黃 旭，趙 勉

(1.隴東學(xué)院能源工程學(xué)院，甘肅慶陽745099；2.中煤能源山東有限公司，山東日照276826)

基于平面紊動射流的風(fēng)幕控塵裝置研究

黃 旭1，趙 勉2

(1.隴東學(xué)院能源工程學(xué)院，甘肅慶陽745099；2.中煤能源山東有限公司，山東日照276826)

礦井綜掘工作面因其作業(yè)空間狹小，作業(yè)強度大，而使粉塵難以擴散、沉降，濃度遠(yuǎn)超國家規(guī)定，嚴(yán)重影響礦井安全和作業(yè)人員的身心健康。風(fēng)幕控塵技術(shù)與傳統(tǒng)的掘進(jìn)面除塵技術(shù)相比有著諸多優(yōu)勢。依據(jù)平面自由紊動射流理論，對研制出的一種新型風(fēng)幕控塵裝置進(jìn)行礦井適應(yīng)性改進(jìn)，應(yīng)用CFD技術(shù)模擬巷道在加設(shè)該裝置前后的粉塵濃度變化，證明了這種改進(jìn)型風(fēng)幕控塵裝置的實用性。

紊動射流；CFD技術(shù)；風(fēng)幕控塵；控塵

1 風(fēng)幕控塵原理及裝置結(jié)構(gòu)

綜掘面的風(fēng)幕裝置是將風(fēng)幕射流裝置安設(shè)工作面與掘進(jìn)司機之間的掘進(jìn)機上，利用動力裝置將空氣壓入，通過出射條縫形成一道風(fēng)幕墻，相當(dāng)于在綜掘司機前方加設(shè)一個附加阻力層[1]。風(fēng)幕控塵裝置需要設(shè)置壓入和抽出兩個模塊，在壓入式風(fēng)筒提供新鮮風(fēng)流的同時，抽出式風(fēng)筒將工作面附近高濃度的粉塵抽出，并使污染區(qū)內(nèi)形成負(fù)壓，在風(fēng)幕裝置出口處形成一個曲面風(fēng)幕[2]，更好地抑制粉塵的外散。對粒徑小于5μm的呼吸性粉塵[3]，其效果更佳。

遼寧工程技術(shù)大學(xué)李雨成、楊靖等人[2,3,4]根據(jù)相應(yīng)原則，對風(fēng)幕控塵裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計。

在對風(fēng)幕控塵射流裝置的研究過程中，射流條縫的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寬度，噴射流能夠發(fā)展充分，流體所受壓力不足以壓縮流體，所以風(fēng)幕控塵條縫射流應(yīng)為平面自由紊動不可壓射流(以下簡稱平面自由紊動射流)。

2 平面自由紊動射流風(fēng)速衰減規(guī)律

射流的整體結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的。射流主要可以分為初始段、過渡段及主體段三部分，但過渡段較短，可忽略不計。

表1 半擴展厚度系數(shù)與軸向最大時均速度衰變系數(shù)統(tǒng)計表

注：此處k1為be時半擴展厚度系數(shù)

表2 風(fēng)幕射流裝置上側(cè)和右側(cè)k2的擬合值

對軸向最大時均速度衰變系數(shù)k2取均值，上側(cè)擬合均值為4.25，右側(cè)擬合均值為3.63。

右側(cè)擬合的軸向最大時均速度衰變系數(shù)k2在理論值的范圍內(nèi)，上側(cè)擬合的軸向最大時均速度衰變系數(shù)k2考慮誤差影響及測量位置與射流軸向最大速度處有偏差，故k2略大是允許的。應(yīng)用擬合k2進(jìn)行實際巷道中的射流裝置風(fēng)量衰減情況的預(yù)測是完全可行的。

圖1 風(fēng)幕射流上側(cè)擬合圖

圖2 風(fēng)幕射流右側(cè)擬合圖

3 山西某礦新增輔助運輸巷風(fēng)幕控塵裝置設(shè)計及布局

根據(jù)山西某礦掘進(jìn)工作面中所使用的S200MJ掘進(jìn)機的外形及布置位置參數(shù)：長14.3m、寬3.6m、高1.8m、搖臂直徑1030mm、搖臂長度5m、操作臺(掘進(jìn)司機位置)距煤壁距離14.3m、掘進(jìn)機左側(cè)至巷道左壁距離0.7m、機體前側(cè)至掘進(jìn)面距離5m[3]。對原有設(shè)備尺寸進(jìn)行改進(jìn)，主要設(shè)計參數(shù)如表3所示。

表3 風(fēng)幕控塵裝置主要參數(shù)指標(biāo)

此巷道為矩形，寬5.2m，巷道高3.8m，風(fēng)筒出口軸心至底板距離3m，巷道布置符合相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)。為了得到更好的除塵效果，就要對現(xiàn)有工作面加裝風(fēng)幕控塵裝置，并對輔助運輸巷做如下改造：

(1)該裝置安設(shè)在掘進(jìn)機司機前方。把射流箱安設(shè)在離工作面7m的掘進(jìn)機上；

(2)風(fēng)幕壓風(fēng)風(fēng)機應(yīng)放置在特制的拖車上，根據(jù)工作面的推進(jìn)而隨掘進(jìn)機前移；

(3)安設(shè)抽出式風(fēng)筒。在原巷道加設(shè)帶有除塵裝置的抽出式風(fēng)筒，抽風(fēng)量要大于壓風(fēng)量。距工作面3～4m范圍內(nèi)是高濃度粉塵最集中的地方，所以把抽出式通風(fēng)的風(fēng)筒吸風(fēng)口的位置定在離工作面4m的位置為宜。根據(jù)礦中現(xiàn)有材料，風(fēng)筒直徑選擇600mm，軸心離底板位置2.1m或3.0m(下文確定最佳位置)，緊貼右側(cè)巷道壁。

射流末端的風(fēng)流風(fēng)速大小足以控制住粉塵即可。在進(jìn)行最低控塵風(fēng)速計算時，考慮到風(fēng)速富余問題，半擴展厚度(比例)系數(shù)k1應(yīng)選取較小值，根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究，取Abramovich給定的實驗結(jié)果k1=0.21進(jìn)行末端最小控塵風(fēng)速的計算。

對最小控塵風(fēng)速的計算時，采用極端物理模型假設(shè)的方法：

設(shè)定出射的風(fēng)流形成了一個垂直向上規(guī)整的平面矩形風(fēng)幕，粉塵顆粒的運動速度v顆粒入射為巷道的實測風(fēng)速1.15m/s，并在底部水平入射進(jìn)入風(fēng)幕區(qū)域，粉塵顆粒的出射速度v顆粒出射的縱向分量剛好達(dá)到風(fēng)幕內(nèi)風(fēng)流v射流的速度。

通過數(shù)學(xué)計算，風(fēng)幕控塵裝置的最低控塵風(fēng)速為5.48m/s，當(dāng)風(fēng)幕的射流到達(dá)巷道壁時的末速度為5.48m/s時，粉塵顆粒不能逃逸出風(fēng)幕區(qū)域。依據(jù)射流軸向最大時均速度衰變公式和軸向最大時均速度衰變系數(shù)k2的擬合值，得到上側(cè)和兩側(cè)的最大時均速度衰變公式，并通過風(fēng)量公式計算總需風(fēng)量Q總=Q上+Q左+Q右=149.4m3/min。

實測壓入式風(fēng)機的出口風(fēng)量為1224.4m3/min。壓入式風(fēng)機風(fēng)量一部分用于工作面通風(fēng)，另一部分需要供給風(fēng)幕控塵裝置，所以壓入式風(fēng)機實際用于工作面通風(fēng)的風(fēng)量為1075m3/min。為了使出射風(fēng)流偏向工作面一側(cè)，理論抽出式風(fēng)筒風(fēng)量要大于1075m3/min。

4 風(fēng)幕控塵裝置數(shù)值模擬研究

4.1 數(shù)學(xué)模型的建立

本文在FLUENT模擬中采用拉格朗日法所對相應(yīng)的Discrete Phase Model模型。在連續(xù)相中，做溫度與壓強對流場影響不大；不考慮張力作用；不存在熱交換的假設(shè)(條件)。

對離散相做如下假設(shè)：把粉塵顆粒為密度均勻的球體，只考慮與巷道壁的作用及顆粒的重力。掘進(jìn)面看成一個面塵源，根據(jù)對粉塵分散度的測定，其粒度范圍在0.5～21μm之間，中位徑為1.5μm。

由于掘進(jìn)面的作業(yè)強度主要密集在工作面附近，且主要考慮風(fēng)幕控塵裝置的效果，所以巷道取30m范圍內(nèi)進(jìn)行研究。連續(xù)相為巷內(nèi)空氣，根據(jù)巷道內(nèi)實測數(shù)據(jù)(干溫度=濕溫度=14℃，壓力=102.954kPa)，計算出密度為1.242kg/m3，溫度為287K，粘性系數(shù)為1.759×10-5kg/(m·s)。粉塵顆粒密度為1200kg/m3，質(zhì)量流量為0.0004kg/s。實測巷道內(nèi)風(fēng)速為1.15m/s。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)幕射流出口雷諾數(shù)Re、水力直徑和湍流強度I見表4。

表4 風(fēng)筒及風(fēng)幕射流出口雷諾數(shù)Re、水力直徑和湍流強度I

通過Gambit軟件完成巷道幾何模型構(gòu)建，并劃分網(wǎng)格。

4.2 軟件重要條件的設(shè)定及說明

將壓入式風(fēng)筒出口和風(fēng)幕條縫出射口為velocity-inlet；抽出式風(fēng)筒前端風(fēng)流入口和巷道后部截斷面為outflow，并為“escape”；巷道四周壁，風(fēng)筒壁為wall，并為“reflect”，并使用RNGk-ε模型[6]。

4.3 CFD模擬與精度分析

取濃度測量范圍120m長的巷道，將氣固兩相流基本參數(shù)設(shè)置完畢后，利用FLUENT軟件開始進(jìn)行迭代，經(jīng)過200步左右的計算，達(dá)到給定的收斂標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 粉塵濃度數(shù)據(jù)模擬精度對比

將呼吸帶高度(距地面1.5m)實測總粉塵濃度與模擬值對比(如圖3所示)，由結(jié)果顯示實際測量濃度與模擬值之間存在偏差，這主要是由于測試與掘進(jìn)機工作的相對時間不確定，粉塵在巷道中做不規(guī)則的紊動運動，不排除模擬時所取點渦流較大，造成偏差，但趨勢與實際相符。該模擬簡化了現(xiàn)場實際條件，真實條件下會有很多影響粉塵濃度的因素，但模擬與實測具有一致性，這說明應(yīng)用給定的邊界條件進(jìn)行粉塵濃度的模擬研究是可行的。

圖4 粉塵濃度相對數(shù)量級對比

圖5 無風(fēng)幕裝置時粉塵的跡線圖與粉塵濃度云圖(a)無風(fēng)幕裝置時粉塵的跡線圖；(b)z=5m、z=10m、z=15m、z=20m、z=25m、z=30m、y=1.5m；(c)z=5m、z=10m、z=15m、z=20m、z=25m、z=30m、x=2.6m

4.4 模擬結(jié)果及分析

在未加風(fēng)幕控塵裝置兩種情況下，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5(a))和z=5m、z=10m、z=15m、z=20m、z=25m、z=30m、y=1.5m、x=2.6m處濃度分布的切片云圖(如圖5(b)、圖5(c))。

由圖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，所以在風(fēng)筒側(cè)粉塵濃度較低，而另一側(cè)粉塵會在掘進(jìn)機前方形成小渦旋，同時在壓入式風(fēng)筒出風(fēng)口與工作面之間會出現(xiàn)大渦旋，大部分粉塵顆粒會通過掘進(jìn)機與巷道壁的間隙向整個巷道擴散，這是由于巷道與掘進(jìn)機之間形成了窄縫，風(fēng)流經(jīng)過此時，風(fēng)速會變大，隨之引起壓強降低，形成低壓區(qū)，隨后會有更多的粉塵顆粒被壓入此處。當(dāng)粉塵顆粒通過這個段后會由巷道中部分別向上和向下逐漸運移。

在加裝風(fēng)幕控塵裝置兩種情況下，所設(shè)邊界條件與未加風(fēng)幕時完全相同，將抽出式風(fēng)機出口中心位置設(shè)置在距底板2.1m和3.0m處，得到粉塵顆粒跡線圖(如圖6)和z=5m、z=10m、z=15m、z=20m、z=25m、z=30m、y=1.5處濃度分布的切片云圖(如圖7)。

由圖6和圖7可以看出，由于抽出式風(fēng)筒的作用，工作面前部粉塵濃度有所降低，在抽出式風(fēng)筒一側(cè)形成的小渦旋變小，并向抽出式風(fēng)筒移動，說明抽出式風(fēng)機帶走了大量的粉塵顆粒。根據(jù)粉塵顆粒運動軌跡可以看出，一部分粉塵會經(jīng)風(fēng)幕射流后折返。加裝風(fēng)幕控塵裝置后，整個巷道粉塵濃度明顯降低，說明風(fēng)幕控塵裝置起到了應(yīng)有的作用，但仍難以避免一些高速粉塵顆粒穿過風(fēng)幕裝置向整個巷道擴散。

加裝風(fēng)幕控塵裝置后，對抽出式風(fēng)機出口中心位置距底板2.1m和3.0m時巷道中粉塵濃度相同數(shù)量級的對比(如圖4所示)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)抽出式風(fēng)機出口中心位置距底板2.1m時的效果要比3.0m時的控塵效果更好。

圖6 有風(fēng)幕裝置時粉塵跡線圖

(a)抽出式風(fēng)機風(fēng)筒出口中心位置距底板2.1m，z=5m、z=10m、z=15m、z=20m、z=25m、z=30m、y=1.5m；(b)抽出式風(fēng)機風(fēng)筒出口中心位置距底板2.1m，z=5m、z=10m、z=15m、z=20m、z=25m、z=30m、x=2.6m；(c)抽出式風(fēng)機風(fēng)筒出口中心位置距底板3m，z=5m、z=10m、z=15m、z=20m、z=25m、z=30m、y=1.5m；(d)抽出式風(fēng)機風(fēng)筒出口中心位置距底板3m，z=5m、z=10、z=15m、z=20m、z=25m、z=30m、x=2.6m圖7 有風(fēng)幕裝置時粉塵濃度云圖

[1]李帥君，熊守美，Mei Li，等.應(yīng)用兩相流模型模擬壓鑄充型過程的卷氣現(xiàn)象[J].金屬學(xué)報，2009，45(10)：1153-1158.

[2]楊靖，李雨成.風(fēng)幕集塵射流裝置研究[J].世界科技研究與發(fā)展，2013，35(5)：591-593.

[3]趙勉.綜掘面風(fēng)幕射流形成條件及數(shù)值模擬研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2015：2-5.

[4]楊靖.綜掘面風(fēng)幕控塵綜合實驗平臺設(shè)計研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2014：3-5.

[5]Kramer T. J. and Depew C.A.，Analysis of mena flow characteristics of gas-solid suspension[J].Tuns.ASME л basic Engng，1992(94)：731.

[6]趙國景，丁廣攘.采煤工作面含塵風(fēng)流流動的數(shù)值模擬[C].第六屆全國計算流體力學(xué)討論會，1993：126-127.

【責(zé)任編輯 趙建萍】

A Research on Air Curtain Dust Control Devices Based on Planar Turbulent Jet

HUANG Xu1，ZHAO Mian2

(1.SchoolofEnergyEngineering,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu; 2.ChinaCoalEnergyCo.,Ltd.Shandong,Rizhao276826,Shandong)

Because of its narrow working space,large amounts of work intensity,it is difficult to spread the dust concentration,sedimentation in mine fully mechanized workface,and the dust concentration is far exceeding the relevant state regulations,and seriously affects the safety of mine workers. Compared with the traditional driving surface dust removal technology,air curtain dust control technology has many advantages. In this paper,based on the free plane turbulent jet theory,a new type of air curtain dust control is developed which means mine adaptive improvement. Application of CFD simulation technology of roadway in Canada provided the dust concentration variation of the device before and after which shows the practicability of the improved air curtain dust control device.

turbulent jet;CFD technology;wind screen control dust;dust control

1674-1730(2017)03-0085-05

2016-05-24

2014年隴東學(xué)院青年基金項目《劉園子煤礦涌水量預(yù)測模型研究》(XYBY140201)

黃 旭(1986—)，男，遼寧阜新人，助教，碩士，主要從事采礦工程教學(xué)與研究。

TD714

A