[发明专利]一种面向工业环境移动个体的工位送风设计方法

说明书

一种面向工业环境移动个体的工位送风设计方法，通过遗传算法耦合伴随方法优化工位送风气流参数控制向工业环境移动个体的工位送风，为高污染场所个体呼吸污染暴露减量。以控制移动个体的呼吸暴露量为主要设计目标，同时对工位送风出风风速、角度、动量进行优化，优化过程以移动个体呼吸暴露量、送风速度及出风面积为优化目标函数，通过遗传算法的自适应遗传操作自动反向输出设计目标优化值。本发明实践上较正向设计的反复试算节省了大量的模拟计算时间，操作简洁易行。

技术领域

本发明属于工业环境通风系统设计领域，涉及面向工业环境移动个体的工位送风反向设计方法。

背景技术

目前已公开的针对工人呼吸防护的技术中，工人主动佩戴呼吸防护用品较为常见，然而该措施主要应对的是工业场所呼吸防护标准(GB/T 18664-2002)规定“立即威胁生命和健康的危害环境”。对于大多数非IDLH环境，工人呼吸暴露浓度仍是很高的，由于不规定采用呼吸防护用品，实际上我们采取的是通过全面通风稀释或工位送风气流来控制工人的呼吸暴露水平。而目前工业建筑中工位送风所对应的人员区往往是模糊的，既位于生产工艺和操作要求的特定区域内，又由工人无法避免的移动而使空间范围变大且不明确，使得实践中很多工位送风失效(移动距离≥1m)。已公开的常规工位送风设计方法并没有以控制工人的呼吸暴露量为主要设计目标，同时对工位送风出风风速、角度、动量等也缺乏优化，导致以现有方法设计的工位送风系统在实际工程应用中对移动工人的呼吸防护效果极差。此外，常规的正向设计方法在应对多个送风参数需要同时优化的场景时只能通过试算遍历所有可能的送风参数，实践上费时费力，这也是工位送风气流缺乏有效优化的重要原因。

发明内容

针对上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种面向工业环境移动个体的工位送风设计方法，拟通过遗传算法耦合伴随方法优化工位送风气流参数解决工人移动过程中送风气流防护失效的难题，为高污染场所工人呼吸污染暴露减量化提供技术支撑。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

(1)选取圆形喷口作为工人呼吸防护气流的送风装置，则根据射流基本特征，喷口送风将与工人呼吸高度所在的平面相交。一般情况下平面与射流轴非正交，相交断面呈椭圆形，特殊情况下平面与射流轴正交，相交断面为圆形。

(1.1)根据射流的几何特征，当射流轴非正交于已知平面时的主体段断面流量及真实动量为：

其中，Q为主体段断面流量，m³/s；Q₀为圆形喷口出口流量，m³/s；v_s为主体段质量平均流速， m/s，反映主体段的真实动量；β为垂直于射流轴的圆断面与水平面的夹角；u₀为射流出口断面的平均速度，m/s；a为紊流系数；s为射流断面到圆形喷口的距离，m；r₀为圆形喷口半径，m。所述紊流系数a对于圆形喷口取0.08。

(1.2)若要满足以上椭圆面覆盖移动工人的主要呼吸区域，需统计工人在操作机器时的大致移动范围，实践中可采用给工人操作区域划定椭圆边界线的方法实现。

(2)确定通过反向设计求取的设计变量。首先假定射流出口位置由管线布置决定，同时假定射流出风口为圆形，两者均是确定量，则本发明中的风口设计变量包括出风角度(β)、出风速度(u₀)以及出风动量(面积S)。

(2.1)以(1.2)所划定的椭圆截面积参数(长短轴)、射流在该截面的质量平均流速范围v_s以及工人的呼吸暴露量阈值为设计目标，其中，工人在设备运行周期内的呼吸暴露量可由如下公式表示

式中，C_i(t)为t时刻工人呼吸区污染浓度，mg/m³。