shipyards, analysis the existing ventilation system of the shipyard. this article using Fluent software to research diffusion effect on natural ventilation, v
7、entilation on the roof,displacement ventilation,local ventilation. They are all researched in this paper. Basic on the Numerical simulation, the research gives some conclusion: 1. In natural ventilation, the concentration of Pollutants at the door are low, because the airflow cannot be reached the p
8、lace between the walls and painting parts, the concentration of pollutants are highly; 2. Under the roof ventilation conditions, different wind speed and outflow number led different pollutant concentrations in the working regional, when the wind speed is low, roof air and natural air collision, but
9、 it is bad for the pollutant distribution in the workplace, when wind speed is the high, pollutants within a small improvement. 3. Under the conditions of displacement ventilation, concentrations of pollutant has improved in the shipyard, toluene concentration near the painting part are significantl
10、y reduced. 4. Within the closed shop, only local ventilation can be used to improve the conditions working place. Finally, According to the result of numerical simulation, the paper gives some advice for the original design. Key Words paint shop; Toluene; Diffusion; Numerical simulation; Displacemen
11、t ventilation 毕业论文 - 1 概述 1.1 课题研究背景 我国的海洋经济发展已初具规模，作为海洋经济重要产业的海洋运输业和海洋船舶工业也有了长足发展。随着中国加入世界贸易组织，我国海洋经济在国民经济中所占比重将进一步提高，海洋运输业和船舶制造业将迎来更大的发展机遇。当前国家正大力扶持国内船舶工业的发展，船舶制造业迎来难得的发展机遇。从上世纪五六十年代开始，世界船舶制造中心已经历了多次从先行工业国家向后起工业国家的转移，目前，日本、韩国虽仍为世界造船 大国，但世界船舶工业向中国转移的趋势已经确立。我国的船厂工业在世界的船厂工业中占据了重要地位。 随着造船业迅猛发展，在船舶建造与修
12、理过程中影响职工健康的危害因素逐渐显现；如焊接、涂装等作业中的尘毒、有毒有害气体、噪声、振动、放射性等，其中尤以尘毒为甚。焊接是造船工艺最基本最主要的工种，每种焊接工艺有着不同的尘毒污染，同时长时间的焊接会使加工车间的温度上升，进而引起车间内的温湿度变化。经过大量调查和分析表明尘毒污染近年来也居高不下，焊工尘肺病逐年增高。涂装作业是造船、修船中最普遍的作业，贯穿于船舶建造的全过程 ，在涂装作业中，涂装前处理的工业有害物有粉尘、有机溶剂、酸洗腐蚀等，而在采用溶剂涂料进行涂装作业时，污染大气环境的工业有害物有漆雾粒子、有机溶剂 (甲苯、二甲苯、甲乙酮等 ) 、臭味、挥发物、热分解和反应的生成物等，
13、这些有害物的量过大会对职工健康产生很大影响，其中上呼吸道粘膜受损害的呼吸道感染者逐年增多，此外因缺氧、低氧导致的伤害也屡有发生。加强通风是保护作业场所适宜的小气候并用以排除工业有害物 (有害气体、粉尘 )，减少职业病的有效措施。 1 目前舟山各大船厂焊接车间均为半开放式空间，船厂位于海岛上，虽然常年受 海风影响，但会由于风向的变化，出现气流倒灌现象，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 2。车间常常采用屋顶送风，由于厂房过高，而送风速度不大导致效果甚微，基本无气流组织可言。 为了防止喷涂时大量烟
14、尘未经处理直接排到大气中，有时喷涂车间需要封闭进行，压载舱内的涂装若无良好的通风措施，仅靠开口处污染物的自然扩散排放是远远不够的，若不及时对其进行通风，污染物浓度到达爆炸极限浓度时，稍一遇到火源就会产生爆炸。 1.2 国内外 通风研究现状 目前国外涂装车间污染物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毕业论文 - 合理及运行管理不完善而达不到预期的通风效果。高大厂房也常应用自然通风的形式 ， 自然通
15、风利用风压、热压、风压与热压相结合及机械辅助通风等形式来实现 ,是一种经济的通风方式 ，但由于自然通风易受到室外气象条件的影响 ， 特别是依赖风压作用的自然通风的稳定性和可控性都较差 ， 所以对于有粉尘、有害气体等污染物产生的厂房难以达到理想的通风效果。局部通风是通过设在污染源上的密闭装置和排风装置直接控制受污染的空气运动。采用局部通风可以阻止无组织气流在车间内带动污染源扩散 ,减小必须的补给空气量。 3 而国内船厂基本为起步阶段，船厂较为注重经济效益，虽然为车间内设置了通风设备，但由于厂房空间过大，从顶部送风无法在工作点形成良好的气流组织。若要使气流组织到达工作点，则需要增大送风量，而需要大
16、通风量的设备，这样对刚起步的造船厂又显得标准过高。而大部分船厂的通风主要是为了在密闭工作时为工作人 员供氧，大部分工作人员进入涂装车间都是带上防毒面具的。因此有效地通风和合理的气流组织对改善车间内空气品质，控制车间内污染物水平，减少职业病的发生有着重要的意义。 在欧美等发达国家， 自二十世纪六十年代以来 CFD 技术 已 得到飞速发展 。其发展的 原动力是不断增长的工业需求，而航空航天工业自始至终是最强大的推动力。传统飞行器设计方法试验昂贵、费时，所获信息有限，迫使人们需要用先进的计算机仿真手段指导设计，大量减少原型机试验，缩短研发周期，节约研究经费。四十年来， CFD 在湍流模型、网格技术、
17、数值算法、可视化、并行计算等方 面取得飞速发展，并给工业界带来了革命性的变化 。因此借助 CFD 可以预测仿真通风车间的气流组织详细分布状况。气流组织数值分析能详细考虑车间内各种可能的内扰、边界条件和初始条件，能全面准确的反应室内的气流分布情况。本文以舟山某造船厂涂装车间为研究对象，运用 CFD 模拟技术对涂装车间作业区的通风状况进行了探讨和研究，以期把握其气流组织设计资料，提出有效方法，解决具体工程问题。 毕业论文 - 2 污染物扩散的数值模拟基础理论 污染气体扩散满足气体扩散规律。关于污染气体扩散的数值模拟，通常使用基于Navier-Stokes 方程的完全三维流体力学模型的预测方法进行。
18、工程中为降低计算过程对内存和CPU 的要求，将非稳态的 Navier-Stokes 方程对时间做平均处理，期望到对时间做平均化的流场，但 Navier-Stokes 方程对时间做平均处理后，控制方程组并不封闭，因此需要建立湍流模型的过程。 2.1 船厂中污染物的种类及特性 涂装作业是造船、修船中最普遍的作业 ,贯穿于船舶建造的全过程，在涂装作业中 ,涂装前处理的工业有害物有粉尘、有机溶剂、酸洗腐蚀等，而在采用溶剂涂料进行涂装作业时，污染大气环境的工业有害物有漆雾粒子、有机溶剂 (甲苯、二甲苯、甲乙酮等 ) 、臭味、挥发物、热分解和反应的生成物等有害物量大对职工健康影响大。饮水舱涂料是直接关系到
19、人体健康的涂料，所以用于饮水舱的任何涂料都必须经过卫生或有关部门批准方能使用。造船厂常用到冷固化环氧树脂饮水舱涂料 4，其主要成分为甲基异丁基酮、乙二醇乙醚、甲苯、和二甲苯。该涂料对底材有良好的附着力；具有耐磨性和耐冲击性等良好的机械性能；具有良好好的耐水性和耐油性；具有良好的耐腐蚀性。 虽然该涂料具有良好的涂料耐水性、施工性，但是该涂料在涂装过程中挥发成分会对人体造成很大的危害。甲基异丁基 酮通过呼吸及皮肤吸收，可引起呕吐、恶心以及呼吸道刺激症状；乙二醇乙醚能通过皮肤吸收，长期吸入会引起粘膜刺激和头痛；甲苯对皮肤、粘膜有刺激性，对中枢神经系统有麻醉作用，短时间内吸入较高浓度甲苯可能出现眼及上
20、呼吸道明显刺激症状，眼结膜及咽部充血，头晕、恶心、胸闷、意识模糊，重症者可能抽搐昏迷。长期接触可发生神经衰弱综合症，肝肿大，女工生理异常，皮肤干燥、皲裂、皮炎等。二甲苯具有一定的致癌性，对中枢神经系统有麻醉作用，可通过皮肤吸收。要防止工人在车间内工作而得职业病，工作人员除了平时要求穿上防护服，加强车间通风， 保持车间良好的空气状况是很有必要的。 2.2 数值模拟 针对危险物质的泄露扩散问题，研究者提出了许多数学模型。根据复杂程度，可以将这些模型分成 3 类：经验模型、工程应用模型和研究模型 5 。其中经验模型和工程应用模型都是对实际扩散情况进行了一些假设，具有计算简单 ,易于运行，应用方便的特
21、点，但是结果有一定误差，不能得到扩散的细节情况，不适用于在复杂地形和障碍物存在情况下的扩散。本文研究车间内污染气体的扩散，空间较小且障碍物很多，为了得到扩散的细节情况，用研究模型即计算流体力学模型进行计算更为合适。计算流体力 学模型是通过建立各种条件下的基毕业论文 - 本守恒方程 (包括质量、动量、能量及组分等 )，结合一些初始条件和边界条件，加上数值计算理论和方法，描述真实扩散过程中各种场的分布，以达到对扩散过程的详细描述。 湍流模型有很多种 ， 如 k-模型 、 k-模型 、 SST 模型和 SSG 模型 ， 其中应用最广泛的是 k-模型 。 k- 模型是基于涡流黏滞度理论进行方程闭合，具
22、有比较广泛的适应性，在气体扩散计算中能够得到较精确的结果。在应用 k- 模型以后，上述控制方程可展开成如下形式： 1） 连续方程 0iiux (2.1) 2） 动量方程 1ij j z jiij j j j iuu u g tup vvx x x x x T e (2.2) 通常 ,忽略密度脉动的雷诺时均控制方程组为 ( ) ( ) ( )jjj j ju u St x x x (2.3) 式中， 为通用因变量的时均值， 1, , , ;su Y h S 为源项，分别为 0S ， 2( ) ( )3jjii j i i juuP gx x x x x ， sw ， s s rwq q (2.4
23、) 上述方程是不封闭的，因为其中表征湍流脉动引起的动量、能量及组分质量的二阶输运关联项 ju，即雷诺应力 ju、雷诺热流 juh 和雷诺物质流 jsuY 的规律都是未知的。根据 RANS 法的基本思想：用低阶关联量和平均流性质来模拟未知的高阶关联项，从而封闭时均方程组或关联项方程组。由此又可将 RANS 法分为涡粘性系数法和雷诺应力方程法两大类。在涡粘性系数法中 ,推广的布斯涅斯克（ Boussinesq）的涡粘性模型将雷诺应力表示为 2() 3jii j t ijjiuuu u kxx (2.5) 类似于雷诺应力的处理，对其它变量（比如能量或组分）的湍流脉动附加项可引入相应的湍流扩散系数 i
24、tju x ( , )sYh (2.6) 其中，湍流扩散系数 t 通过湍流普朗特数或斯密特数联系， /tt 。这样，涡粘性模型通过将二阶关联项表示成与时均速度场、能量场和浓度场间的关系，把湍流方程封闭的任务归结到模拟 t 或 K 的计算。根据决定 t 所需求解的微分方程组的个数，可分为零方程模型、单方程模型和双方程模型等 6。 毕业论文 - 车间中污染气体扩散常采用 K 双方程模型。在 K 双方程模型中，把涡粘性系数写成如下形式 2 /t Ck (2.7) 湍流动能 K 及其耗散率 的标准方程形式为 ( ) ( ) ( )tjkj j k jkk u k Pt x x x (2.8) 12(
25、) ( ) ( ) ( )tj j ju C P Ct x x x k (2.9) 由于标准的 K 模型没有考虑到浮力对湍流的影响，因此，不适用于浮力影响起重要作用的流动，于是出现了各种浮力修正的 K 模型。后来 Jacobsen和 Magnussen对标准的 K湍流模型进行改进，考虑表征密度分层梯度的当地理查逊数 Ri 的影响，对扩散系 数采用如下形式的修正 211( / ) 1t Ck Ri ， 2(1 / )( / )( / ) zR i g uz (2.10) 修正的 K 模型能在一定情形下，针对具体问题达到较好的模拟结果，可以弥补标准的K 模型的一些不足，使得 K 模型的应用范围大大
26、增加。 利用紊流模型 k 型基本 方程和差分法进行三维紊流数值解析，对复杂大空间的气流分布可获得其风速分布和速度矢量分布。此外，通过对室内空气和热流动的综合解析，还可以对大空间内的温度场进行模拟 。 2.3 数值求解 数值求解的基本思想是将原有时空坐标中连续物理量（如速度、温度、压力、浓度等）用一系列有限个离散点 节点（ node）上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散值之间的代数方程（离散方程），解这些方程以获得所求变量的近似值。 迄今为止已经发展出多种数值解法，其主要区别在于区域的离散方式、方程的离散方式及代数方程求解的方法这三个 环节上。在流动与传热计算方面应用的较广泛的是有限差分法、有限元法、有限分析法及有限容积法。 2.4 模拟软件简介 计算流体力学 (Computational Fluid Dynamics,简称 CFD)是 20 世纪 60 年代起伴随计算机技术迅速崛起的学科。经过半个世纪的迅猛发展，这门学科己相当成熟，成熟的一个重要标志是近十几年来，各种 CFD 通用性软件包陆续出现，成为商品化软件，为工业界广泛接受，性能日趋完善 ,应用范围不断扩大。至今， CFD 技术的应用早己超越传统的流体力学和流体工程
