《Process Safety and Environmental Protection》：CFD-based Assessment of Welders’ Exposure to Welding Fumes in a Real-World Booth
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焊接过程会产生有害气体、烟尘和蒸气，对操作人员构成健康风险。实际可行的缓解策略有限。本研究应用计算流体力学（CFD）在全尺寸焊接隔间中模拟焊接烟尘。该模型旨在分析不同设计设置下呼吸带内的焊接烟尘浓度与沉积情况，为加强焊工防护提供实用策略。研究人员在不同的场景下
焊接过程会产生有害气体、烟尘和蒸气，对操作人员构成健康风险。实际可行的缓解策略有限。本研究应用计算流体力学（CFD）在全尺寸焊接隔间中模拟焊接烟尘。该模型旨在分析不同设计设置下呼吸带内的焊接烟尘浓度与沉积情况，为加强焊工防护提供实用策略。研究人员在不同的场景下量化了关键暴露指标，包括空气中的悬浮颗粒比例、颗粒逃逸分数以及焊工呼吸带内的沉积量，涉及通风速率、局部排风（LEV）位置、天花板几何形状和焊接持续时间等因素。结果表明，将入口空气速度提高一倍可使暴露水平降低36%。此外，研究结果显示，LEV系统在改善焊接车间防护方面发挥着关键作用。将LEV直接布置在焊接区域上方、距焊接工作台较近的位置时，暴露量降至总注入颗粒物的1%以下。另外，相较于平顶天花板，棱锥形天花板构型更有利于竖直烟尘的排出。较长的焊接持续时间显著增加了累积排放量和暴露水平。这些发现强调了综合方法的重要性，即结合优化的气流动力学、有效的LEV布置以及合适的设计构型，从而有效增强对焊工的防护。
本研究围绕真实焊接隔间内焊接烟尘的暴露评估与控制展开。焊接产生的烟尘属于有害空气污染物，可导致支气管炎、哮喘、肺功能下降及肺癌风险增加，国际癌症研究机构（IARC）已将其列为对人类致癌（1类）物质。焊接烟尘粒径小、惯性低，易随气流输运并长时间悬浮，使操作者面临慢性健康风险。传统现场采样方法受成本、工人配合度及作业干扰等限制，难以获取长期暴露数据。计算流体力学（CFD）已在室内污染物扩散模拟中展现优势，但针对实际焊接隔间的系统研究仍不足。为此，研究人员基于加拿大埃德蒙顿一处锅炉制造车间内的真实焊接隔间，建立了全尺寸CFD模型，系统探究通风速率、LEV布置、天花板几何形状、焊工姿势及焊接持续时间对烟尘扩散和呼吸带暴露的影响，旨在为工程防护设计提供科学依据。
研究采用ANSYS FLUENT 2023 R2软件，在欧拉-拉格朗日框架下耦合连续相与离散相。连续相采用雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程及REALIZABLE k-ε湍流模型，离散相采用离散相模型（DPM）追踪焊接烟尘颗粒。几何模型依据现场实测尺寸构建，包含180 cm站立焊工、工作台、通风入口和排气口。颗粒以锥形喷射方式注入，粒径分布为0.095~10.5 μm，主要成分为氧化铁（FeO、Fe?O?、Fe?O?）。模拟设置了不同入口风速（1、5、10 cm/s）、LEV位置（Location 1、Location 2）、LEV排风速率、焊工姿势（站立、坐姿）、天花板形状（棱锥形、平顶）以及焊接时长（10 s、20 s、600 s）。通过网格独立性分析确定220万网格用于后续计算，并以已有实验数据对模型进行验证。
研究结果显示了多因素对焊接烟尘行为及焊工暴露的复杂影响。在连续相方面，气流速度与温度场的分析表明，更高入口风速扩大了高流速与低温区域；焊工身体及焊接热源产生的热浮力在操作者附近形成热羽流，诱导局部湍流与再循环，显著改变气流组织，因此必须同时考虑人体遮挡和热羽流效应才能准确预测颗粒输运。在离散相方面，颗粒时空分布显示，弱通风与远距离LEV布置会形成低速度滞留区，延长颗粒悬浮时间；锥形天花板有助于向上排气，平顶则易造成水平滞留。通风速率效应实验显示，1 cm/s入口风速在120 s后仍有46%颗粒悬浮，而5 cm/s和10 cm/s分别将悬浮比例降至3.3%和不足1%；与1或5 cm/s相比，10 cm/s条件下呼吸带沉积减少36%，但过高风速可能干扰保护气体，因此5 cm/s作为平衡基线。LEV存在与位置效应表明，无LEV时约56%颗粒在20 s后悬浮；LEV位于焊接区正上方（Location 2）时可将20 s悬浮比例降至16%，120 s后低于5%，呼吸带沉积降至基线水平的四分之一，空气浓度较未配置LEV降低2~3倍。焊工姿势效应显示，站立时呼吸带沉积为6.2%（20 s），而坐姿降至1.7%，但坐姿会滞留更多颗粒（120 s时5%悬浮），延长暴露时间。LEV排风速率效应显示，高风速（400 cm/s）LEV在焊接结束后5 s内将悬浮颗粒从60%降至20%，呼吸带沉积峰值仅为1.6%，而符合OSHA标准（50-100 cm/s）的LEV将沉积峰值降至4.7%以下。LEV罩口到工作台距离效应显示，32 cm间距时悬浮颗粒在20 s时仅10%，120 s时2%，呼吸带沉积低于1%；42 cm和62 cm间距性能递减，表明罩口越近，捕集效率越高，超过一个风管直径后捕集效率显著下降。焊接持续时间效应显示，20 s焊接相比10 s焊接在20 s时刻悬浮颗粒差异达47%，且呼吸带暴露峰值由6.2%翻倍至12.5%，表明更长焊接时间显著提高累积暴露。长时间焊接过程（600 s）模拟显示，颗粒命运可分为初始快速变化阶段（0-60 s）、生成与去除近平衡阶段（60-600 s）和焊后清除阶段（600-660 s），焊工累积暴露在120 s后趋于平稳（约5.2%），但总吸入剂量持续累积。
讨论部分强调，焊工身体热羽流、电弧热梯度与通风气流的耦合显著改变局部流场；人体产生的上升热羽流是室内空气运动的关键贡献者，尤其是在无斜面天花板或坐姿条件下会增强颗粒积聚。LEV的捕集效果高度依赖与烟尘羽流的对位，错位或远距离布置会显著降低效率。焊工姿势对暴露的影响表明，站立时面对直接吸入烟尘，而坐姿则导致呼吸带附近颗粒悬浮时间延长。天花板几何形状方面，金字塔形屋顶促进羽流上升并加速排出，平顶则导致污染物水平扩散和滞留。颗粒密度对短期行为影响有限，30 s后湍流混合和通风主导输运。焊接持续时间方面，延长焊接会增加颗粒产生和暴露窗口，但合理的通风系统可有效控制。最后，研究结论指出，一般通风不能替代源头控制；LEV需与热羽流对齐并优化流量；姿势和天花板形状均影响暴露；颗粒密度和焊接时长有次要但显著作用；基于CFD的模拟为焊接隔间设计提供了优化工具，应作为设计过程的一部分。通过集成系统方法，可实现可持续的焊接烟尘控制。未来研究应纳入动态焊接操作、操作者运动、变化热通量及多源排放，并与实时监测和示踪气体实验验证相结合。
