張延軍，王春艷，孫 融，許 鵬

1太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 山西太原 030024

2重大裝備液壓基礎(chǔ)元件與智能制造工程研究中心 山西太原 030024

煤 礦粉塵是危害工人身體健康的首要因素，控制煤礦各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的煤塵是防止煤塵污染的主要措施。煤層注水可以減少塵源的排塵量，噴霧降塵能有效控制采煤時(shí)產(chǎn)生的粉塵，通風(fēng)除塵可以降低掘進(jìn)工作面的粉塵體積濃度。上述方法雖然降低了煤礦井下生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煤塵，但從事一線作業(yè)的工人衣服上仍然附有煤塵，這些煤塵會(huì)跟隨工人進(jìn)入井上的行人通道造成二次污染。筆者設(shè)計(jì)了一種負(fù)壓除塵裝置，可以及時(shí)除去工人衣服上的煤塵。吸塵口是除塵裝置的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣直接影響吸塵效率的高低。大量學(xué)者對(duì)吸塵口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，黃興華等人[1]設(shè)計(jì)了一種弧形控塵專用吸塵口；覃先云等人[2]提出了后置不起流道、主體空腔呈 Y 形結(jié)構(gòu)的吸塵口；劉正先等人[3]研究了有一定傾角的雙吸式吸塵口；曾廣銀等人[4]設(shè)計(jì)了帶導(dǎo)流擋板的弧形吸塵口；吳強(qiáng)運(yùn)等人[5]基于 Fluent 研究了純吸式和卷吸式吸塵口的流場特性；張洪軍等人[6]針對(duì)清掃車的吹吸風(fēng)道流體流動(dòng)情況進(jìn)行了研究。上述研究對(duì)吸塵口的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，但研究吸塵口各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸塵效果的影響較少。

筆者以實(shí)體建模為基礎(chǔ)，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)，針對(duì)初始吸塵口進(jìn)行流場分析，發(fā)現(xiàn)初始設(shè)計(jì)存在的問題，并研究了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸塵效果的影響規(guī)律，改進(jìn)吸塵口結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了吸塵口對(duì)煤塵的高效收集。除塵裝置通過吸塵口使工人身上的煤塵得到及時(shí)清理，既能保證煤礦工人的衣物清潔，又不影響煤礦井上的環(huán)境。

1 吸塵口結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

吸塵系統(tǒng)工作時(shí)，通過集塵箱中風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓，并由管道傳遞到吸塵口處，在負(fù)壓的作用下，附著在工作服表面的煤塵顆粒被吸入管道，進(jìn)入除塵系統(tǒng)。吸塵口由梯形盒和排氣管組成，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。吸塵口長度為L，寬度為B，排氣管長度為H，直徑為D，吸塵口收縮角為α，排氣管傾斜角為β。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 1 所列。

1.2 前置處理

圖1 吸塵口結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of suction port

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters

由于吸塵口內(nèi)部的負(fù)壓和四周縫隙的壓力、流量、速度均未知，氣流運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，所以在吸塵口外部區(qū)域建立擴(kuò)展區(qū)，有利于計(jì)算。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格不受求解域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及邊界形狀的限制，計(jì)算精確性更高。因此運(yùn)用 ICEM 對(duì)簡化的吸塵口模型及擴(kuò)展區(qū)域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。吸塵口的網(wǎng)格劃分如圖 2 所示。為得到吸塵口內(nèi)流場穩(wěn)定后的仿真，選擇基于壓力的求解器，時(shí)間模式設(shè)為 Steady，速度屬性設(shè)為Absolute，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε模型，離散方法采用有限體積法。設(shè)置邊界條件時(shí)，將擴(kuò)展區(qū)域入口設(shè)為壓力入口邊界，邊界類型設(shè)置為逃逸，壓強(qiáng)為 0 Pa；將與梯形盒連通的排氣管出口表面設(shè)為壓強(qiáng)出口邊界，邊界類型設(shè)置為捕捉，相對(duì)入口壓差為 -5 000 Pa；將顆粒入射面和壁面邊界類型設(shè)置為捕捉。采用歐拉-拉格朗日離散相 DPM 模型分析顆粒的內(nèi)部流場分布，其中氣體為連續(xù)相，固體顆粒為離散相。

圖2 吸塵口網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh division of suction port

1.3 數(shù)學(xué)模型

吸塵口工作時(shí)，會(huì)帶動(dòng)入口附近的空氣流動(dòng)，周圍的氣體將被吸入，同時(shí)吸塵口內(nèi)部的負(fù)壓也會(huì)引導(dǎo)煤塵進(jìn)入除塵系統(tǒng)，氣流和煤塵最終進(jìn)入集塵箱，其遵循以下方程：

(1) 連續(xù)性方程

式中：ρ為流體密度；U為速度矢量。

(2) 動(dòng)量方程

式中：p′為校正壓強(qiáng)；μeff為有效黏度系數(shù)；p為靜壓強(qiáng)；μ為層流黏度系數(shù)；ξ為體積黏性系數(shù)；μT為湍流黏度系數(shù)；k2為湍動(dòng)能；ε為動(dòng)能耗散系數(shù)。

(3)κ-ε雙方程

1.4 塵粒啟動(dòng)理論

塵粒的啟動(dòng)速度定義為：塵粒開始滑動(dòng)、翻滾并即將懸浮的最小風(fēng)速[7]。只有風(fēng)速超過最小風(fēng)速，塵粒才有可能發(fā)生移動(dòng)。塵粒啟動(dòng)時(shí)，作用在流體中粒子上的迎面阻力和重力應(yīng)平衡，據(jù)此可得塵粒啟動(dòng)的臨界速度

式中：ρp為塵粒的密度；ρ為氣流的密度；A為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

根據(jù)朱伏龍[8]的試驗(yàn)可知煤粉的密度為 1 600 kg/m3，代入式 (5) 可得煤塵啟動(dòng)速度隨粒徑變化的曲線，如圖 3 所示。

2 參數(shù)分析

吸塵口各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸塵效果的影響彼此相關(guān)，所以有必要對(duì)各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出較佳參數(shù)。由塵粒啟動(dòng)理論可知：當(dāng)接近衣服的氣流速度大于塵粒的啟動(dòng)速度時(shí)，吸塵口能將塵粒吸起。為保證塵粒從吸塵口進(jìn)入排氣管，需保證排氣管入口處的真空度足夠大。因此，仿真分析時(shí)，取吸塵口入口截面、側(cè)進(jìn)氣面以及排氣管入口截面處的速度作為前進(jìn)氣面速度、側(cè)進(jìn)氣面速度和排氣管入口速度，同時(shí)取排氣管入口的平均壓強(qiáng)作為排氣管入口壓強(qiáng)進(jìn)行分析。

圖3 塵粒大小對(duì)啟動(dòng)速度的影響Fig.3 Influence of dust particle size on startup speed

2.1 吸塵口寬度

吸塵口寬度增加代表著側(cè)進(jìn)氣面進(jìn)氣量變大。吸塵口寬度對(duì)進(jìn)氣速度及入口壓強(qiáng)的影響如圖 4 所示。由圖 4 可知，隨著寬度的增加，前進(jìn)氣面速度略有減小，側(cè)進(jìn)氣面速度先增大后減小，排氣管入口速度變化幅度較大，排氣管入口壓強(qiáng)一直減小。

圖4 吸塵口寬度對(duì)進(jìn)氣速度及入口壓強(qiáng)的影響Fig.4 Influence of width of suction port on air speed and pressure at inlet

當(dāng)吸塵口寬度較小時(shí)，隨著寬度的增加，兩側(cè)進(jìn)氣口的進(jìn)氣面積增大，有利于氣流從兩側(cè)進(jìn)入，因此側(cè)進(jìn)氣面速度略有增大。當(dāng)吸塵口寬度增大到 26 mm時(shí)，如果再繼續(xù)增大，側(cè)進(jìn)氣面積對(duì)流場起主要影響作用，側(cè)進(jìn)氣面速度開始減??；吸塵口寬度的增加使前進(jìn)氣口的進(jìn)氣量減小，故前進(jìn)氣面速度有所減小；隨著吸塵口寬度的增加，前進(jìn)氣面的氣流不順暢，排氣管入口處的壓強(qiáng)受大氣壓強(qiáng)的影響小，所以排氣管入口壓強(qiáng)明顯減小。前進(jìn)氣口的速度是比較重要的，因此在保證前進(jìn)氣口速度的前提下適當(dāng)增大寬度可提高吸塵效率。

2.2 排氣管傾斜角

排氣管傾斜角是吸塵口的一個(gè)重要參數(shù)，直接影響吸塵口內(nèi)攜塵氣流的壓強(qiáng)和速度分布。排氣管傾斜角對(duì)進(jìn)氣速度及入口壓強(qiáng)的影響如圖 5 所示。由圖 5可知，當(dāng)傾斜角小于 140°時(shí)，隨著傾斜角的增加，前進(jìn)氣面速度、排氣管入口和出口速度均增大，排氣管入口壓強(qiáng)一直減??；當(dāng)傾斜角大于 140°再繼續(xù)增大時(shí)，各種速度均開始減小，而排氣管入口壓強(qiáng)逐漸增大。這是因?yàn)閮A斜角較小時(shí)，隨著角度的增大使得排氣管與入口的連接變得順暢，局部損失減小，吸塵功率增大，所以前進(jìn)氣面、排氣管入口和出口速度均增大，排氣管入口壓強(qiáng)減??；當(dāng)繼續(xù)增大傾斜角，進(jìn)氣空間變得狹長，局部損失變大，吸塵功率減小，各進(jìn)氣口速度減小，同時(shí)，由于排氣管與吸塵口連接處截面積增大，吸塵口內(nèi)的壓強(qiáng)受出口負(fù)壓影響較小，所以排氣管入口壓強(qiáng)增大。

圖5 排氣管傾斜角對(duì)進(jìn)氣速度及入口壓強(qiáng)的影響Fig.5 Influence of obliquity of suction port on air speed and pressure at inlet

2.3 排氣管直徑

排氣管直徑主要影響排氣管入口和出口速度。改變排氣管直徑進(jìn)行流場仿真，吸塵口排氣管直徑對(duì)進(jìn)氣速度及入口壓強(qiáng)的影響如圖 6 所示。由圖 6 可知，隨著排氣管直徑的增加，前進(jìn)氣面速度、排氣管入口速度增大，當(dāng)直徑大于 30 mm 時(shí)，速度的變化開始平緩；排氣管出口速度逐漸減小，而排氣管入口壓強(qiáng)一直增大。這是因?yàn)楫?dāng)直徑小于 30 mm 時(shí)，直徑增大，排氣管出口面積增大，在出口壓強(qiáng)一定的條件下，吸塵功率變大，同時(shí)攜塵氣流進(jìn)入吸塵口變得順暢，局部損失小，所以前進(jìn)氣面速度和排氣管入口速度增大，但出口流量增加的幅度小于排氣管出口橫截面面積增加的幅度，所以排氣管出口速度會(huì)減??；排氣管直徑增加，則排氣管進(jìn)出口的沿程損失減小，故排氣管入口壓強(qiáng)變大；當(dāng)直徑由 30 mm 繼續(xù)增大時(shí)，隨著吸塵功率的增大，氣流的流速增加，產(chǎn)生了很大的沿程損失，吸塵功率的增加程度與損失增加的程度比較接近。所以，前進(jìn)氣面速度和排氣管入口速度的增加變緩，排氣口出口平均速度減小。

圖6 吸塵口排氣管直徑對(duì)進(jìn)氣速度及入口壓強(qiáng)的影響Fig.6 Influence of diameter of exhaust pipe of suction port on air speed and pressure at inlet

3 流場分析

3.1 氣流相分析

初始吸塵口氣流速度如圖 7 所示。由圖 7 可知，顆粒入射面的氣流速度為 8.82～17.6 m/s，此時(shí)的氣流分布不均，有積聚現(xiàn)象；吸塵口左右對(duì)稱面入口區(qū)域氣流速度為 26.5～35.3 m/s，轉(zhuǎn)彎處由于采用收縮式結(jié)構(gòu)，過流截面積變小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎處的氣流積聚加速，速度增至 52.9～61.7 m/s。氣流速度過大不利于對(duì)顆粒的收集。

改進(jìn)吸塵口的氣流速度如圖 8 所示。由圖 8 可知，吸塵口顆粒入射面的氣流速度為 11.6～23.1 m/s，氣流分布均勻；左右對(duì)稱面入口氣流速度為 34.7～46.2 m/s。相比于初始吸塵口，各氣流速度遠(yuǎn)大于圖7 所示的顆粒啟動(dòng)速度，顆粒能順利進(jìn)入集塵室。

圖7 初始吸塵口氣流速度Fig.7 Air speed at original suction port

圖8 改進(jìn)吸塵口的氣流速度Fig.8 Air speed at improved suction port

3.2 顆粒相分析

采用離散相模型得到煤塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖 9所示。在評(píng)估吸塵口的吸塵性能時(shí)，通常將排氣管出口捕捉的顆粒數(shù)與顆粒入射面總量的百分比作為主要指標(biāo)，吸塵口的吸塵效率

圖9 初始吸塵口煤塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.9 Motion trajectory of coal dust particle at original suction port

大多數(shù)的煤塵顆粒跟隨氣流運(yùn)動(dòng)到出口處，有一定的收集作用，但還有一部分顆粒在轉(zhuǎn)彎處產(chǎn)生渦流效應(yīng)，不利于塵粒順利進(jìn)入集塵室。查詢仿真結(jié)果，追蹤粒子數(shù)量為 2 229 個(gè)，其中捕捉 1 534個(gè)，逃逸 17 個(gè)，可以求得初始吸塵口的吸塵效率為68.8%。改進(jìn)后可以看到，煤塵顆粒都隨氣流一起運(yùn)動(dòng)到排球管出口處，個(gè)別顆粒在轉(zhuǎn)彎后運(yùn)動(dòng)軌跡曲折，但最終也被收集，可見改進(jìn)后的吸塵口收集效果良好。改進(jìn)后共追蹤粒子數(shù)量為 2 094 個(gè)，捕捉 1 747個(gè)，逃逸了 44 個(gè)，改進(jìn)后的吸塵效率為 83.4%，極大地提高了吸塵效率。

圖10 改進(jìn)吸塵口煤塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.10 Motion trajectory of coal dust particle at improved suction port

4 結(jié)語

通過各結(jié)構(gòu)參數(shù)分析研究，得出以下結(jié)論：

(1) 在保證前進(jìn)氣口速度的前提下適當(dāng)增大寬度，可提高吸塵效率。

(2) 排氣管傾斜角小于 140°時(shí)，增加傾斜角有利于進(jìn)口速度的增加與排氣管入口壓強(qiáng)的減小，從而改善吸塵效果。

(3) 排氣管直徑小于 30 mm 時(shí)，前進(jìn)氣面速度和排氣管入口速度增幅較大，有利于增強(qiáng)吸塵能力。

(4) 改進(jìn)后的吸塵口各氣流速度明顯增大，內(nèi)部無渦流，實(shí)現(xiàn)了吸塵口對(duì)煤塵顆粒的高效吸入。