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)。