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        雙層皮帶機(jī)防雨罩流場(chǎng)和粉塵濃度場(chǎng)分析

        2021-08-18 07:33:12黃庭祥胡成功姜小輝孫曉曹亮趙紅霞
        山東科學(xué) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:側(cè)風(fēng)皮帶機(jī)雙層

        黃庭祥,胡成功,姜小輝,孫曉,曹亮,趙紅霞

        (1.神華北電勝利能源有限公司,內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000;2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 遼寧 沈陽(yáng) 110066;3.山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061)

        皮帶機(jī)是一種常用的物料輸送設(shè)備,廣泛應(yīng)用在沙石運(yùn)輸[1]、物料干燥[2]以及煤或粉煤灰等的運(yùn)輸[3-4]中。皮帶輸送機(jī)多為單層皮帶,只輸送一種物料,而運(yùn)輸兩種物料的雙層皮帶機(jī),即上下兩層皮帶逆向輸送,則并不多見(jiàn)。

        本文研究的雙層皮帶機(jī)是一種新型的皮帶機(jī),其內(nèi)部有兩層皮帶,上面一層運(yùn)煤,下面一層運(yùn)粉煤灰,二者反向運(yùn)送,可解決坑口電廠和煤廠之間的煤炭和粉煤灰運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題。雙層皮帶機(jī)將煤炭運(yùn)至坑口電廠,同時(shí)將粉煤灰運(yùn)回來(lái)填充煤坑,充分利用皮帶機(jī)回程的路線(xiàn),既節(jié)約能源,又節(jié)約空間,是一種非常理想的輸運(yùn)設(shè)備。但是雙層皮帶機(jī)的設(shè)計(jì)不同于單層,特別是其防雨罩的設(shè)計(jì)需要重新考慮。由于雙層皮帶機(jī)的垂直高度比較高,如果參考單層皮帶機(jī)防雨罩的設(shè)計(jì)尺寸,則設(shè)計(jì)出來(lái)的防雨罩也比較高,而且防雨罩側(cè)面垂直方向尺寸比較大,會(huì)消耗較多的鋼材。因而有必要對(duì)雙層皮帶機(jī)防雨罩的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,特別是加大側(cè)面距離地面的高度,減小防雨罩尺寸,從而減少制作時(shí)材料的消耗。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境治理的推進(jìn),對(duì)于煤礦開(kāi)采等領(lǐng)域的粉塵濃度提出了要求,根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》[5]的規(guī)定,要求在煤礦的作業(yè)場(chǎng)所中煤塵的總塵平均容許濃度要小于4×10-6kg/m3。如果在設(shè)計(jì)中將雙層皮帶機(jī)的防雨罩兩側(cè)面縮短,當(dāng)遇到較強(qiáng)的側(cè)風(fēng)時(shí),防雨罩內(nèi)粉塵有可能被風(fēng)吹出,會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境帶來(lái)危害。因而有必要研究側(cè)風(fēng)情況下雙層皮帶機(jī)防雨罩內(nèi)粉塵的分布、流動(dòng)和向外界擴(kuò)散的情況,從而為防雨罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

        對(duì)于皮帶機(jī)輸煤情況下煤塵隨氣流和皮帶機(jī)運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)及分布情況,已經(jīng)有許多研究。秦翥[6]對(duì)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵濃度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬,得出了其分布規(guī)律。Torno等[7]數(shù)值模擬了皮帶機(jī)內(nèi)流場(chǎng)和粉塵的分布,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。蔣仲安等[8]對(duì)巷道內(nèi)皮帶輸煤系統(tǒng)的粉塵運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。陳舉師等[9]對(duì)膠帶輸送巷道內(nèi)粉塵的濃度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究,得出巷道平均風(fēng)速和膠帶運(yùn)行速度是影響粉塵濃度分布的兩大主要因素。王洪勝等[10]對(duì)膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)的粉塵運(yùn)動(dòng)規(guī)律及控制技術(shù)進(jìn)行了模擬研究,采用了氣固兩相流理論,建立了空氣和粉塵紊流的離散模型,并研究了不同位置加裝吸塵罩的效果。張子文等[11]對(duì)不同輸煤量對(duì)輸煤皮帶巷內(nèi)揚(yáng)塵的運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散規(guī)律的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)皮帶運(yùn)煤量的增加加大了煤流和風(fēng)流之間的摩擦面積及巷道斷面風(fēng)速,提高了揚(yáng)塵濃度,擴(kuò)大了高濃度區(qū)域范圍,顯著增加了巷道中下部空間的粉塵污染程度。

        目前對(duì)粉塵的模擬大多為離散相模型,將粒子視為惰性顆粒,其與連續(xù)相流體相互作用,求解粒子的運(yùn)動(dòng)方程,即采用拉格朗日法,得到粒子的空間分布。通常假設(shè)一定的表面起塵量或噴射的粒子量,然后加入到流體連續(xù)相中進(jìn)行計(jì)算[8-9]。本文擬以氣固兩相流理論為基礎(chǔ),運(yùn)用Fluent軟件,建立雙層皮帶機(jī)防雨罩內(nèi)粉塵流動(dòng)的數(shù)值模擬模型,開(kāi)展在有強(qiáng)側(cè)風(fēng)吹的情況下防雨罩內(nèi)外流場(chǎng)和粉塵的運(yùn)動(dòng)及分布規(guī)律的研究,為雙層防雨罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

        1 雙層皮帶機(jī)及防雨罩的結(jié)構(gòu)

        位于內(nèi)蒙古錫林浩特的勝利煤田大型煤礦到坑口電廠之間擬建立可同時(shí)運(yùn)輸煤和粉煤灰的雙層皮帶運(yùn)輸機(jī),將煤從煤礦運(yùn)到電廠,而返程則將粉煤灰?guī)Щ氐矫旱V進(jìn)行利用。雙層皮帶機(jī)及防雨罩的橫截面如圖1所示。

        注:1—防雨罩;2、3、4—防雨罩支撐結(jié)構(gòu);5—下皮帶;6—上皮帶;7—地面。圖1 雙層皮帶機(jī)及防雨罩的橫截面Fig.1 Cross section of double-layer belt conveyor and rain shield

        雙層皮帶機(jī)防雨罩頂部距離地面高度為2.54 m,側(cè)罩最下端距離地面0.94 m,防雨罩半徑為1.21 m,側(cè)罩平直部分高度0.82 m,防雨罩總寬度約2.40 m,上下皮帶之間距離為1.04 m。

        2 模型的建立及可靠性驗(yàn)證

        2.1 物理模型

        由于皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,內(nèi)部如輥?zhàn)?、支撐架等較多,建立與實(shí)際皮帶機(jī)一致的模型較為困難。參考文獻(xiàn)[8-9],對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化,忽略掉皮帶機(jī)內(nèi)的輥?zhàn)雍椭渭埽豢紤]皮帶、煤和粉煤灰區(qū)域。同時(shí)為了研究側(cè)風(fēng)的影響,將防雨罩外一定空間也作為計(jì)算域。由于流動(dòng)屬于三維流動(dòng),因而進(jìn)行三維建模,建立后的計(jì)算區(qū)域如圖2所示,整個(gè)計(jì)算域?yàn)?.59 m×3.46 m×39 m。

        防雨罩內(nèi)兩條皮帶相對(duì)運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)速度均為4.5 m/s,運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致防雨罩內(nèi)流場(chǎng)的分布和單層防雨罩內(nèi)的不同。煤堆表面和粉煤堆表面是粉塵的來(lái)源,防雨罩內(nèi)的流場(chǎng)對(duì)粉塵的流動(dòng)產(chǎn)生較大的影響,因此計(jì)算時(shí)重點(diǎn)考慮防雨罩內(nèi)流動(dòng)。為了防止進(jìn)出口段對(duì)計(jì)算產(chǎn)生影響,沿皮帶運(yùn)動(dòng)方向取較長(zhǎng)的計(jì)算區(qū)域,為了減少計(jì)算量,皮帶周?chē)臻g則取較小的區(qū)域,最后建立的計(jì)算域橫剖面圖如圖2所示。

        圖2 雙層皮帶機(jī)防雨罩計(jì)算模型剖面圖Fig.2 Cross section of computation domain for rain shield of double-layer belt conveyor

        雙層皮帶機(jī)內(nèi)空氣的流動(dòng)遵循如下質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒方程:

        (1)

        式(1)中,ρ為密度,ui為流速,t為時(shí)間,xi為坐標(biāo)。

        (2)

        式(2)中,fi為單位質(zhì)量的體積力,τij為黏性應(yīng)力。

        因氣流中粉塵濃度低,令α1和α2分別代表空氣和粉塵的體積分?jǐn)?shù),ρ1代表空氣的密度,ρ2代表煤粉的密度,假定ρ1<<ρ2、α1ρ1<<α2ρ2,采用變量σ1=α1ρ1、σ2=α2ρ2,則含稀薄粒子的混合體守恒方程為:

        (3)

        (4)

        式中,g為重力加速度,p為壓強(qiáng)。

        忽略掉分散的粉塵顆粒之間的碰撞,在模型的求解中補(bǔ)充氣相質(zhì)量守恒方程和置于平均流中的單一粒子的運(yùn)動(dòng)方程如下:

        (5)

        (6)

        式中,tq為斯托克斯阻力??諝獾牧鲃?dòng)按照歐拉法求解,粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡按照拉格朗日法求解。

        2.2 邊界條件的設(shè)置

        (1)連續(xù)相:數(shù)值模擬中,周?chē)臻g與防雨罩側(cè)面相平行的計(jì)算域右側(cè)面作為速度入口邊界,根據(jù)煤礦作業(yè)要求,風(fēng)速取8級(jí)強(qiáng)風(fēng),根據(jù)中國(guó)氣象局風(fēng)力的等級(jí)劃分,對(duì)應(yīng)風(fēng)速為17.2~20.7 m/s,因此計(jì)算時(shí)取側(cè)風(fēng)速度為17 m/s;計(jì)算域左側(cè)面和上側(cè)面均為壓力出口;計(jì)算域兩端也均設(shè)為壓力出口邊界;皮帶作為移動(dòng)邊界,上下皮帶分別以4.5 m/s和-4.5 m/s相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

        (2)離散相: 煤粉塵和粉煤灰粉塵均是離散相,視為惰性顆粒,根據(jù)實(shí)測(cè)的顆粒粒度得到其分布屬于R-R分布,R-R的具體參數(shù)見(jiàn)表1。以煤堆上表面和粉煤灰上表面作為顆粒噴射源,噴射的顆粒質(zhì)量流量見(jiàn)表1。

        表1 顆粒參數(shù)和噴射量

        通過(guò)計(jì)算,防雨罩當(dāng)量直徑為1.857 m ,則Re=1. 71×106,大于臨界Re=2300,所以罩內(nèi)的流動(dòng)為湍流,選用k-ε湍流模型,壁面處均按照標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。

        3 計(jì)算結(jié)果分析

        3.1 17 m/s側(cè)風(fēng)影響下的流場(chǎng)分布圖

        如圖3(a)和3(b)所示,分別表示有無(wú)側(cè)風(fēng)時(shí)計(jì)算域剖面的流場(chǎng)分布情況。

        圖3 有無(wú)側(cè)風(fēng)時(shí)防雨罩速度分布矢量圖Fig.3 Vector diagram of velocity distribution of rain shield with or without crosswind

        從圖3(a)中可以看出,沒(méi)有側(cè)風(fēng)的時(shí)候罩內(nèi)流速比較低,最大速度低于0.1 m/s,罩外側(cè)向流速小于0.01 m/s,而且罩外的空氣被吸入罩內(nèi),不會(huì)有粉塵被吹出。

        由圖3(b)中可以看出,因?yàn)閺?qiáng)側(cè)風(fēng)的影響(17 m/s),導(dǎo)致側(cè)風(fēng)的一部分在防雨罩的側(cè)面下方受到阻擋,一部分側(cè)風(fēng)進(jìn)入罩內(nèi)流動(dòng),而罩內(nèi)由于上下運(yùn)輸皮帶的相對(duì)運(yùn)動(dòng),在兩個(gè)皮帶之間的空間形成了漩渦,側(cè)風(fēng)的進(jìn)入會(huì)強(qiáng)化兩者之間的漩渦的強(qiáng)度。如果漩渦強(qiáng)度過(guò)大就會(huì)導(dǎo)致部分流體攜帶粉塵顆粒沿罩右側(cè)內(nèi)壁流動(dòng),之后被罩下方的側(cè)風(fēng)攜帶流出至罩外。另外可以看到上下兩條皮帶之間的區(qū)域總體速度比較小(平均小于8 m/s),特別是貼近煤堆上表面和粉煤灰上表面,基本上小于5.4 m/s。另外需要特別注意的是,由于防雨罩側(cè)面總體高度約為1.6 m,導(dǎo)致大量的風(fēng)從防雨罩上方流過(guò),在防雨罩頂部風(fēng)速可以高達(dá)55 m/s,從而對(duì)防雨罩形成了巨大的沖擊力,這是設(shè)計(jì)防雨罩的強(qiáng)度時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的問(wèn)題。

        3.2 17 m/s側(cè)風(fēng)影響下的粉塵濃度分布圖

        有無(wú)側(cè)風(fēng)時(shí)防雨罩內(nèi)部流場(chǎng)不同,罩內(nèi)粉塵的濃度分布也不同。穩(wěn)態(tài)計(jì)算獲得的粉塵濃度在計(jì)算域橫剖面的分布圖如圖4(a)和4(b)所示。

        圖4 防雨罩內(nèi)粉塵濃度分布圖Fig.4 Dust concentration distribution diagram for rain shield

        從圖4(a)中可以看到,在無(wú)側(cè)風(fēng)的情況下,罩內(nèi)煤堆和粉煤灰上表面的濃度比較大,都大于4×10-6kg/m3,但是罩外空間粉塵濃度都小于4×10-6kg/m3,均滿(mǎn)足《煤礦安全規(guī)程》的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

        從圖4(b)中可以看到,在有強(qiáng)側(cè)風(fēng)的情況下,最大的粉塵濃度1.78×10-4kg/m3出現(xiàn)在運(yùn)煤皮帶和煤堆的交界處,其次則是運(yùn)粉煤灰的皮帶和粉煤灰堆的交界處。在這里粉塵流動(dòng)受到了側(cè)面皮帶的阻擋而沉積下來(lái),而整個(gè)計(jì)算空間其他區(qū)域的粉塵濃度則很小,均小于3.75×10-5kg/m3。

        由于粉塵濃度分布范圍跨度太大,因而為了更加清晰地顯示粉塵濃度在計(jì)算域的分布,圖5顯示了濃度小于4×10-6kg/m3的粉塵分布,該圖顯示的區(qū)域除紅色部分外均符合《煤礦安全規(guī)程》的標(biāo)準(zhǔn)。從圖中可以判斷粉塵濃度在罩外部空間均滿(mǎn)足《煤礦安全規(guī)程》的要求,表明防雨罩高度設(shè)計(jì)合理。

        圖5 有側(cè)風(fēng)(17 m/s)時(shí)粉塵濃度分布圖(濃度< 4×10-6 kg/m3)Fig.5 Dust concentration distribution map (concentration<4×10-6 kg/m3)

        4 結(jié)論

        本文以雙層皮帶機(jī)防雨罩為研究對(duì)象,對(duì)強(qiáng)側(cè)風(fēng)(17 m/s)影響下防雨罩內(nèi)流場(chǎng)和粉塵濃度場(chǎng)的分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果表明,強(qiáng)側(cè)風(fēng)會(huì)強(qiáng)化雙層皮帶之間形成的流動(dòng)漩渦,目前風(fēng)速為17 m/s的側(cè)風(fēng)不會(huì)導(dǎo)致形成的漩渦強(qiáng)度過(guò)大。雙層皮帶機(jī)防雨罩高度大會(huì)導(dǎo)致在其頂部出現(xiàn)非常高的流速(高達(dá)55 m/s),所造成的沖擊力在進(jìn)行防雨罩強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮。粉塵濃度分布不均勻,按照目前計(jì)算的強(qiáng)側(cè)風(fēng)情況下,防雨罩外部空間的粉塵濃度都小于4×10-6kg/m3,滿(mǎn)足煤礦安全規(guī)程的要求。

        本文的研究結(jié)果給雙層皮帶機(jī)防雨罩的設(shè)計(jì)提供了參考,但是該研究主要基于數(shù)值模擬,還缺乏流場(chǎng)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。今后將開(kāi)展有關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究工作,對(duì)現(xiàn)有數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,并對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行改進(jìn)。

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