陳景序，滕 婷，荊德吉，智栐凱，陳麗林，李延續(xù)

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

由于掘進(jìn)工作面狹長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)特性，掘進(jìn)工作面工程作業(yè)過程中產(chǎn)生大量粉塵,隨風(fēng)流蔓延整條巷道，且不易排出，局部最高粉塵濃度可達(dá)3.0 g/m3[1-3]。尤其是堆積在機(jī)械、電氣設(shè)備上的粉塵，不僅嚴(yán)重影響井下人員安全與應(yīng)急疏散，而且會(huì)因?yàn)闄C(jī)械高溫存在潛在火災(zāi)的威脅[4-5]。為了有效控制由煤塵擴(kuò)散引起的環(huán)境污染，本文針對(duì)新型除塵裝置的外部旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕形成過程進(jìn)行研究，該裝置可在掘進(jìn)機(jī)前段形成一股強(qiáng)有力的旋轉(zhuǎn)射流風(fēng)幕[6]。因而，本文所提出的旋轉(zhuǎn)射流風(fēng)幕速度空間分布研究具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者不斷開展新興技術(shù)研發(fā)，風(fēng)幕除塵技術(shù)得到不斷進(jìn)步[7-8]。MA等[9]設(shè)計(jì)了一種安裝在掘進(jìn)機(jī)上的風(fēng)幕控塵系統(tǒng)，可在不影響車輛工程作業(yè)的同時(shí)形成完整風(fēng)幕，且具有較好的捕塵性能。劉榮華等[10]基于CFD軟件對(duì)掘進(jìn)工作面的旋轉(zhuǎn)射流屏蔽通風(fēng)技術(shù)進(jìn)行研究分析，獲得了不同吹吸流量下的最佳控塵效果。聶文等[11]和YIN等[12]深入分析研究多向渦流風(fēng)幕發(fā)生裝置的阻塵性能，采用多方法結(jié)合的方式對(duì)綜采工作面氣幕風(fēng)流場(chǎng)、粉塵場(chǎng)耦合過程和控制能力進(jìn)行分析。荊德吉等[13]依據(jù)氣固兩相流理論構(gòu)建并修正了粉塵濃度擴(kuò)散二流體數(shù)值計(jì)算模型及顆粒軌道計(jì)算模型，結(jié)合工程實(shí)踐對(duì)不同曳力模型下的粉塵顆粒逸散規(guī)律進(jìn)行了分析。王冬輝等[14]基于風(fēng)幕封閉控塵技術(shù)，利用FLUENT軟件探究掘進(jìn)面壓抽混合式通風(fēng)方式下風(fēng)-塵擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行分析，并優(yōu)化設(shè)計(jì)掘進(jìn)工作面綜合控除塵系統(tǒng)。

本文對(duì)內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)射流風(fēng)幕形成機(jī)理進(jìn)行了分析，并利用CFD軟件建立掘進(jìn)機(jī)及設(shè)備布置模型，對(duì)旋轉(zhuǎn)射流氣相流場(chǎng)進(jìn)行模擬；并通過相似實(shí)驗(yàn)，確定同等射流風(fēng)速條件下的風(fēng)速衰減與空間分布，為氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)射流風(fēng)幕的分級(jí)行為提供理論依據(jù)。

1 裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)射流風(fēng)幕是通過利用均勻布置在環(huán)狀風(fēng)筒的高壓風(fēng)流引射器的疊加效果而形成的氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕。其工作原理是以壓力風(fēng)流作為渦旋風(fēng)幕發(fā)生裝置的工作流體，利用均勻布置在環(huán)狀風(fēng)筒上的高壓風(fēng)流引射器噴孔出口位置噴射而出的高壓風(fēng)流干涉作用。從“圓環(huán)裝置”內(nèi)環(huán)噴孔出口處多股射流附近發(fā)生堆疊向外沖擊。因此，在掘進(jìn)機(jī)頭處形成了疊加，并旋轉(zhuǎn)指向工作方向的高速旋轉(zhuǎn)螺旋網(wǎng)狀風(fēng)幕墻，內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)的沖擊射流是旋轉(zhuǎn)射流風(fēng)幕的主要能量來(lái)源。所設(shè)計(jì)的旋動(dòng)風(fēng)幕裝置根據(jù)掘進(jìn)工作面掘進(jìn)機(jī)工作情況設(shè)置，風(fēng)速出口為高壓風(fēng)流引射器，所設(shè)計(jì)出風(fēng)口均勻分布在設(shè)備內(nèi)傾壁面上，高壓風(fēng)流引射器出風(fēng)口軸線指向水平切線方向。通過合理的工況參數(shù)，便可形成一個(gè)有效的旋轉(zhuǎn)射流風(fēng)幕，所繪制的裝置結(jié)構(gòu)安裝三維實(shí)景圖如圖1所示，旋轉(zhuǎn)射流風(fēng)幕干涉示意圖如圖2所示。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of device structure installation

2 數(shù)學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 模型建立

2.1.1 數(shù)學(xué)模型

以氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)射流風(fēng)幕旋轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)作為研究對(duì)象，因氣相流體流動(dòng)時(shí)速度較低，為不可壓縮運(yùn)動(dòng)，各參數(shù)變化量較小，為減少計(jì)算量，降低計(jì)算成本，將流場(chǎng)簡(jiǎn)化為不可壓縮、絕熱的定常流動(dòng)，因此采用不可壓縮k-ε湍流模型對(duì)旋轉(zhuǎn)裝置射流風(fēng)速場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。湍流動(dòng)能方程(k方程)和湍流能量耗散率方程(ε)計(jì)算見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

2.1.2 物理模型

根據(jù)地下礦井掘進(jìn)工作面實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀設(shè)定為寬4.5 m、高3.5 m、長(zhǎng)30.0 m的模擬掘進(jìn)巷道，并繪制實(shí)物掘進(jìn)機(jī)模型。形環(huán)形風(fēng)筒外環(huán)徑1.1 m，內(nèi)環(huán)徑0.9 m，寬0.3 m。建立與實(shí)物幾何尺寸比為C=L∶L′=10∶1，采用三維軟件繪制掘進(jìn)機(jī)外裝置的物理模型，建立長(zhǎng)方體掘進(jìn)巷計(jì)算域，尺寸為長(zhǎng)×寬×高=2.00 m×0.45 m×0.35 m；簡(jiǎn)化計(jì)算域內(nèi)設(shè)施，假設(shè)環(huán)狀風(fēng)筒為圓環(huán)體，高壓風(fēng)流引射器與換裝風(fēng)筒無(wú)空隙，高壓風(fēng)流引射器出口為出風(fēng)口，掘進(jìn)機(jī)比例模型長(zhǎng)度為0.93 m[6]。計(jì)算域物理模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算域物理模型Fig.3 Computing domain physical model

2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

基于相似理論建立10∶1相似實(shí)驗(yàn)裝置平臺(tái)，當(dāng)無(wú)風(fēng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)區(qū)域流體流動(dòng)處于完全紊流狀態(tài)，只需滿足動(dòng)力相似，可對(duì)設(shè)備流體運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行充分的實(shí)驗(yàn)測(cè)定[6]。確保系統(tǒng)各連接件結(jié)合處密閉，風(fēng)幕空間分布實(shí)驗(yàn)需保證實(shí)驗(yàn)工況風(fēng)速輸出強(qiáng)度穩(wěn)定，選取射流出口風(fēng)速分別為20 m/s、25 m/s、30 m/s的實(shí)驗(yàn)風(fēng)速進(jìn)行風(fēng)速分布條件測(cè)定。依據(jù)射流風(fēng)速參數(shù)依次采用紅色飄帶和風(fēng)速儀(GM-8903)進(jìn)行風(fēng)幕運(yùn)動(dòng)方向和速度空間分布模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)測(cè)定記錄，數(shù)值單位為m/s。半封閉實(shí)驗(yàn)箱如圖4所示。

圖4 半封閉相似實(shí)驗(yàn)箱Fig.4 Semi-closed similar experiment box

依據(jù)設(shè)定的射流風(fēng)速參數(shù)依次進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，數(shù)值單位為m/s；隔塵效果實(shí)驗(yàn)在半封閉實(shí)驗(yàn)箱壁面設(shè)置自制發(fā)塵器作為發(fā)塵源，實(shí)驗(yàn)步驟為：①單獨(dú)開啟發(fā)塵裝置(采用CCZ-1000激光粉塵濃度采樣器)；②開啟壓風(fēng)風(fēng)機(jī)，射流風(fēng)速分別為20 m/s、25 m/s、30 m/s時(shí)對(duì)測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2處粉塵濃度進(jìn)行測(cè)量，即分別在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)位、掘進(jìn)機(jī)機(jī)體后方0.5 m處布置兩個(gè)測(cè)塵點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1為司機(jī)位0.75 m、呼吸帶高度0.15 m處；測(cè)點(diǎn)2為掘進(jìn)機(jī)組后回風(fēng)側(cè)1.5 m、呼吸帶高度0.15 m處，對(duì)粉塵濃度進(jìn)行測(cè)量。

2.2.2 測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)布置

根據(jù)上述掘進(jìn)巷XZ斷面平均布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)分別設(shè)置為Ⅰ(0.10，0.35)、Ⅱ(0.225，0.350)、Ⅲ(0.35，0.35)、Ⅳ(0.100，0.175)、Ⅴ(0.225，0.175)、Ⅵ(0.350，0.175)、Ⅶ(0.1，0.1)、Ⅷ(0.225，0.100)、Ⅸ(0.35，0.10)，數(shù)值單位為m。設(shè)備與掘進(jìn)機(jī)迎頭避免每隔0.1 m對(duì)風(fēng)速流場(chǎng)的速度方向及速度空間分布進(jìn)行測(cè)量。測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)布置如圖5所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)示意圖Fig.5 Schematic diagram of setting wind location

3 結(jié)果分析

3.1 模擬結(jié)果分析

依據(jù)CFD模擬軟件中k-ε湍流模型對(duì)射流場(chǎng)空間分布進(jìn)行模擬計(jì)算，選擇出口處射流風(fēng)速出口處由20 m/s增大至30 m/s時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕空間分布進(jìn)行數(shù)值模擬分析[5]。獲得出口風(fēng)速30 m/s時(shí)掘進(jìn)巷XZ截面速度空間分布圖如圖6所示。獲得的X軸不同風(fēng)速測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)處射流風(fēng)速分布如圖7所示。

圖6 XZ截面速度空間分布Fig.6 XZ section simulation results of different jet wind speed

圖7 不同測(cè)點(diǎn)射流風(fēng)速分布Fig.7 Jet velocity distribution of different measuring points

由圖6和圖7可知，風(fēng)筒指向掘進(jìn)壁面，旋轉(zhuǎn)的風(fēng)流沿掘進(jìn)巷計(jì)算域X軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，由于風(fēng)筒出風(fēng)口處堆疊導(dǎo)致風(fēng)速各向動(dòng)量瞬間發(fā)生改變，產(chǎn)生大量誘導(dǎo)動(dòng)量，風(fēng)速由出風(fēng)口處向四周壁面擴(kuò)散環(huán)狀旋轉(zhuǎn)風(fēng)流場(chǎng)(旋轉(zhuǎn)氣幕)；受速旋轉(zhuǎn)氣流受場(chǎng)中壓力梯度、沿程阻力及空氣自身的黏滯性影響，氣體流速快速衰減降低；由射流出口最高風(fēng)速30 m/s快速衰減至15 m/s，且旋轉(zhuǎn)氣幕向X軸負(fù)方向有效前進(jìn)距離較小。由圖7可知，測(cè)點(diǎn)Ⅱ、測(cè)點(diǎn)Ⅷ處在引射風(fēng)流出風(fēng)口附近獲得風(fēng)速最高點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)Ⅴ在模型中設(shè)有掘進(jìn)機(jī)模型，因此風(fēng)速被截?cái)唷?/p>

3.2 相似實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案獲得的不同測(cè)點(diǎn)風(fēng)速空間分布結(jié)果見表1。表1中風(fēng)速空間分布方向用以下圖標(biāo)表示：“⊙”表示指向迎頭，“¤”表示逆向迎頭，“↑”表示由底板指向頂板，“↓”表示由頂板指向底板，“←→”指向壁面。獲得不同斷面測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速及風(fēng)速方向。其中，測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)X為距掘進(jìn)壁面距離，氣流方向選用彩帶進(jìn)行測(cè)量。

由表1旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕與迎頭方向不同射流風(fēng)速時(shí)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速可知：①測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)X=0.3 m，此處由高壓風(fēng)流引射器出口方向的強(qiáng)制作用形成了旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕風(fēng)流場(chǎng)，致使各測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)流方向發(fā)生變化，說(shuō)明出風(fēng)口處高速風(fēng)流此時(shí)形成了指向巷道斷面徑向壁面的旋轉(zhuǎn)風(fēng)流；②隨著測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)X指向迎頭由0.3 m至0.1 m推移過程中，風(fēng)速逐漸降至0.1 m/s，說(shuō)明出風(fēng)口處高速風(fēng)流軸向旋轉(zhuǎn)風(fēng)流場(chǎng)受到阻礙逐漸減弱，在迎頭處，風(fēng)速大小和方向基本已無(wú)變化；③測(cè)定坐標(biāo)X=0.3 m風(fēng)速最大測(cè)點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)Ⅱ、測(cè)點(diǎn)Ⅷ處，這與模擬結(jié)果具有一定的相似性，保證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

表1 不同測(cè)點(diǎn)風(fēng)速Table 1 Wind speeds at different measuring points

3.3 單風(fēng)幕控塵效果分析

表2為粉塵濃度測(cè)定表。由表2可知，單風(fēng)幕控塵效果受旋轉(zhuǎn)射流風(fēng)速影響較大，控塵效果隨射流風(fēng)速的上升而增大，最大射流風(fēng)速時(shí)得到最優(yōu)控塵性能，全塵濃度由測(cè)點(diǎn)Ⅰ司機(jī)位置處的433.9 mg/m3下降至161.4 mg/m3，呼吸性粉塵由135.5 mg/m3下降至55.3 mg/m3；測(cè)點(diǎn)Ⅱ的全塵濃度和呼吸性粉塵則分別降至121.4 mg/m3和30.3 mg/m3。測(cè)點(diǎn)Ⅰ、測(cè)點(diǎn)Ⅱ控塵效果較低，當(dāng)更低射流低風(fēng)速時(shí)，控塵效果則更加不足，說(shuō)明了該系統(tǒng)單獨(dú)風(fēng)幕條件下雖有一定的控塵性能但整體效果不佳。該系統(tǒng)單獨(dú)旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕僅可用于低濃度粉塵工作面，利用單獨(dú)旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕集塵除塵系統(tǒng)控塵效率較低，不可完全控制掘進(jìn)工作面粉塵污染。

表2 粉塵濃度測(cè)定表Table 2 Determination form of dust concentration

4 結(jié) 論

本文通過數(shù)值模擬結(jié)合相似實(shí)驗(yàn)對(duì)氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)射流風(fēng)幕的外紊動(dòng)射流流動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比分析，得到結(jié)論如下所述。

1) 通過對(duì)旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕的形成進(jìn)行論述，表明該設(shè)備可形成指向巷道斷面徑向壁面的旋轉(zhuǎn)風(fēng)流，氣相旋轉(zhuǎn)射流隨射流風(fēng)速的增大疊加耦合作用增強(qiáng)，各測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)速也隨之增大，形成更加強(qiáng)有力、更穩(wěn)定且旋轉(zhuǎn)速度更強(qiáng)的風(fēng)幕墻。旋轉(zhuǎn)射流風(fēng)速空間分布受場(chǎng)中壓力梯度、沿程阻力及空氣自身的黏滯性影響，出口處29.8 m/s的高速射流風(fēng)速快速衰減至15.0 m/s，所形成的旋轉(zhuǎn)氣幕有效工作距離較小，相似實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)果之間具有很好的一致性。

2) 單風(fēng)幕控塵效果實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)風(fēng)幕條件下也可單獨(dú)用于低濃度粉塵工作面，但不可完全控制掘進(jìn)工作面粉塵的逸散，說(shuō)明新型控塵裝置單一風(fēng)幕的局限，以后需將其與風(fēng)霧進(jìn)一步結(jié)合。