0 引　言

船体外板喷涂施工中由于涂料涂到涂漆表面时会产生挥发性有机化合物（VOCs）形成漆雾，该物质有毒易扩散，如果不能及时回收，会对人与施工环境（码头和海水领域等）造成严重污染。针对船体外板的室外作业喷涂操作^{[1 − 4]}，需要满足国家涂料等工业大气污染物排放标准（GB 37824−2019）。根据标准要求，污染物的排放限值不得超过30 mg/m³。目前，通常采用漆雾回收装置在喷涂作业进行时收集漆雾粒子，为后续的废气集中处理提供便利。但由于漆雾粒子在排风罩涡旋流场环境中发生相互碰撞，引发翻转^{[5 − 6]}、回旋、转折运动，对回收效率造成了负面影响。因此，必须采取措施捕获更多漆雾粒子，并减少漆雾粒子的聚集和外溢，提高排风罩内的漆雾粒子回收效率。

本文研发一种组合式回收漆雾装置，用于提高捕获VOCs微小漆雾粒子的效率。基于漆雾粒子特性，通过对船体外板作业设备上回收装置功能的假设，应用CFD分析软件Fluent对漆雾粒子在回收装置中的流动特性进行模拟研究，准确了解回收漆雾的控制技术性难点，更好地指导漆雾回收系统设计，促进船舶业的绿色制造发展。

1 组合式回收漆雾粒子装置 1.1 组合式回收漆雾装置的原理

图1为组合式回收漆雾装置。该装置主要包括：1）真空回收管道。喷枪作业产生漆雾，漆雾回收真空系统提供吸力回收漆雾粒子。2）双层回收隔离罩。内罩隔离漆雾回收与喷枪喷涂，避免干扰并提升回收能力。3）气幕阻隔系统。压缩机提供气体在双层回收罩和喷涂表面间形成气幕，阻隔漆雾扩散、增强作业空间密闭性，利于提高漆雾粒子回收效率。组合该装置，可快速、高效、低成本且可重复地回收漆雾粒子。

1.2 组合式回收漆雾装置

目前，针对船体外板的漆雾回收系统的研究较少。大部分研究集中在漆雾回收的后期处理，或在喷漆房的空气净化和漆雾分离。刘晓宏等^[7]探讨了气液双流体喷嘴雾化特性，得到了喷嘴射流的流场特性和雾化特性。谢颖瑶^[8]研究了喷漆废气治理技术方案，指出漆雾干式净化作为最重要的净化法，应用之前需要首先通过风机的负压抽吸作用收集漆雾。这种方法对结构要求低，损耗小，易于实现。通过合理实施漆雾回收装置方案，能较好解决污染严重、降低后续 VOCs 再处理成本等问题^{[9 − 11]}。但喷涂作业中防扩散漆雾装置研究极少^{[12 − 13]}，大量漆雾扩散会危害工人健康与环境。基于此，本研究提出一种组合式回收漆雾装置捕获漆雾颗粒。图2为搭载该装置的船舶外板喷漆系统图，主要由双层回收罩、真空回收管道、气幕发生器和集成箱等组成，需对其漆雾回收效率分析以验证其科学性与先进性。

2 数学建模

组合式漆雾回收装置数值模拟主要计算漆雾粒子受力^[14]，因其体积分数低可视为离散相^[15]。计算离散相常见算法有欧拉-欧拉法和欧拉-拉格朗日法^[16]，后者占内存少、计算快且能准确描述粒子受力与轨迹。故本研究拟采用欧拉-拉格朗日法，分析流程如图3所示。

连续相控制方程的通用格式为：

$ \begin{split} \frac{{\partial \left( {\rho \varphi } \right)}}{{\partial {{t}}}} + \, &\frac{{\partial \left( {\rho \mu \varphi } \right)}}{{\partial {{x}}}} + \frac{{\partial \left( {\rho \nu \varphi } \right)}}{{\partial {{y}}}} + \frac{{\partial \left( {\rho {{w}}\varphi } \right)}}{{\partial {{z}}}} =\\ & \frac{\partial }{{\partial {{x}}}}\left( {\varGamma \frac{{\partial \varphi }}{{\partial {{x}}}}} \right) + \frac{\partial }{{\partial {{y}}}}\left( {\varGamma \frac{{\partial \varphi }}{{\partial {{y}}}}} \right) + \frac{\partial }{{\partial {{z}}}}\left( {\varGamma \frac{{\partial \varphi }}{{\partial {{z}}}}} \right) + {{{S}}_{{e}}}。\end{split} $

(1)

式中：φ为流体力学的通用变量，可以代表压力、密度、速度等各种求解变量；Γ为广义扩散系数；$ {{{{S}}}}_{{e}} $为广义源项。

漆雾粒子作为离散项^[17]，其运动轨迹方程为：

$ \frac{\mathrm{d}u_p}{\mathrm{d}t}\text{ = }F_D\left(u-u_p\right)\text{ + }\frac{g_i\left(\rho_p-\rho\right)}{\rho_p}+F_i。$

(2)

式中：左边为运动轨迹微分表达式；右边第1项为漆雾粒子受到的单位质量曳力；第2项为漆雾粒子的重力项；第3项为其他施加在漆雾粒子上的作用力。本次计算中需要考虑重力、真空管道的真空力等。

3 计算模型 3.1 模型与网格

为了获得较大的喷涂效率，选取了双喷头喷涂船体外板的作业情况。喷嘴选用美国Graco牌的涂料喷枪，其基本参数如表1所示。喷嘴距船体外板400 mm，建立长1.3 m、宽0.3 m、高0.4m的矩形回收罩模型，双层回收罩开口面距船体外板100 mm。结合喷嘴参数与喷涂机构^[18]设计真空管道和气幕，确定CFD 模型如图4所示。用Fluent2022 R2软件划分网格并分析模拟^{[19 − 20]}。油漆射流从喷嘴1、喷嘴2喷出，漆雾被真空管道回收，气幕阻隔粒子飞溅。模型采用0.5 mm四面体网格，经无关性验证，网格数815849，最差质量0.80，满足要求。图5为网格内部，喷射及边界处加密以更好模拟漆雾喷射。

3.2 边界条件

船体外板与双层罩壳间区域（图5蓝色区域）与大气相连，边界条件设为压力入口。先模拟双罩隔离罩和真空管道2种回收方式（组合方案1），真空管道出口抽气速度预设8 m/s（方向负）以吸附漆雾颗粒。DPM设置中，喷射速度依实际喷嘴型号设为50 m/s。真空管道入口设捕获条件（trap），回收罩边界设escape。无气喷涂颗粒轨迹跟踪为瞬态，选方案法配合PISO算法，依网格质量选基于高斯节点或单元的空间离散化方法。

4 计算结果与分析 4.1 漆雾流场迹线

图6呈现X-Y和Y-Z坐标轴下装置内50 m/s漆雾粒子流场迹线分布。可见，喷嘴射流速度沿喷射方向渐减，撞击船体外板前多在20 m/s以上，撞击后降至10 m/s以内。船体外板与罩壳间靠近罩壳边缘（红色框区域）有强涡旋，气体运动杂乱、易飞溅扩散，增大漆雾回收难度。不过整体上，漆雾粒子多流向真空管道区域，流动性良好。

4.2 漆雾流场浓度分布 4.2.1 xy平面的漆雾浓度分布

图7展示 50 m/s 漆雾粒子在流场（z=0）的浓度分布。喷射射流在船体外板表面引发飞溅，真空管道真空力抽除了大部分漆雾粒子，但船体外板表面及罩壳边缘附近仍有超标漆雾粒子。而两喷射射流交汇处因靠近真空管道，几乎无漆雾粒子流动。这表明真空管道抽吸参数合理，能抽除大部分区域漆雾粒子，使流场浓度小于30 mg/m³。

4.2.2 xz平面的漆雾浓度分布

选取y=300、200、100、20、0 mm（被喷涂表面）这5个垂直于Y轴的xz平面，获取漆雾喷涂浓度分布，如图8所示。可见，在双层隔离罩保护下，射流形状稳定，喷嘴1和喷嘴2在喷涂表面形成的涂敷面仅少部分重叠。且真空管道抽气口抽除粒子时，未破坏射流路径。

5 气幕阻隔系统

为探究气幕阻隔系统对回收性能的影响，在组合方案1基础上增设气幕，即在双层隔离罩开口侧底部边缘输入有压气体形成隔离区防漆雾外溢。有压气流垂直喷向船体外板，参考文献将气幕射流速度入口设为5 m/s。

组合方案2包含双层回收隔离罩、真空回收管道和气幕阻隔系统。重新模拟分析，其X-Y和Y-Z坐标轴下流场迹线如图9所示，引入有压气体使漆雾流场紊乱减轻，罩壳边缘无明显涡旋，气幕增强抗漆雾外逸能力，真空管道区域流线密度增大，利于捕获漆雾。经气幕阻隔，图10显示双层隔离罩隔离效果好，罩边缘无超30 mg/m³的漆雾粒子，表明方案2回收装置性能可靠。

6 回收效率分析 6.1 组合式回收装置回收率

为了评价组合式回收装置的回收效率，将该效率η定义为：

$ \eta=\left(\frac{M_a}{M_{\mathrm{total}}-M_{\mathrm{film}}-M_{\mathrm{escape}}}\right)\times100\text{%}。$

(3)

式中：$ {{M}}_{{a}} $为真空管道中回收的漆雾质量，kg；$ {{M}}_{{\mathrm{total}}} $为喷嘴中喷出的所有漆雾质量，kg；$ {{M}}_{{\mathrm{film}}} $为船体外板涂敷的液膜质量，kg；$ {{M}}_{{\mathrm{total}}}\text{-}{{M}}_{{\mathrm{film}}} $的差值表示自由散射的漆雾颗粒质量。$ {{M}}_{{\mathrm{escape}}} $为逃逸的漆雾粒子质量。通过设置“Resulets>Resports>Discrete Phase>Summary”，选报告真空管道表面进出颗粒文件，进而获该表面颗粒喷射具体数目，通过计算得到$ {{M}}_{{a}} $。同样的方法选取回收罩边界获得的$ {{M}}_{{\mathrm{escape}}} $质量。$ {{M}}_{{\mathrm{total}}} $通过引入颗粒数量计算。$ {{M}}_{{\mathrm{film}}} $液膜质量通过测量液膜厚度计算得到。表2呈现不同作业时间下2种组合式回收装置漆雾粒子质量分布。本研究旨在评估装置捕获效率，据此及式(3)得效率值。图11对比了组合方案1和方案2在不同工作时间下捕获漆雾粒子的回收效率。

由图11可见，组合式回收装置初始工作时，仅真空抽气管运行，漆雾粒子回收效率低，随时间增加，0.1 s时达78.6%；气幕发生器与风机同时工作时，始终保持高回收效率，最高达93.5%。对比2种方案，结合图6和图9，回收罩边界射流风幕有效隔绝漆雾粒子，提升密封性，真空管道抽吸产生负压，缩短粒子飞行行程，使其不聚集于边界，迅速被捕获，回收效率更高。

6.2 气幕气流速度对漆雾粒子回收的影响

为探究气幕气流速度对双喷嘴漆雾粒子回收过程及效率的影响，分别将气幕气流速度设为3、7 m/s，并与5 m/s 的工况对比。图12展示了各工况下漆雾粒子在流场中的停留时间分布。

可知，气幕气流3 m/s时，真空力抽吸效果欠佳，双层隔离罩边缘与喷射目标面间有漆雾粒子逃逸；7 m/s时，气幕气流过强，卷吸射向涂漆面的油漆粒子，破坏涂敷形态。经计算回收效率，0.1 s时3 m/s回收效率为75.4%，7 m/s为96%，而5 m/s时为93%。可见气幕气流速度越大，回收效率越高，综合考量，5 m/s为最优值，兼顾射流形态与回收效率。

7 结　语

1）双层隔离罩保障射流轨迹，确保喷涂准确度，抵御外界干扰。

2）真空管道真空力可有效抽吸漆雾粒子，0.1 s后回收效率超75%。但双层隔离罩边缘与船体外板间区域因真空力弱、壁面摩擦等产生漆雾涡旋流场，粒子难回收，增强真空管道相对作用力可提高回收效率。

3）气幕装置减少漆雾粒子逃逸，使真空力分布均匀，提高抽吸强度。增大气幕气流速度可提升回收效率，5 m/s时0.1 s后回收效率超90%，且不破坏射流形态。

4）该组合式回收装置隔离和回收效果显著，满足排放标准，是兼顾作业效率的环境与人体防护有益尝试，为漆雾回收提供新方法。