[發明專利]一種基于CFD模擬的油霧采樣系統

在審

• 申請號: 202011000617.5
• 申請日: 2020-09-22
• 公開（公告）號: CN112014168A
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 龍正偉;張宏盛;張思軼;孫靜楠
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N1/22
• 分類號: G01N1/22;G01N15/02;G01N15/06;G01D21/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程小艷

本發明公開了一種基于CFD模擬的油霧采樣系統。該系統主要由油霧發生系統、混合區及采樣系統三個部分組成。空壓機將液態油壓出后形成油霧與一定比例的空氣混合，在混合區內將低濃度油霧控制均勻，通過經CFD模擬優化后的半揮發性二分采樣器，可以精確測量油霧中顆粒相和氣相污染物的濃度。本發明通過CFD模擬優化虛擬沖擊器的設計參數，可以有效地降低壁損以提高油霧中顆粒物和氣態污染物的分離效率。

技術領域

本發明涉及污染物采樣技術領域，具體涉及一種基于CFD模擬的油霧采樣系統。

背景技術

半揮發性氣溶膠是由半揮發性有機化合物產生的，其蒸氣壓在10^-11-10^-4atm之間，由于其蒸汽壓較低，所以同時存在于顆粒相和氣相兩種形態，而油霧是職業場所中典型的半揮發性氣溶膠。眾所周知，機加工行業由于金屬切削液的大量使用會產生很多高濃度油霧，長期接觸會極大地影響工人的身心健康，因此，精確的測量油霧濃度意義重大。先前的研究表明，虛擬撞擊器可以有效的分離半揮發性氣溶膠，自上世紀80年代以來，虛擬沖擊器便被廣泛用于大氣采樣，1988年國外學者對圓形噴嘴虛擬沖擊器的設計和性能評估研究更是被視為虛擬沖擊器設計領域的標準。時至今日，圍繞虛擬沖擊器的數值模擬和實驗研究已經日趨成熟，相關的原型裝置陸續開發，但由于原理限制，其性能受到諸多因素的影響，如入射角度、噴嘴間距、噴嘴尺寸、分流比、雷諾數等參數的設計以及廣泛存在的交叉軌跡現象均會對截止粒徑、分離效率以及壁損產生影響。通常，性能好的虛擬沖擊器，應具有較低的截止粒徑、較低的壁損以及較好的切割性能曲線以及較高的性價比。此外，油霧采樣的相關研究國內還比較少，缺乏成熟的采樣系統。因此，提出一種基于CFD模擬的油霧采樣系統，在Fluent軟件中通過比較三維模擬結果，獲取最優化的設計參數，再輔以現在日益廣泛的3D打印技術制造半揮發性二分采樣器，從而通過采樣系統精確的分離油霧中的顆粒相和氣相污染物。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有油霧采樣技術的不足，提出了一種基于CFD模擬的油霧采樣系統。

本發明為解決背景技術中提出的問題，采用的技術方案是：本發明公開了一種基于CFD模擬的油霧采樣系統，包括油霧發生系統、混合區及采樣系統，所述油霧發生系統包括油霧發生器、空壓機、調壓閥、油水分離器、玻璃轉子流量計、干燥管、質量流量控制計及顯示儀，其主要功能是將油霧和空氣配比通入油霧混合區以控制油霧濃度限值；所述油霧混合區包括亞克力艙、整流蜂窩網、均流板、HEPA濾網、離心式引風機、變頻器，其主要功能是控制艙內油霧濃度穩定；所述油霧采樣系統包括虛擬沖擊器、粉塵檢測儀、溫濕度傳感器，所述虛擬沖擊器主流出口依次連接Tenax吸附管和真空泵，次流出口依次連接圓筒形靜電采樣器、過濾器、真空泵，所述圓筒形靜電采樣器中心固定銅絲連接高壓電源，外殼接地，內壁貼附鋁箔紙。

所述整流蜂窩網為定制的正六邊形鋁網，可以起到均流的作用。

所述圓筒形靜電采樣器直徑為20mm，高度為100mm，在給定高壓下，經Deutsch公式計算所得的收集效率在90％以上。

所述圓筒形靜電采樣器中心處銅絲采用定制螺絲固定，其材質為絕緣樹脂。

所述虛擬沖擊器幾何模型通過Fluent軟件進行了模擬優化。

所述虛擬沖擊器由低成本的3D打印技術制造，其材質可為光敏樹脂或者不銹鋼，精度在±0.1mm左右。

所述過濾器為精密過濾器，型號為015QPS，可除塵、除水、除油。

所述采樣系統包括兩個粉塵監測儀和一個溫濕度傳感器，粉塵監測儀型號分別為DustTrak 8533和TSI 3330，前者用于監測采樣位置油霧濃度穩定性，后者用于獲取精確的粒子濃度和粒徑分布；溫濕度傳感器型號為TH10S-B，用于實時監測采樣位置環境參數。

所述采樣系統的兩個粉塵監測儀和一個溫濕度傳感器在亞克力艙的末端采樣。