秦亞璐，趙靜一，劉昊軒，郭 銳，劉旭亮，丁柏元

（1.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.河北省特種運載裝備重點實驗室，河北 秦皇島 066004；3.秦皇島燕大一華機(jī)電工程技術(shù)研究院有限公司，河北 秦皇島 066004；4.秦皇島長城環(huán)境設(shè)備有限公司，河北 秦皇島 066004）

目前，大型礦山以及發(fā)電廠等行業(yè)多用帶式輸送轉(zhuǎn)運系統(tǒng)運輸煤等物料，但在運輸過程中，因為物料與轉(zhuǎn)運站內(nèi)壁不斷撞擊產(chǎn)生大量粉塵，并隨著物料從上輸送帶下落到下輸送帶，這一過程中粉塵隨著產(chǎn)生的誘導(dǎo)風(fēng)進(jìn)入外界空氣中，對空氣造成了污染。因此針對粉塵排放濃度超標(biāo)問題，相關(guān)人員在1940年就開始對這類問題進(jìn)行了研究，到目前為止提出了許多關(guān)于利用自循環(huán)除塵技術(shù)解決某工況下粉塵排放超標(biāo)的問題。在早期，S.T.Huque等［1］對散裝固體的運輸問題做了許多研究，研究了轉(zhuǎn)運系統(tǒng)內(nèi)物料碰撞動力學(xué)、物料輸送速度、物料的運行軌跡等相關(guān)方面的計算和預(yù)測的模型以及設(shè)計方法。杜楊等［2在轉(zhuǎn)運站自循環(huán)除塵裝置上加裝了DSF負(fù)壓導(dǎo)料槽，試驗結(jié)果表明其除塵效果有了明顯的改善，粉塵排放濃度達(dá)到了國家要求的排放標(biāo)準(zhǔn)。Cleary等［3］應(yīng)用文丘里管進(jìn)行除塵研究，通過對管內(nèi)壓降、除塵效率等方面對文丘里管的除塵效果進(jìn)行了研究，建立物理模型并對粉塵收集狀況進(jìn)行了試驗研究，試驗結(jié)果表明文丘里管的除塵效果比較好。李勇等［4］對某實際工況下轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的曲線落煤管進(jìn)行了研究，建立系統(tǒng)的幾何模型，利用DEM數(shù)值模擬等方法分析曲線落煤管結(jié)構(gòu)參數(shù)、煤的運輸量等對其出口處煤流速度的影響，通過數(shù)據(jù)處理對該結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了尋優(yōu)運算。潘宏生［5］通過對正壓回流循環(huán)管、落煤管等結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，并且將轉(zhuǎn)運系統(tǒng)中的密閉式導(dǎo)料槽、橡膠阻尼簾等結(jié)構(gòu)的組合運用，最終形成了無動力抑塵除塵裝置，相比其他的除塵方法，此方法在節(jié)能以及除塵效果方面都有較大的優(yōu)勢。

相比其他除塵裝置，自循環(huán)除塵裝置無論是在除塵效果還是成本上均有明顯的優(yōu)勢。而現(xiàn)階段國內(nèi)外對自循環(huán)除塵技術(shù)的研究主要是在原有的技術(shù)基礎(chǔ)上加裝其他裝置，目前還未對自循環(huán)除塵裝置進(jìn)行數(shù)值模擬以及尋找能夠準(zhǔn)確預(yù)測粉塵排放濃度的方法。本文結(jié)合CFD數(shù)值模擬和對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，得到預(yù)測出口處粉塵排放濃度的方法。

1 數(shù)值建模

1.1 幾何模型

自循環(huán)除塵裝置主要由密閉式導(dǎo)料槽、落煤管集流阻尼裝置、下輸送帶、擴(kuò)容區(qū)、追蹤糾偏托輥等結(jié)構(gòu)組成［6］。根據(jù)已有的參考文獻(xiàn)初步設(shè)計轉(zhuǎn)運站除塵裝置結(jié)構(gòu)的三維幾何模型如圖1所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型

含塵氣流在自循環(huán)除塵裝置內(nèi)的運動是復(fù)雜運動，可將其簡化為湍流狀態(tài)下的氣固兩相流運動，并且設(shè)定氣體為定常狀態(tài)，不可壓縮，同時忽略熱量的傳遞。因此用以下公式進(jìn)行運算。

連續(xù)性方程：

動量方程：

k-ε標(biāo)準(zhǔn)運算模型公式：

式中：C1ε取值為1.44、C2ε取值為1.92、C3ε取值為0.09；GK為層流湍動能（J）；Gb為浮力湍動能（J）；YM為過渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動值；Sk、Sε自定義；σk為方程的湍流普朗特數(shù)，σk＝1.0；σε為方程的湍流普朗特數(shù)，σε＝1.3。

雷諾數(shù)公式：

式中：Re為雷諾數(shù)；ν為流體的流速（m／s）；dH為管道的當(dāng)量直徑（m）；μ為流體的黏性系數(shù)（Pa·s）；A為截面面積（m2）；P為濕周長（m）。

在本文中，取v＝2.91 m／s，A＝0.92 m2，μ＝1.5×10-5Pa·s，P＝3.4 m。因此：

湍流強度公式如下：

湍流動能公式如下：

湍流動能耗散率公式如下：

在本文中I＝0.12，K＝0.183，μ1＝2.91，Su＝0.09，ε＝0.013。

1.3 網(wǎng)格劃分

本文利用Gambit軟件采取分塊處理方式對轉(zhuǎn)運站除塵裝置進(jìn)行網(wǎng)格劃分，綜合考慮網(wǎng)格的計算數(shù)量和網(wǎng)格質(zhì)量，最終本文采用的網(wǎng)格大小為80 mm，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

1.4 邊界條件

設(shè)置轉(zhuǎn)運站自循環(huán)除塵裝置的入口為速度入口（velocity-inlet），其入口速度在之前的研究中已得出。設(shè)置壓力出口（pressure-outlet）為自循環(huán)除塵裝置的出口，其值為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。流體域其他邊界設(shè)置為wall，內(nèi)部相交的面設(shè)置為interface。

1.5 模型參數(shù)

根據(jù)已有的自循環(huán)除塵裝置，設(shè)定初始的自循環(huán)除塵裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)運站自循環(huán)除塵裝置初始模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 計算結(jié)果與分析

2.1 主回流管管徑對自循環(huán)除塵裝置出口處粉塵排放濃度的影響

以自循環(huán)除塵裝置的初始模型中主回流管管徑500 mm為基準(zhǔn)，大小間隔設(shè)置為50 mm，則主回流管管徑的取值依次為400、450、500、550、600 mm，模型中其他參數(shù)不變。通過CFD模擬仿真得到主回流管在不同管徑下自循環(huán)除塵裝置內(nèi)顆粒跡線分布云圖，如圖3所示。

由圖3可知：自循環(huán)除塵裝置出口處粉塵排放濃度隨著主回流管管徑的增加而減小，但是當(dāng)主回流管管徑大于550 mm后，粉塵排放濃度隨著主回流管管徑的增加而相應(yīng)增加。由此得出結(jié)論，上述所取值的范圍內(nèi)存在使得自循環(huán)除塵裝置出口處粉塵排放濃度達(dá)到最小值的主回流管管徑值。

2.2 分流管管徑對自循環(huán)除塵裝置出口處粉塵排放濃度的影響

以自循環(huán)除塵裝置的初始模型中分流管管徑250 mm為基準(zhǔn)，大小間隔設(shè)置為50 mm，則分流管管徑的取值依次是150、200、250、300、350 mm，其他參數(shù)不變。通過CFD模擬仿真得到分流管在不同管徑下自循環(huán)除塵裝置中顆粒跡線分布云圖，如圖4所示。

根據(jù)圖4可知：隨著分流管管徑的增大，自循環(huán)除塵裝置出口處粉塵排放濃度基本呈線性增加。由于分流管管徑減小時，含塵氣流會以更大的速度通過分流管，這就會造成粉塵顆粒對撞損失能量的增大，促進(jìn)了粉塵顆粒的沉降，從而降低自循環(huán)除塵裝置出口處的粉塵排放濃度。

2.3 次回流管管徑對自循環(huán)除塵裝置出口處粉塵排放濃度的影響

以自循環(huán)除塵裝置的初始模型中次回流管管徑250 mm為基準(zhǔn)，大小間隔設(shè)置為50 mm，則次回流管管徑的取值依次是150、200、250、300、350 mm，模型中其他參數(shù)不變。通過CFD模擬仿真得到次回流管在不同管徑下自循環(huán)除塵裝置中顆粒跡線分布云圖，如圖5所示。

由圖5可知：自循環(huán)除塵裝置出口處粉塵排放濃度隨著次回流管管徑的增加而降低。但在次回流管管徑為300 mm時達(dá)到極值，此后隨著次回流管管徑的增加，粉塵排放濃度基本保持不變。由此可以得出結(jié)論：上述所取值的范圍內(nèi)存在使得自循環(huán)除塵裝置出口處粉塵排放濃度達(dá)到最小值的次回流管管徑值。

2.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立

利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測轉(zhuǎn)運站自循環(huán)除塵裝置出口處粉塵排放濃度的方法主要由以下3步組成：首先構(gòu)建合適的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，接著對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，最后運用該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測轉(zhuǎn)運站自循環(huán)除塵裝置出口處粉塵排放濃度［7］。在此過程中需要不斷地將預(yù)測值與期望值進(jìn)行對比，直到誤差越來越小、預(yù)測值無限趨向期望值為止。選擇Matlab工具箱內(nèi)newff函數(shù)極大簡化設(shè)計過程［8］，指令函數(shù)如下：

net＝newff（P，T，S，TF，BTF，BLF，PF，IPF，OPF，DDF）式中：P為自循環(huán)除塵裝置輸入?yún)?shù)矩陣；T為自循環(huán)除塵裝置目標(biāo)粉塵排放濃度數(shù)據(jù)矩陣；S為隱含層節(jié)點數(shù)；TF為節(jié)點傳遞函數(shù)；BTF為訓(xùn)練函數(shù)；BLF為權(quán)值／閾值學(xué)習(xí)函數(shù)；PF為性能函數(shù)；IPF為輸入歸一化函數(shù)；OPF為輸出反歸一化函數(shù)；DDF為驗證數(shù)據(jù)劃分函數(shù)。

本文選擇的傳遞函數(shù)為Tan-Sigmoid函數(shù)，其輸出范圍為-1～1。

本文通過CFD模擬仿真的方法創(chuàng)建轉(zhuǎn)運站除塵裝置訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫。由已研究的結(jié)論，可以得出轉(zhuǎn)運站自循環(huán)除塵裝置的主回流管管徑d1、分流管管徑d2、次回流管管徑d3是影響其出口處粉塵排放濃度的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。32組樣本組成所需的數(shù)據(jù)庫，如表2所示。

表2 自循環(huán)除塵裝置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫

續(xù)表（表2）

對轉(zhuǎn)運站自循環(huán)除塵裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，使得所有數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)化到0～1之間［9］。歸一化函數(shù)如下：

式中：xk、xk1分別為歸一化前、后的結(jié)構(gòu)參數(shù)值；xmin、xmax分別為該結(jié)構(gòu)參數(shù)的最小值、最大值。

從自循環(huán)除塵裝置訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫32個樣本中隨機(jī)選擇28個樣本訓(xùn)練該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，剩下4個樣本用來檢驗訓(xùn)練結(jié)果的準(zhǔn)確性。綜合以上信息，設(shè)置數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如下：

net＝newff（shurun，shuchun，［2］，｛′tansig′′tansig′｝，′trainlm′）并設(shè)置轉(zhuǎn)運站自循環(huán)除塵裝置數(shù)據(jù)庫訓(xùn)練指令如下：

net＝train（net，shurun，shuchun）

整理預(yù)測數(shù)據(jù)與期望數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖6所示。

在檢驗用的4個樣本中，預(yù)測值與期望值之間的誤差分別為0.47、0.38、0.23、0.29 mg／m3，計算可得最大誤差百分比為1%。因此，可以得出結(jié)論：經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較好的預(yù)測功能，運用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以大大減小模擬仿真的工作量。

3 結(jié)論

1）自循環(huán)除塵裝置出口處粉塵排放濃度隨著主回流管管徑的增加而減小，但是當(dāng)主回流管管徑大于某值后，粉塵排放濃度隨著主回流管管徑的增加而相應(yīng)增加。即可得，上述所取值的范圍內(nèi)存在使得自循環(huán)除塵裝置出口處粉塵排放濃度達(dá)到最小值的主回流管管徑值。

2）自循環(huán)除塵裝置出口處粉塵排放濃度隨著分流管管徑的增大基本呈線性增加。主要原因是分流管內(nèi)的含塵氣流運動速度隨著分流管管徑的減小而增大，因此含塵氣流中粉塵顆粒對撞損失的能量也越大，這有利于粉塵顆粒的沉降，從而降低自循環(huán)除塵裝置出口處的粉塵排放濃度。

3）自循環(huán)除塵裝置出口處粉塵排放濃度隨著次回流管管徑的增加而降低，并且在上述所取值的范圍內(nèi)存在使得自循環(huán)除塵裝置出口處粉塵排放濃度達(dá)到最小值的次回流管管徑值。主要原因是含塵氣流在流經(jīng)前部的除塵結(jié)構(gòu)時，粉塵已有大量沉降，而次回流管管徑的增加能夠使含塵氣流更多地通過次回流管增加粉塵的沉降。

4）通過對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，最終能夠準(zhǔn)確預(yù)測自循環(huán)除塵裝置出口處粉塵排放濃度。