楊澤安，王義亮

（1.太原理工大學機械與運載工程學院，山西太原 030024；2.煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，山西太原 030024）

目前，煤炭作為主要能源，每年的煤礦產(chǎn)量需求仍在不斷增長，地下煤礦產(chǎn)量占據(jù)總煤礦產(chǎn)量的95%，與此同時，地下采掘設備的機械化、自動化程度不斷提高，也造成了在綜掘設備工作時，大量煤塵在綜掘工作面產(chǎn)生。近年來已有許多長期從事煤礦井下的工作人員罹患塵肺病。因此，對于煤礦綜掘工作面的除塵研究極為必要，分析風流、煤塵以及噴霧液滴在綜掘巷道內(nèi)的運移規(guī)律為后續(xù)在巷道內(nèi)的防塵措施布置提供了理論指導。許多學者從理論和實際情況下研究了煤塵在綜掘工作面的運移規(guī)律。蔣仲安、陳舉師等人研究了掘進巷道在長壓短抽通風系統(tǒng)下優(yōu)化參數(shù)的數(shù)值模擬[1-2]；周智勇、王凱等人研究了改變風筒相關(guān)參數(shù)對粉塵分布規(guī)律的影響[3-4]；張義坤等人研究了在巷道內(nèi)加入了附壁風筒以及改變附壁風筒相關(guān)參數(shù)對粉塵分布規(guī)律的影響[5]；董軍、胡勝勇等人使用Fluent 軟件模擬了各種條件下煤塵運移規(guī)律[6-9]；陳曦等人研究了噴霧捕塵技術(shù)的數(shù)值模擬[10-11]。為此，針對目前已有文獻，考慮在氣固二兩流研究上加入噴霧，研究在聯(lián)合使用濕式除塵器和附壁風筒的長壓短抽通風系統(tǒng)下的粉塵以及噴霧在風流作用下的分布規(guī)律。

1 數(shù)學模型

1.1 氣相的歐拉連續(xù)運動方程

綜掘工作面的氣相流體被認為是影響煤塵顆粒和噴霧液滴的主要作用流體，通過建立歐拉連續(xù)相方程可以用來描述氣流的運動方程，對于高雷諾數(shù)模型選用k-ε 模型較為合適。因此，選用標準化的k-ε 模型及運移方程。

k 方程：

式中：ρ 為連續(xù)相氣體的密度，kg/m3；k 為湍流動能，m2/s2；t 為時間變量，s；ui為連續(xù)相在i 方向上的速度分量，m/s；xi、xj分別為x、y 方向上的坐標，m；μ 為流體動力黏度系數(shù)；μt為湍流動力黏性系數(shù)；σk為與湍流動能對應的普朗特數(shù)；Gk為由層流剪切力變化所產(chǎn)生的湍流動能，m2/s2；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動能，m2/s2；ε 為湍動能耗散率，m2/s3；YM為可壓湍流波動膨脹對總耗散率的影響；SK為用戶自定義源相。

ε 方程：

式中：σε為與湍流耗散率相對應的普朗特數(shù)；C1ε、C2ε、C3ε為在Fluent 中默認的經(jīng)驗常數(shù)，分別取1.44、1.92、0.09。

1.2 離散相顆粒受力方程

在使用計算顆粒的運動時，是在拉普拉斯坐標系下通過對粒子間相互作用的微分方程進行積分以求解離散粒子運動軌跡。在風流的作用下，對于單個煤塵顆粒理論上存在許多變化的力，理論上，這些力包括重力、曳力、薩夫曼升力、馬格努斯力、巴塞特力、壓力梯度力、附加質(zhì)量力以及熱泳力。結(jié)合軟件發(fā)現(xiàn)部分力可以忽略不計，因此僅考慮顆粒受到重力、曳力、浮力和薩夫曼升力。在以牛頓第二運動定律的基礎下結(jié)合各力建立如下的受力方程：

式中：up為顆粒的運動速度，m/s；t 為時間，s；FD為曳力，N；u 為氣流的運動速度，m/s；g 為重力加速度m/s2；ρp為顆粒密度，kg/m3；Fs為薩夫曼升力，N。

式中：dp為顆粒直徑，m；CD為曳力系數(shù)；Re 為雷諾數(shù)。

式中：a1、a2、a3分別為光滑球形顆粒系數(shù)。

2 幾何模型

2.1 幾何模型建立

依據(jù)某煤礦巷道內(nèi)綜掘工作面及主要設備布置情況，使用Solidworks 建立幾何模型，掘進工作面幾何模型如圖1。

圖1 掘進工作面幾何模型Fig.1 Geometric model of tunneling face

綜掘工作面為寬5 m、高5 m 的半圓拱形，巷道長度30 m；掘進巷道內(nèi)設備包括掘進機（EBZ260）、橋式轉(zhuǎn)載機、刮板輸送機、濕式除塵器（HCN400）、壓力風筒、抽風筒和附壁風筒。由于部分設備過于復雜不利于網(wǎng)格劃分及運算求解，故簡化為如圖1 中相對應設備。掘進機簡化為長12 m、寬3 m、高3 m的簡易模型，掘進機截割頭簡化為1 個長為1 m 的圓臺；壓風筒直徑為0.8 m；抽風筒直徑為0.6 m；附壁風筒根據(jù)實際模型簡化為側(cè)面有徑向出風條隙的直徑為0.8 m 的圓筒，徑向出風條隙在圓筒朝向掘進巷道內(nèi)側(cè)的180°范圍內(nèi)交替分布，條隙間間隔0.1 m，條隙寬0.05 m，條隙長為圓筒半周長的1/3。壓風筒出風口圓心距離底板3 m，距離側(cè)壁0.7 m，出風口距離掘進工作面7 m；附壁風筒距離掘進工作面24.5 m；抽風筒吸風口圓心距離底板2.55 m，距離側(cè)壁1 m，吸風口距離掘進工作面3.7 m。

2.2 網(wǎng)格劃分

完成綜掘工作面各設備模型建模后，使用ICEM進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并對局部接近的面細化網(wǎng)格，同時光整化網(wǎng)格，最終得到網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量高于0.3，符合計算條件。幾何模型網(wǎng)格及邊界條件如圖2。劃分網(wǎng)格時，將壓風筒出口定義為速度入口1，將附壁風筒徑向出風條隙定義為速度入口2，將抽風筒出口定義為速度出口，將巷道后壁面定義為壓力出口。

圖2 幾何模型網(wǎng)格及邊界條件Fig.2 Geometric model mesh and boundary condition

3 邊界條件及相關(guān)參數(shù)

根據(jù)實際綜掘工作面工作條件，選用連續(xù)相與離散相耦合的方式進行仿真。首先對連續(xù)相參數(shù)進行設定，對求解器進行相應設計如下：時間模式采用瞬態(tài)計算模式；啟用湍流模型并選擇標準kepsilon 模型。離散相主要參數(shù)設定見表1。

表1 離散相主要參數(shù)設定Table 1 Main parameters setting of discrete phase

完成煤塵離散相設置后，將底板和速度出口的邊界條件設為捕捉，速度入口1 和速度入口2 邊界條件設為逃逸，其他邊界條件均設為反彈。接下來繼續(xù)對噴霧進行設置，噴霧主要參數(shù)見表2。

表2 噴霧主要參數(shù)Table 2 Main parameters of spray

根據(jù)實際工作情況對出入口速度進行設置：掘進巷道的供風量設計約為400 m3/min，HCN400 的設計吸風量為350 m3/min，為保證附壁風筒徑向出風口的出風量在巷道內(nèi)形成有效的風流場，同時在軸向出風口仍然有少量風流出流，根據(jù)相關(guān)文獻研究設置附壁風筒徑向流量比約為90%，設置速度入口1 流速為1.5 m/s，設置速度入口2 流速為13 m/s，設置速度出口流速為-20 m/s。

4 仿真模擬結(jié)果

4.1 風流數(shù)值模擬結(jié)果

顆粒在巷道內(nèi)的運動主要受到風流的影響，對綜掘巷道內(nèi)的風流運動進行分析有助于了解煤塵顆粒在風流影響下的運移規(guī)律。風流場流線圖如圖3。

圖3 風流場流線圖Fig.3 Wind flow field streamline diagram

從圖3 可以看出，在綜掘巷道前端，風流場主要為從速度入口1 流出的氣流，從壓風筒出風口流向掘進工作面，其中壓力出口噴出的高動量氣體沿著巷道方向前進。隨著風流的沿程損失逐漸增加，風流速度逐步減小形成速度梯度，部分低速氣流在抽風筒的負壓下被吸入抽風筒，其余高速風流在綜掘工作面處發(fā)生碰撞反彈，反彈后大部分風流在負壓風筒的負壓作用下被吸入抽風筒，剩余的風流脫離負壓作用，沿著巷道向后方流動，之后風流再次由于負壓吸入抽風筒。在掘進巷道后段附壁風筒處，可以發(fā)現(xiàn)從附壁風筒徑向出風條隙速度入口2 流出的風流在附壁風筒這個橫向截面內(nèi)形成大范圍風幕，這部分風流在流至周圍巷道內(nèi)壁處，在壁面反彈后一部分繼續(xù)沿著巷道向后流去，一部分在反彈后向巷道前端流去最終被負壓風筒吸入，另有部分風流在巷道中段形成湍流。

為了更好了解風流的速度分布，提取了相關(guān)速度云圖，風流場速度云圖如圖4。

圖4 風流場速度云圖Fig.4 Velocity cloud diagrams of wind flow field

圖4 頂部云圖展示了整個掘進巷道風流的合速度，可以看出高速風流基本集中在幾個出口處和截割面處，其他處均為低速風流。下部左面的云圖為速度入口2 在x 方向分速度云圖，從中可以看到風流在以高速射出后，速度很快衰減，形成速度梯度。下部右面的云圖為速度出口處截面在z 軸方向的分速度云圖，由于抽風筒抽風形成的負壓，風流在出口處形成高速風流，同時在巷道左下側(cè)和右底側(cè)形成回流。

4.2 風流場與粉塵場和噴霧場耦合的數(shù)值模擬結(jié)果

考慮風流、粉塵和噴霧三相耦合，打開離散相模型，設置煤塵顆粒以3 m/s 從截割面射入。設置噴霧從4 個噴嘴位置處沿著巷道方向向截割面噴出。噴霧噴嘴安裝在距離截割面2.3 m 噴霧架上，4 個噴嘴安裝在以掘進機截割頭懸臂軸心為軸心、半徑0.5 m 的圓上且均勻分布。高壓水流在從噴嘴射出后由于具有較大的速度被噴嘴在空氣的相對作用下破碎，形成霧化現(xiàn)象，由此由噴嘴產(chǎn)生的噴霧圍繞懸臂形成1 個包裹掘進機截割頭的錐形噴霧場。

由于煤塵顆粒及噴霧液滴較小，為便于處理觀察，對顆粒進行放大處理。設置僅顯示風流流線和煤塵顆粒運動軌跡線，煤塵顆粒軌跡線如圖5。從圖5 可以看到，在壓風筒入口1 噴出的出風流和抽風筒出口3 吸入的負壓風流作用下，由截割面產(chǎn)生的煤塵顆粒主要匯聚在截割頭下方，截割頭上方的煤塵顆粒被高速氣流迅速稀釋，一部分煤塵被風流裹挾向吸風筒和巷道底部運動，另一部分煤塵則繼續(xù)向巷道后方擴散。在吸風筒附近的煤塵由于抽風筒的負壓作用向吸風口運移，最終被吸入抽風筒。

圖5 煤塵顆粒軌跡線Fig.5 Coal dust particle trajectory

為了更加清楚觀察煤塵和噴霧的運動規(guī)律，在得到的仿真結(jié)果中提取了流動時間t=15、20、25、30 s 時的瞬態(tài)結(jié)果進行分析，不同時刻下塵霧耦合數(shù)值模擬體積云圖濃度如圖6。

圖6 不同時刻下塵霧耦合數(shù)值模擬體積云圖濃度Fig.6 Numerical simulation volume cloud concentration of dust and fog coupling at different times

從圖6 可以看出，在t=15 s 時，煤塵顆粒全部從截割面注入，大量煤塵積聚在從前斷面到掘進機機身前處，而噴霧也已經(jīng)大量從噴嘴噴出擴散至前斷面處。在t=20 s 時，可以清晰看見壓風筒產(chǎn)生的風流開始帶動煤塵和噴霧運動，一大部分高速煤塵和噴霧液滴在風流的作用下向吸風筒出口處運動并被捕捉。一部分煤塵和噴霧液滴由于重力作用且沒有受到風流作用逐漸在巷道斷面左下角和右下角沉積。在t=25 s 時，煤塵和噴霧液滴大量減小，主要由于一部分煤塵已經(jīng)被吸風筒和巷道底部捕捉，另一部分在部分風流的作用下向巷道后部運移；噴霧液滴少數(shù)向后擴散，主要原因是液滴質(zhì)量較小，在風流的作用下絕大部分都被吸風筒捕捉，少數(shù)質(zhì)量較大的液滴也在捕捉煤塵后沉降在巷道底部。在t=30 s 時，此時巷道前斷面處煤塵及噴霧進一步減小，這部分的煤塵和噴霧液滴基本圍著掘進機懸臂以及聚集在掘進機鏟板處；向后擴散的煤塵部分分布在掘進機兩側(cè)，另有一部分在受到附壁風筒產(chǎn)生的湍流作用下在橋式轉(zhuǎn)載機與刮板輸送機交界處積聚。

為了觀察掘進機司機處的粒子濃度變化情況，在司機處建立了yz 平面并選取時間t=15、20、25、30 s 時進行分析，掘進機司機側(cè)截面離散相濃度云圖如圖7。

圖7 掘進機司機側(cè)截面離散相濃度云圖Fig.7 Concentration cloud diagrams of discrete phase in roadheader driver side

從圖7 可以看出，在風流作用和重力作用下煤塵顆粒和噴霧液滴呈波浪式向巷道后方運動，濃度在20 s 時在司機處達到峰值，隨后司機處濃度不斷降低，但是在司機處仍有煤塵和噴霧積聚未向后運動，原因是從壓風筒出流的風流與從附壁風筒出流的風流在司機處形成對流的旋流，導致煤塵和噴霧無規(guī)則運動，在此處聚集。

5 結(jié) 語

1）在掘進機工作時截割頭處產(chǎn)生的煤塵大量積聚在前斷面處，長壓短抽風筒形成的風流帶有助于煤塵及噴霧液滴向抽風筒抽風口運動，部分煤塵及噴霧在風流作用下會從掘進機兩側(cè)向巷道后方運動。巷道后部的附壁風筒在附壁風筒斷面處形成風幕，有效抑制粉塵繼續(xù)向后運移，同時部分風流使煤塵向巷道前端運動。

2）在截割頭下方以及附壁風筒和掘進機之間區(qū)域存在湍流區(qū)域，使得煤塵形成積聚區(qū)，不利于除塵器有效除塵，降低了除塵效率。

3）煤塵及噴霧液滴濃度隨著距離增加呈降低趨勢。煤塵顆粒在風流作用和自身重力影響下，大部分直接被抽風筒捕捉，部分向后運移的煤塵在掘進機司機處基本沉積，在30 s 以后煤塵基本被捕捉。濕式除塵條件下達到良好除塵效果。