李雨成 高軍軍 趙 勉 林 超 扎史尼瑪

(*遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院 阜新 123000)(**礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 阜新 123000)

基于CFD的新型風(fēng)幕控塵裝置的模擬研究及其應(yīng)用①

李雨成②***高軍軍③***趙 勉***林 超***扎史尼瑪***

(*遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院 阜新 123000)(**礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 阜新 123000)

針對傳統(tǒng)風(fēng)幕控塵裝置設(shè)備多、空間小、掘進(jìn)機(jī)移動(dòng)不便等諸多不足之處，對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。為確保新型風(fēng)幕控塵裝置的實(shí)際應(yīng)用效果，指導(dǎo)現(xiàn)場防塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確定抽出式風(fēng)機(jī)風(fēng)筒安設(shè)位置，依據(jù)山西某礦掘進(jìn)巷道工作面1：1建立了物理幾何模型，并利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)進(jìn)行模擬。根據(jù)湍流模型特性及流體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，選取拉格朗日法離散相模型對掘進(jìn)巷道粉塵濃度分布進(jìn)行了模擬分析并進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)踐。結(jié)果顯示，所選物理幾何模型參數(shù)設(shè)置合理，擬合精度達(dá)到預(yù)測要求；加裝新型風(fēng)幕控塵裝置前后，粉塵濃度下降對比明顯；距底板2.1 m處安設(shè)抽出式風(fēng)機(jī)風(fēng)筒時(shí)，系統(tǒng)降塵效果顯著。

數(shù)值模擬， 風(fēng)幕控塵， 模型， 掘進(jìn)巷道， 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)

0 引 言

隨著高產(chǎn)高效礦井的大量建成，礦井掘進(jìn)機(jī)械化程度不斷增強(qiáng)，綜掘面粉塵濃度也越來越高。綜掘巷道因未形成有效通風(fēng)系統(tǒng)，導(dǎo)致大量切割粉塵隨風(fēng)流攜帶飄移或折返，使粉塵濃度超標(biāo)、工作環(huán)境惡化[1-3]，嚴(yán)重危害工人人身健康[4]。大量粉塵還會(huì)加速機(jī)器和設(shè)備磨損、使空間能見度降低，影響工作面的正常生產(chǎn)。

用于綜掘面粉塵防治的風(fēng)幕控塵技術(shù)雖是近幾年剛剛興起[5]，但經(jīng)實(shí)踐證明，掘進(jìn)面風(fēng)幕控塵技術(shù)具有控降塵效果明顯、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)學(xué)者對此方面的研究主要有：張小康等[6]針對全巖巷掘進(jìn)粉塵濃度高的難題，將掘進(jìn)機(jī)外噴霧、空氣幕封閉除塵和化學(xué)除塵技術(shù)相結(jié)合，形成了一套適用于全巖巷高效除塵技術(shù)；王海橋等人[7]開展了綜采工作面風(fēng)幕粉塵隔離技術(shù)的研究，對采取氣幕阻隔綜采面可吸入性粉塵的方法和原理進(jìn)行了理論分析和現(xiàn)場實(shí)踐，提出對煤塵進(jìn)行隔離分區(qū)，并推出了控制區(qū)和污染區(qū)煤塵濃度比的計(jì)算方程式；郭勝均等人[8]對空氣幕控塵的理論進(jìn)行了相關(guān)研究，給出了滿足現(xiàn)場實(shí)際需求的氣幕發(fā)生器的最合理的孔口直徑、氣幕風(fēng)流方向和噴孔間距；李雨成[9]開展了基于風(fēng)幕技術(shù)的綜掘面粉塵防治技術(shù)研究，對綜掘面粉塵的產(chǎn)塵機(jī)理和風(fēng)幕集塵原理進(jìn)行分析和探討，通過實(shí)驗(yàn)室及地面工業(yè)試驗(yàn)對風(fēng)幕的形成條件和風(fēng)速衰減規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了最佳條縫寬度范圍和合理的初始風(fēng)速范圍；賈進(jìn)彪[10]針對綜掘面除塵提出利用高壓氣幕實(shí)現(xiàn)阻隔掘進(jìn)面產(chǎn)生的粉塵向司機(jī)處擴(kuò)散；聶文等[11]通過研究旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕擾動(dòng)風(fēng)-塵流場變化，得到距綜掘面15 m范圍內(nèi)的風(fēng)流場，由紊亂轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰蜻M(jìn)機(jī)司機(jī)前方形成的均勻壓向掘進(jìn)工作面的風(fēng)幕；蔣仲安等人[12]為解決綜采面粉塵質(zhì)量濃度較高的問題，對有附壁風(fēng)筒的綜掘工作面空氣幕控塵特點(diǎn)進(jìn)行了分析并建立了粉塵顆粒-氣體兩相流的數(shù)學(xué)模型。

國內(nèi)外針對風(fēng)幕控塵展開的研究相對較少，對綜掘面風(fēng)幕控塵機(jī)理的研究尚存在不足。原設(shè)計(jì)的風(fēng)幕控降塵系統(tǒng)需要用壓入式風(fēng)機(jī)將空氣壓入風(fēng)幕壓風(fēng)風(fēng)筒，風(fēng)流通過壓風(fēng)風(fēng)筒才能送入到風(fēng)幕射流裝置，這樣在掘進(jìn)空間就多了一趟風(fēng)筒及一臺(tái)壓入式風(fēng)機(jī)，設(shè)備多、空間小、掘進(jìn)機(jī)移動(dòng)不便，技術(shù)需要改進(jìn)。本文針對原有風(fēng)幕控降塵裝置帶來的附加不利條件，在結(jié)合風(fēng)幕控塵設(shè)計(jì)原則[13，14]、綜掘面粉塵分布規(guī)律[15-17]和不影響掘進(jìn)機(jī)空間移動(dòng)與司機(jī)操作等[18，19]前提條件下，設(shè)計(jì)出一種新型風(fēng)幕控塵裝置，并以山西某礦掘進(jìn)巷道為原型，以現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬為手段，將巷道風(fēng)流簡化為氣固兩相流[20]，對新型風(fēng)幕控塵裝置的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析，并針對研究對象確定了抽出式風(fēng)機(jī)風(fēng)筒的具體配置參數(shù)，為風(fēng)幕技術(shù)在綜掘工作面的廣泛應(yīng)用提供了理論依據(jù)。本研究對提高綜掘面的粉塵治理效果、改善作業(yè)面生產(chǎn)條件、抑制煤塵危害具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

山西某礦新增輔助運(yùn)輸巷，掘進(jìn)期間作為運(yùn)輸巷道和進(jìn)風(fēng)巷道，服務(wù)年限約為5年，設(shè)計(jì)單巷長度為885.09m，開挖斷面為5.4m×4.0m，共21.6m2，凈斷面為5.2m×3.8m，共19.76m2，采用樹脂加長錨固錨桿組合支護(hù)系統(tǒng)，并進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)。巷道掘進(jìn)采用S200MJ掘進(jìn)機(jī)割煤掘進(jìn)，沿煤層底板掘進(jìn)，機(jī)掘全斷面，一次成巷，掘進(jìn)巷道通風(fēng)采用壓入式通風(fēng)，總供風(fēng)量為1200m3/min。粉塵由掘進(jìn)工作面向整個(gè)巷道空間擴(kuò)散，沿程上，在距掘進(jìn)工作面50m范圍內(nèi)大顆粒粉塵快速沉降，粉塵濃度迅速下降；50m后，巷道空間大部分是小顆粒粉塵，且隨沿程增加，濃度下降緩慢；在巷道空間呼吸高度，呼吸性粉塵占總粉塵濃度的82%～89%，隨沿程增加，呼吸性粉塵比例上下波動(dòng)不大，基本不變。

依據(jù)山西某礦新增輔助運(yùn)輸掘進(jìn)巷道實(shí)際情況建立物理模型，由于掘進(jìn)工作面附近是作業(yè)強(qiáng)度密集區(qū)和巷道空間掘進(jìn)產(chǎn)塵主要分布區(qū)，且本文主要考慮新型風(fēng)幕控塵裝置的效果，因此選取距掘進(jìn)工作面30m距離范圍進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)模擬分析即可滿足需要。掘進(jìn)巷道為矩形；連續(xù)相為巷道空間內(nèi)空氣(干溫度=濕溫度=14℃，壓力=102.954kPa，密度為1.242kg/m3，溫度為287K，粘性系數(shù)為1.759×10-5kg/(m·s))；離散相為掘進(jìn)過程產(chǎn)塵顆粒(密度為1200kg/m3，質(zhì)量流量為0.0004kg/s，實(shí)測巷道內(nèi)風(fēng)速為1.15m/s)，風(fēng)流從壓風(fēng)筒和風(fēng)幕射流裝置進(jìn)入，從抽風(fēng)筒和巷道后側(cè)流出；壓入式風(fēng)筒風(fēng)量為1075m3/min，風(fēng)速為35.67m/s，風(fēng)幕出射口風(fēng)速為12.04m/s。風(fēng)筒及風(fēng)幕射流出口風(fēng)速、雷諾數(shù)、水力直徑和湍流強(qiáng)度見表1。

表1 風(fēng)筒及風(fēng)幕射流出口風(fēng)速、雷諾數(shù)Re、水力直徑和湍流強(qiáng)度

2 新型風(fēng)幕控塵系統(tǒng)

針對工程實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了新型風(fēng)幕控塵裝置如圖1(a)，與原系統(tǒng)(圖1(b))相比，新型風(fēng)幕控塵系統(tǒng)去除風(fēng)幕壓風(fēng)風(fēng)機(jī)，改用柔性風(fēng)筒替換原系統(tǒng)中的風(fēng)幕壓風(fēng)風(fēng)筒，并將巷道附壁風(fēng)筒和射流箱相連，利用壓風(fēng)分流原理和直接利用局部通風(fēng)機(jī)提供的動(dòng)力使風(fēng)幕控塵系統(tǒng)形成有效風(fēng)幕。

為檢驗(yàn)新型風(fēng)幕控塵系統(tǒng)的可行性，根據(jù)李雨成博士論文所述形成風(fēng)幕條件的風(fēng)量及風(fēng)速(控塵需要)要求，通過現(xiàn)場考察掘進(jìn)巷道中的供風(fēng)管路，依據(jù)氣體狀態(tài)方程式Pv/T=C來檢驗(yàn)柔性風(fēng)筒末端風(fēng)壓是否符合射流要求，式中P為壓力；v為風(fēng)速；T為熱力學(xué)溫度；C為常數(shù)，默認(rèn)不變。掘進(jìn)巷道壓入式風(fēng)筒吸風(fēng)口壓力為108mmH2O，結(jié)合表1數(shù)據(jù)，壓入式風(fēng)筒風(fēng)速為35.67m/s；理論風(fēng)幕最低控塵風(fēng)速為5.48m/s，通過計(jì)算可知風(fēng)幕出口壓力最高為788.3mmH2O，而經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際測試，柔性風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)壓為358.8mmH2O，低于最高壓力，因此供風(fēng)管路可滿足風(fēng)幕供風(fēng)要求，由此可移除通向風(fēng)幕裝置的壓入式風(fēng)機(jī)等相關(guān)設(shè)備，新型風(fēng)幕控塵裝置可有效減少原風(fēng)幕系統(tǒng)帶來的諸多不利因素。

圖1 風(fēng)幕控塵裝置示意圖

3 數(shù)值模擬

模擬采用有限元分析軟件ANSYS Fluent 14.0進(jìn)行數(shù)值模擬，軟件操作界面如圖2所示。

3.1 建立物理模型

依據(jù)現(xiàn)場綜掘工作面實(shí)際情況并對模型進(jìn)行合理簡化，通過CFD前置軟件Gambit建立巷道幾何模型并劃分網(wǎng)格。

3.2 設(shè)定邊界條件

(1)邊界條件設(shè)定

將模型在Gambit中進(jìn)行初步設(shè)置，并將生成網(wǎng)格文件導(dǎo)入到FLUENT 14.0中，對所設(shè)置模型進(jìn)一步設(shè)置，已滿足現(xiàn)場實(shí)際條件。設(shè)置參數(shù)見表2。

圖2 軟件操作界面

總項(xiàng)分項(xiàng)參數(shù)跟蹤參數(shù)MaxNumberofSteps7200離散相X-Velocity(m/s)0Y-Velocity(m/s)0Z-Velocity(m/s)1.15DiameterDistributionRosin-RammlerMin.Diameter(m)5e-07Max.Diameter(m)21e-06MeanDiameter(m)1.5e-06TotalFlowRate(kg/s)0.0004Density(kg/m3)1200連續(xù)相Density(kg/m3)1.242Viscosity(Pa·s)1.759e-05ReferenceTemperature(K)287條縫射流出口邊界條件VelocityMagnitude(m/s)8.79TurbulentIntensity(%)7.94HydraulicDiameter(m)0.043

(續(xù)表2)

3.3 模擬精度及結(jié)果分析

3.3.1 模擬精度及分析

為檢驗(yàn)所設(shè)模型參數(shù)是否能達(dá)到模擬精度，準(zhǔn)備工作如下：

(1)選取距掘進(jìn)工作面120 m巷道長度，依據(jù)《工作場所空氣中粉塵測定》方法對巷道空間粉塵濃度進(jìn)行測試；

(2)在CFD模型中對巷道模型進(jìn)行氣固兩相流基本參數(shù)設(shè)置，并進(jìn)行迭代(經(jīng)過200步左右計(jì)算，達(dá)到給定的收斂標(biāo)準(zhǔn))；

(3)模擬濃度與實(shí)測濃度進(jìn)行對比分析。

圖3為呼吸帶高度處(距地面1.5 m)實(shí)測總粉塵濃度與模擬值對照圖，結(jié)果顯示實(shí)際測量粉塵濃度與模擬值大體相同，趨勢一致，但存在偏差，主要是由于測試時(shí)間與掘進(jìn)機(jī)工作的相對時(shí)間不確定，且數(shù)值模擬適當(dāng)簡化了現(xiàn)場實(shí)際條件，但可以看出模擬值與實(shí)驗(yàn)值基本一致，應(yīng)用給定參數(shù)對掘進(jìn)巷道粉塵濃度進(jìn)行模擬研究精度可靠。

圖3 粉塵濃度數(shù)值模擬精度對比

3.3.2 掘進(jìn)巷道粉塵濃度模擬分析

本文依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，以期達(dá)到良好降塵效果對比，分別對掘進(jìn)巷道是否添加新型風(fēng)幕控塵裝置條件下的巷道粉塵濃度分布進(jìn)行模擬分析，z為距掘進(jìn)面距離，y為巷道垂線方向，z與x、y均垂直。

(1)未加風(fēng)幕控塵設(shè)備

在未加風(fēng)幕控塵裝置情況下，依據(jù)上文所建立的幾何模型及所設(shè)邊界條件，模擬得到粉塵顆粒跡線圖(如圖4)和z為5m、10m、15m、20m、25m、30m，y為1.5m，x為2.6m(掘進(jìn)巷道中間位置)處濃度分布的切片云圖(如圖5)。

由圖4和圖5可以看出由于壓入式風(fēng)筒的作用，新鮮風(fēng)流將風(fēng)筒前部的粉塵吹散、稀釋，故在風(fēng)筒側(cè)粉塵濃度較低，而另一側(cè)粉塵會(huì)在掘進(jìn)機(jī)前方形成小渦旋，不利于通風(fēng)排塵；同時(shí)在壓入式風(fēng)筒出風(fēng)口和工作面之間出現(xiàn)大渦旋，氣流運(yùn)動(dòng)劇烈，采掘后粉塵聚集于此并劇烈運(yùn)動(dòng)；掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處高濃度粉塵運(yùn)動(dòng)混亂，嚴(yán)重危害掘進(jìn)工人身體健康。由于巷道壁與掘進(jìn)機(jī)之間形成了窄縫，大量粉塵顆粒通過這個(gè)窄縫向整個(gè)巷道空間擴(kuò)散，模擬顯示，風(fēng)流經(jīng)過此時(shí)，窄縫處壓力會(huì)由102.954kPa下降至7.5kPa，風(fēng)速達(dá)到13.89m/s。風(fēng)速變大，壓強(qiáng)降低，形成低壓區(qū)，隨后會(huì)有更多粉塵顆粒被壓入此處。當(dāng)粉塵顆粒通過低壓區(qū)后會(huì)由巷道中部分別向上和向下逐漸運(yùn)移。

圖4 無風(fēng)幕裝置時(shí)粉塵的跡線圖

(2)添加新型風(fēng)幕控塵裝置

在加裝新型風(fēng)幕控塵裝置情況下，所設(shè)邊界條件與未加風(fēng)幕裝置時(shí)相同，根據(jù)現(xiàn)場掘進(jìn)設(shè)備實(shí)際布置條件及環(huán)境限制，只可將抽出式風(fēng)機(jī)風(fēng)筒出口中心位置分別設(shè)置在距底板2.1m和3.0m處，模擬得到粉塵顆粒跡線圖(圖6)和z=5m、10m、15m、20m、25m、30m，y=1.5m處粉塵濃度分布的切片云圖(圖7)。

圖5 無風(fēng)幕裝置時(shí)的粉塵濃度云圖

圖6 加裝新型風(fēng)幕控塵裝置時(shí)的粉塵跡線圖

(a) 抽出式風(fēng)機(jī)風(fēng)筒出口中心位置距底板2.1m，z=5m、10m、15m、20m、25m、30m，y=1.5m

(b) 抽出式風(fēng)機(jī)風(fēng)筒出口中心位置距底板2.1m，z=5m、10m、15m、20m、25m、30m，x=2.6m

(c) 抽出式風(fēng)機(jī)風(fēng)筒出口中心位置距底板3m，z=5m、10m、15m、20m、25m、30m，y=1.5m

(d) 抽出式風(fēng)機(jī)風(fēng)筒出口中心位置距底板3m，z=5m、10m、15m、20m、25m、30m，x=2.6m

由圖6和圖7可以看出在距底板2.1m和3m處，由于抽出式風(fēng)筒的抽吸作用，工作面前部粉塵濃度有明顯降低，抽出式風(fēng)筒一側(cè)形成的渦旋變小，抑制粉塵擴(kuò)散能力降低，大量粉塵向抽出式風(fēng)筒移動(dòng)，風(fēng)筒帶走大量粉塵顆粒，便于粉塵有效排除。根據(jù)粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，大部分粉塵通過抽出式風(fēng)筒隨風(fēng)流向巷道外部運(yùn)動(dòng)，小部分粉塵經(jīng)風(fēng)幕射流后折返回到掘進(jìn)巷道空間，距巷道底板2.1m時(shí)，突破風(fēng)幕射流網(wǎng)流量達(dá)到62.4mg/m3，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)前方粉塵濃度達(dá)到1.04mg/m3；距巷道底板3.0m時(shí)，突破風(fēng)幕射流網(wǎng)流量達(dá)到137.5mg/m3，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)前方粉塵濃度達(dá)到2.3mg/m3，此時(shí)粉塵濃度仍超出標(biāo)準(zhǔn)值，故應(yīng)采取噴霧降塵等措施配合降低巷道粉塵濃度。由圖7可以看出，在y=1.5m高度掘進(jìn)機(jī)處，圖7(a)中粉塵主要沿抽出式風(fēng)筒運(yùn)動(dòng)，圖7(c)中粉塵運(yùn)動(dòng)劇烈，向巷道空間逸散量加大，圖7(a)中掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處粉塵濃度要明顯低于y=3.0m處；在x=2.6m處，圖7(b)中粉塵主要集中于距掘進(jìn)面20m～30m范圍內(nèi)，而圖7(d)中粉塵主要分布于距掘進(jìn)面5m外的巷道空間中，粉塵分布范圍廣、濃度大。綜合圖7(a)、(b)、(c)、(d)說明新型風(fēng)幕控塵裝置在距底板2.1m處控塵效果要優(yōu)于距底板3.0m處。

控制柔性風(fēng)筒上的壓力表，柔性風(fēng)筒內(nèi)壓力為350Pa，當(dāng)風(fēng)幕控塵與粉塵擴(kuò)散達(dá)到平衡時(shí)，風(fēng)筒及風(fēng)幕射流出口風(fēng)速、雷諾數(shù)、水力直徑和湍流強(qiáng)度見表3。

表3 系統(tǒng)平衡時(shí)風(fēng)筒及風(fēng)幕射流出口風(fēng)速、雷諾數(shù)Re、水力直徑和湍流強(qiáng)度

為進(jìn)一步分析新型風(fēng)幕控塵裝置的位置有效性，對抽出式風(fēng)機(jī)風(fēng)筒距底板2.1m和3m時(shí)的巷道空間粉塵濃度進(jìn)行測試對比，如圖8所示。通過圖8可以看出當(dāng)抽出式風(fēng)機(jī)風(fēng)筒距底板2.1m時(shí)，巷道沿程各點(diǎn)粉塵濃度普遍要低于距底板3.0m時(shí)，利于工人身體健康；在距掘進(jìn)面8m處出現(xiàn)反差，是由于工人作業(yè)，激起小范圍渦旋，造成2次揚(yáng)塵所致。在掘進(jìn)機(jī)前方距掘進(jìn)面4.5m范圍內(nèi)，抽出式風(fēng)機(jī)風(fēng)筒距底板2.1m和3.0m時(shí)兩種情況對比明顯，距底板2.1m時(shí)，巷道粉塵濃度明顯低于3.0m時(shí)的濃度，利于掘進(jìn)作業(yè)及人員安全。因此優(yōu)選抽出式風(fēng)機(jī)風(fēng)筒距底板2.1m時(shí)的風(fēng)幕控塵裝置方案。

圖8 粉塵濃度相對數(shù)量級對比

4 結(jié) 論

(1)通過對比分析模擬粉塵濃度與現(xiàn)場實(shí)測粉塵濃度可知，兩者粉塵濃度運(yùn)移規(guī)律基本一致，模擬精度符合要求，證實(shí)所設(shè)模型參數(shù)與數(shù)值模擬研究方法的可靠性。

(2)新型風(fēng)幕控塵裝置能形成有效射流，射流出口風(fēng)速能達(dá)到有效控降塵風(fēng)速，風(fēng)量合理。通過對比分析加裝新型風(fēng)幕控塵裝置前后巷道的粉塵濃度分布可知，距掘進(jìn)工作面30m范圍內(nèi)，采取新型風(fēng)幕控塵裝置時(shí)，巷道降塵效果明顯，建議礦方及時(shí)加裝新型風(fēng)幕控塵裝置，改善巷道工作條件，保證良好掘進(jìn)工作環(huán)境及礦工的身體健康。

(3)新型風(fēng)幕控塵裝置較原系統(tǒng)具有所用設(shè)備少、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，可解決原風(fēng)幕控塵裝置占用空間大、掘進(jìn)機(jī)移動(dòng)不便等為題，同時(shí)降塵效果明顯，能較大促進(jìn)掘進(jìn)作業(yè)效率。

(4)模擬對比分析抽出式風(fēng)機(jī)風(fēng)筒安設(shè)位置，距底板2.1m時(shí)巷道空間粉塵濃度要比3.0m時(shí)相對數(shù)量級低，說明此時(shí)巷道空間粉塵濃度相對3.0m時(shí)粉塵濃度要低，同時(shí)為礦方應(yīng)用新型風(fēng)幕控塵裝置提出了抽出式風(fēng)機(jī)風(fēng)筒的合理安裝位置。

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CFD based simulation research on a new wind curtain dust control device and its application

Li Yucheng***, Gao Junjun***, Zhao Mian***, Lin Chao***, Zhashi Nima***

(*College of Safety Science and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000)(**Key Laboratory of Mine Thermal Hazard and Control of Education Ministry, Fuxin 123000)

The design of a traditional wind curtain dust control device was optimized to overcome its short comings of more equipment, little space, inconvenience in tunnel boring machine’s move, etc. In order to ensure the wind curtain dust control device’s dust removal effect in practical application， guide the dust control system’s design on the spot， and determine the draw-out fan’s setting position， a physical and geometrical model was set up according to the roadway head of a Shanxi mine with the proportion of 1:1, and the simulation was conducted by using the computational fluid dynamics (CFD). According to the characteristics of the turbulence model and fluid motion， a Lagrange Discrete Phase Model was selected to simulate and analyze the driving airway dust concentration， and the site practice was conducted. The simulation results showed that the parameters of the physical and geometrical model were selected reasonably, and the fitting precision met the prediction requirement; and the dust concentration decreased obviously after the installation of the new wind curtain dust control device， with the obvious dust-reducing effect if the extraction fans duct was installed at 2.1m from the botton.

numerical simulation, wind curtain dust control, model, driving airway, computational fluid dynamics (CFD)

10.3772/j.issn.1002-0470.2016.12.008

①國家自然科學(xué)基金(51204089)，遼寧省教育廳科研項(xiàng)目(L2014131)和遼寧省自然科學(xué)基金(201602355)資助項(xiàng)目。

2016-09-06)

②男，1978年生，博士，副教授；研究方向：礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化及粉塵防治；E-mail: lyclntu@163.com

③通訊作者，E-mail: g0903030103@163.com