旋轉(zhuǎn)噴霧降塵機理分析及數(shù)值模擬研究

馬慧波

（晉煤集團澤州天安恒源煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

煤礦井下綜采、掘進等工序作業(yè)時會產(chǎn)生大量粉塵，粉塵濃度過高嚴重危害井下人員的身體健康，甚至導(dǎo)致粉塵爆炸事故的發(fā)生[1,2]。因此，降低粉塵濃度對于礦井的安全生產(chǎn)十分必要。

馬素平等[3]通過對回風(fēng)巷中影響粉塵沉降效率的因素進行分析，結(jié)果表明水霧粒徑越小降塵效率越高，降塵效率主要取決于供水壓力大?。恢軇偟萚4]基于動力學(xué)理論推導(dǎo)出顆粒相應(yīng)力的表達式，并采用數(shù)值模擬的方法對工作面粉塵濃度的分布規(guī)律進行分析，其結(jié)果用于液壓支架噴霧降塵裝置的優(yōu)化設(shè)計；程衛(wèi)民等[5]對高壓噴霧降塵機理進行分析，并推導(dǎo)出霧化捕捉最小粉塵粒度的解析式，并通過實驗的方法對不同壓力下霧化粒度進行測定，得出粒徑隨壓力增大霧化粒度變小的結(jié)論。

雖然目前一些學(xué)者對煤礦噴霧降塵技術(shù)做了一定的研究，但由于煤礦對于改善作業(yè)環(huán)境、確保安全生產(chǎn)的迫切要求，仍有諸多問題需要研究。本文以恒源煤業(yè)151209巷為工程背景，采用理論分析和數(shù)值模擬的方法對旋轉(zhuǎn)噴霧降塵方法進行研究，研究結(jié)果具有一定的應(yīng)用價值。

1 工程概況

恒源煤業(yè)隸屬于晉煤集團，井田位于澤州縣東北，井田面積5.32km2，主采15#煤層，核定生產(chǎn)能力60萬t/a。151305工作面推進長度270m，煤層平均厚度2.75m，平均傾角8°，采用綜采一次采全高采煤法。151209巷（運輸順槽）采用矩形斷面，寬4.0m，高2.8m，運輸皮帶在運煤過程中產(chǎn)生大量粉煤塵，并隨風(fēng)流四處飄散充滿整條巷道，因此急需采取噴霧降塵措施。

2 旋轉(zhuǎn)噴霧降塵機理分析

依據(jù)旋轉(zhuǎn)理論[6]，旋轉(zhuǎn)噴霧的狀態(tài)與旋轉(zhuǎn)初始速度及旋轉(zhuǎn)方式有極大的關(guān)系。旋轉(zhuǎn)速度的差異導(dǎo)致流場內(nèi)壓強分布不同，使得噴霧在做螺旋運動時還向四周擴散形成紊流作用，因此其擴散角相對較大，增大了噴霧的擴散范圍，同時噴霧吸附粉塵的性能相應(yīng)提高。旋轉(zhuǎn)切向速度較大，使得流場中心壓力降低形成低壓區(qū)，低壓區(qū)導(dǎo)致場內(nèi)流體的回流現(xiàn)象，并且其離心力吸引周圍小顆粒粉塵。

旋轉(zhuǎn)噴霧的霧化過程是不同相態(tài)間相互耦合的過程，霧化本質(zhì)是霧化介質(zhì)在離開噴嘴后受到空氣剪切力與表面張力的作用，使其破碎形成細小液滴的過程，包括兩次霧化過程：第一次霧化為霧化介質(zhì)離開噴嘴形成細小顆粒成霧的過程，第二次霧化為噴霧與環(huán)境介質(zhì)繼續(xù)作用，形成超細化噴霧的過程。

旋轉(zhuǎn)噴霧降塵包括：①碰撞捕捉：小粒徑粉塵在原運動慣性的作用下與旋轉(zhuǎn)噴霧發(fā)生碰撞被捕捉；②截留作用：當旋轉(zhuǎn)噴霧與小粒徑粉塵群間距極小時，由于噴霧間的引力和表面力作用，使得粉塵群被阻礙截留；③擴散作用：小粒徑粉塵受空氣流場作用相互碰撞，做不規(guī)則的布朗運動，與旋轉(zhuǎn)噴霧發(fā)生碰撞被捕捉。

3 旋轉(zhuǎn)噴霧降塵模擬研究

3.1 模型的建立

采用ANSYS軟件對旋轉(zhuǎn)噴霧降塵進行建模，建立模型時依據(jù)含有粉塵的空氣流在巷道中不同的運動分布情況以及風(fēng)流場與噴射源的耦合作用。為更好地模擬噴霧降塵過程，作如下假設(shè)：

1）風(fēng)流為不可壓縮的理想狀態(tài)；

2）巷道側(cè)壁摩擦系數(shù)相同；

3）忽略溫度的影響，不考慮風(fēng)流間的熱交換作用；

4）忽略除重力以外其它作用力對環(huán)境場的影響。

建立的旋轉(zhuǎn)噴霧降塵模型主體包含粉塵源、噴嘴及巷道三部分，其中粉塵源為圓錐臺，根據(jù)151209巷情況，建立巷道模型長30.0m，寬4.0m，高2.8m，模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

將建立的模型代入Fluent計算流體力學(xué)軟件中，考慮重力的影響g=9.8m/s2，其中湍流模型選擇k-ε雙方程模型，進口邊界類型為Velocity Inlet，出口邊界類型為Outflow，巷道壁設(shè)置為不捕捉粉塵Reflect，并進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，見表1。

表1 參數(shù)設(shè)定

根據(jù)旋轉(zhuǎn)噴霧降塵模擬系統(tǒng)設(shè)置要求，在巷道端部設(shè)置粉塵源，參數(shù)設(shè)定見表2。

表2 粉塵源參數(shù)設(shè)定

3.2 巷道風(fēng)流場分布特征

在巷道掘進時，風(fēng)流場的分布特征對于粉塵的運動規(guī)律十分重要，對模型結(jié)果進行分析，圖2為穩(wěn)流時的速度矢量圖。分析可知，當風(fēng)從端部流入巷道后，風(fēng)速發(fā)生突變，從5m/s降低到1.1m/s，從而使得風(fēng)流變化較復(fù)雜發(fā)生紊亂；在巷道前部風(fēng)速逐漸減小并產(chǎn)生分層現(xiàn)象，且巷道下部風(fēng)速明顯較大；巷道中部風(fēng)流在頂部噴嘴噴射旋轉(zhuǎn)噴霧后發(fā)生擾動，風(fēng)流場的風(fēng)速急劇增大，之后巷道后部風(fēng)流逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2 流速矢量圖

為分析風(fēng)流場在巷道斷面的分布情況，分別選定x=-2m、0m和2m三個斷面，圖3為三個斷面的風(fēng)速云圖。可以看出，在巷道豎直方向風(fēng)流以一定角度流入，并迅速分成上下兩層，在在巷道前部風(fēng)速較小，經(jīng)過中間頂部噴嘴噴射旋轉(zhuǎn)噴霧后，形成低速渦流低壓區(qū)，且風(fēng)流方向發(fā)生偏移。在x=-2m處，巷道上部風(fēng)速較大，且由于初始穩(wěn)流的回流影響使得該處風(fēng)速在三個斷面處最大；在x=0m處，受中部噴霧作用的影響，風(fēng)速呈先增大后減小的規(guī)律，先由穩(wěn)流時的3.4m/s降至噴霧阻礙作用時0.7m/s，后又升至6.1m/s；在x=2m處，巷道前部穩(wěn)流段風(fēng)速擴散較紊亂，之后風(fēng)流分布均勻，風(fēng)速保持在2.0m/s附近。

圖3 風(fēng)速云圖

3.3 粉塵濃度分布特征

在巷道掘進時，粉塵顆粒隨風(fēng)流四處運動，圖4為巷道粉塵分布云圖?？梢钥闯?，沿巷道走向粉塵濃度分布有較明顯的分布差異，按其濃度可以劃分為高濃度、中濃度、低濃度三段。高濃度段發(fā)生在巷道端部粉塵源發(fā)射區(qū)域，在粉塵源發(fā)射后，粉塵濃度極高，在巷道端部迅速擴散濃度略微降低，因受風(fēng)流壓力和速度的影響，使其在巷道端頭局部產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，同時由于重力作用使得粒徑較大的粉塵向巷道底板側(cè)偏移，濃度最大約為1000mg/m3。中濃度段發(fā)生在巷道前中部區(qū)域，該區(qū)域粉塵濃度逐漸減小，分布較均勻，同時由于巷道中間頂部噴霧的阻礙作用，使得前中部粉塵較難繼續(xù)向巷道后部擴散形成繞流。低濃度段發(fā)生在巷道后部區(qū)域，經(jīng)噴射旋轉(zhuǎn)噴霧影響，使得原小粒徑粉塵的運動路線發(fā)生較大偏移形成紊流，致使巷道后部粉塵濃度較小，低至約100mg/m3，表明旋轉(zhuǎn)噴霧可以有效降低粉塵濃度。

圖4 粉塵濃度分布圖

3.4 旋轉(zhuǎn)噴霧粒徑分布特征

旋轉(zhuǎn)噴霧的粒徑分布特征與噴射壓力、速度及噴嘴設(shè)計有很大關(guān)系，較好的霧化過程可以提高噴霧覆蓋范圍及分散度。為分析旋轉(zhuǎn)噴霧的粒徑分布特征，選定噴嘴壓力2MPa時的霧化效果進行模擬分析，粒徑分布如圖5所示?？梢钥闯?，在旋轉(zhuǎn)噴霧后，水霧沿噴射嘴呈放射性分布，距離噴嘴越近壓力越大霧化擾動越明顯，噴霧分布較均勻，粒徑尺寸范圍為60μm～448μm，其中200μm～300μm尺寸的水霧最多，且水霧的覆蓋面積廣、粒徑較小。

4 結(jié)論

1）受巷道中部旋轉(zhuǎn)噴霧的作用，風(fēng)流場發(fā)生擾動，風(fēng)速急劇增大，之后在巷道后部風(fēng)速趨于穩(wěn)定；

2）沿巷道走向粉塵濃度分布有較明顯的分布差異，按其濃度可以劃分為高濃度、中濃度、低濃度三段；

3）旋轉(zhuǎn)噴霧覆蓋面積廣、粒徑較小，可以有效降低粉塵濃度。

圖5 噴霧粒徑分布圖