排风罩对粉笔灰除尘的可行性研究

1、排风罩对粉笔灰除尘的除尘的可行性研究C组：庄孙岐 陈峰 丁海瑞 孙龙2目录目录一、课题背景一、课题背景二、数学模型二、数学模型这是目录内容这是目录内容这是目录内容这是目录内容这是目录内容这是目录内容这是目录内容这是目录内容3一、课题背景一、课题背景1.1 1.1 粉笔粉笔 粉笔的成分是硫酸钙的一种白色粉笔的成分是硫酸钙的一种白色沉淀物，不容易被分解，颗粒比粉尘沉淀物，不容易被分解，颗粒比粉尘大。国内使用的粉笔主要有普通粉笔大。国内使用的粉笔主要有普通粉笔和无尘粉笔两种，其主要成分均为碳和无尘粉笔两种，其主要成分均为碳酸钙（石灰石）和硫酸钙（石膏），酸钙（石灰石）和硫酸钙（石膏），或含少量的氧化

2、钙。或含少量的氧化钙。 无尘粉笔属普通粉笔的改进产品。它只是在普无尘粉笔属普通粉笔的改进产品。它只是在普通粉笔中加入油脂类或聚醇类物质作粘结剂，再加通粉笔中加入油脂类或聚醇类物质作粘结剂，再加入比重较大的填料，如粘土、泥灰岩、水泥等这样入比重较大的填料，如粘土、泥灰岩、水泥等这样可使粉笔尘的比重和体积都增大，不易飞散，可使粉笔尘的比重和体积都增大，不易飞散，但在但在实际应用中，它对粉笔尘污染的降低效果并不十分实际应用中，它对粉笔尘污染的降低效果并不十分明显。明显。4一、课题背景一、课题背景1.1 1.1 健康危害健康危害 用粉笔书写板书，是将石膏用粉笔书写板书，是将石膏粉末涂在黑板上。擦拭黑板

3、时，粉末涂在黑板上。擦拭黑板时，石膏粉尘（粉笔灰）在空气中短石膏粉尘（粉笔灰）在空气中短暂飘扬后坠落在黑板附近的物面暂飘扬后坠落在黑板附近的物面和地上。其颗粒较大，多在和地上。其颗粒较大，多在100100微微米以上，较重，落下较快，在空米以上，较重，落下较快，在空中飘浮时间短。中飘浮时间短。 粉笔的成分是硫酸钙的一种白色沉淀物，不容易被分粉笔的成分是硫酸钙的一种白色沉淀物，不容易被分解，颗粒比粉尘大。所以解，颗粒比粉尘大。所以粉笔无毒，但粉笔灰有害。粉笔无毒，但粉笔灰有害。粉笔粉笔灰的微粒子有很强的病菌吸附能力灰的微粒子有很强的病菌吸附能力, ,粉笔的成份是碱性物质。粉笔的成份是碱性物质。 有

4、害病菌，碱性物质对教师和学生的呼吸系统有害病菌，碱性物质对教师和学生的呼吸系统, ,皮肤皮肤, ,耳耳, ,鼻鼻, ,喉部容易造成炎症喉部容易造成炎症, ,干燥干燥, ,萎缩萎缩, ,搔痒搔痒, ,皲裂，肺癌，皲裂，肺癌，肺气肿和肾脏损害。肺气肿和肾脏损害。 52.1 2.1 求解颗粒物浓度场的本构方程求解颗粒物浓度场的本构方程 从黑板上扬出来的粉笔灰，讲台区域范围内的运动，属于三维非稳态不从黑板上扬出来的粉笔灰，讲台区域范围内的运动，属于三维非稳态不可压缩湍流流动可压缩湍流流动, , 只要求解浓度传输方程和动量守恒方程便可得出污染物在只要求解浓度传输方程和动量守恒方程便可得出污染物在房间内的

5、流场和浓度场。因此，将该区域视为三维空间，在非稳态下，根据房间内的流场和浓度场。因此，将该区域视为三维空间，在非稳态下，根据质量守恒建立室内污染物运输方程如下：质量守恒建立室内污染物运输方程如下：二、数学模型二、数学模型式中：式中： ux ux、uyuy、uzuz为空间内任一点在为空间内任一点在 x x，y y，z z 三个方向上的三个方向上的 雷诺时均速度分量；雷诺时均速度分量； 为房间内任一点污染物的扩散系数；为房间内任一点污染物的扩散系数； S( x, y, z) S( x, y, z) 为源项。为源项。） ),()()()()(222222zyxSzcycxccuzcuycuxtczy

6、x（1 1）62.2 2.2 假设条件的提出假设条件的提出 要求解式（要求解式（1 1）的浓度方程，首先要求解室内流速场，同时，并做相应）的浓度方程，首先要求解室内流速场，同时，并做相应的假设：的假设：假设流体不可压缩；假设流体不可压缩；为了合理的简化计算过程，将粉笔灰扩散的过程看作是稳态过程。为了合理的简化计算过程，将粉笔灰扩散的过程看作是稳态过程。二、数学模型二、数学模型2.32.3质量运输方程、动量运输方程质量运输方程、动量运输方程 质量方程、动量方程如下：质量方程、动量方程如下：0zuyuxuzyxijijjijjjjiiFuuxuuxxpxuutu)()()()(（2 2）（3 3）

7、7二、数学模型二、数学模型式中：式中： ui ui、ujuj（i,i,，j=1j=1，2 2，3 3）分别表示）分别表示 x x、y y、z z方向的速度分量；方向的速度分量； 为动力粘滞系数；为动力粘滞系数； 为流体密度为流体密度, , 对于不可压流体来说视为常数；对于不可压流体来说视为常数； Fi Fi（i,i,，j=1j=1，2 2，3 3）是微元体上的体力，由于此处只存在重力，）是微元体上的体力，由于此处只存在重力， 并取向上为并取向上为z z轴正方向，则轴正方向，则Fx=0Fx=0，Fy=0Fy=0，Fz=-gFz=-g。 式（式（1 1） （ 3 3）为求解粉笔灰扩散速度场、浓度场

8、的本构方程。其中有）为求解粉笔灰扩散速度场、浓度场的本构方程。其中有uxux、uyuy、uzuz、p p、c c、t t 六个未知变量，而且在式（六个未知变量，而且在式（3 3）中又多了六个未知的）中又多了六个未知的雷诺应力，方程不封闭，从而寻求其他补充方程使其封闭。因此雷诺应力，方程不封闭，从而寻求其他补充方程使其封闭。因此, ,，湍流建，湍流建模显得非常必要。模型化就是把瞬时值用时均值来表示，紊流模型就是把紊模显得非常必要。模型化就是把瞬时值用时均值来表示，紊流模型就是把紊流的脉动值附加项与时均值联系起来的一些特定的关系式。流的脉动值附加项与时均值联系起来的一些特定的关系式。8二、数学模型

9、二、数学模型2.4 2.4 脉动项脉动项 的处理的处理)(jijuux 脉动项的处理最常用的湍流模型有：零方程模型、二方程模型脉动项的处理最常用的湍流模型有：零方程模型、二方程模型（k-k-模型）、雷诺应力方程模型、代数应力模型。在此运用二方模型）、雷诺应力方程模型、代数应力模型。在此运用二方程模型法，即程模型法，即k-k-方程法。方程法。 标准的标准的k-k-模型的基础是关于两个模型方程：一个是模型的基础是关于两个模型方程：一个是k k方程，一方程，一个是个是方程。可用方程。可用k k和和定义大尺度湍流速度尺度定义大尺度湍流速度尺度和长度尺度和长度尺度l l：)2/1(k)2/3(kl式中：

10、式中：CC是无量纲常数。是无量纲常数。2kCLCpt 定义如下的涡粘性：定义如下的涡粘性：（4 4）9二、数学模型二、数学模型标准模型应用下列标准模型应用下列k k、的输运方程：的输运方程：)()(jiijjitjktjjjxuxuxuxkxxkutkkCxuxuxuxxxutjiijjitjktjjj22)()(（5 5）（6 6） 在稳态流动状态下，在稳态流动状态下，k-k-方程可简化。方程可简化。 k - k -方程中包含了五个可调常数方程中包含了五个可调常数: C: C、kk、C1C1和和 C2C2。在。在标准标准k-k-模型中，可取：模型中，可取：C=0.09C=0.09，k=1.0

11、0k=1.00，=1.30=1.30，C1=1.44C1=1.44，C2=1.92C2=1.92。为了采用为了采用 k-k-模型计算雷诺应力，用到模型计算雷诺应力，用到BussinesqBussinesq的假设，把紊的假设，把紊流脉动所造成的附加切应力表示成与层流运动切应力相类似的形流脉动所造成的附加切应力表示成与层流运动切应力相类似的形式，即：式，即：ijijijjitjtkkUUUUuu3232)(（7 7） 求解式（求解式（1 1） （7 7）构成的微分方程组，就可以求出讲台区域）构成的微分方程组，就可以求出讲台区域内粉笔灰扩散时的流场和浓度场。内粉笔灰扩散时的流场和浓度场。10二、数学

12、模型二、数学模型1.5 1.5 源项源项 的处理的处理 一般情况下，源项的处理有两种方法：一种比较复杂，需要求解一般情况下，源项的处理有两种方法：一种比较复杂，需要求解各污染源的释放强度，且提出一定的数学表达式；另一种则是直接把各污染源的释放强度，且提出一定的数学表达式；另一种则是直接把源项采取给定边界条件的方法进行处理。在此采用给定边界条件的方源项采取给定边界条件的方法进行处理。在此采用给定边界条件的方法。法。1.6 1.6 边界条件及初始条件的给定边界条件及初始条件的给定 边界条件：边界条件： 条缝形排风罩抽吸速度：条缝形排风罩抽吸速度：0.5m/s0.5m/s； 紊流模型：紊流模型：k-k-模型；模型； 粉笔灰微粒平均质量力：粉笔灰微粒平均质量力：10g10g； 初始条件（时间初始条件（时间t=0t=0时）：时）： 粉笔灰扩散流速（垂直于黑板扬起）：粉笔灰扩散流速（垂直于黑板扬起）：0.25