獨(dú)頭巷道有效控塵風(fēng)流的作用及特征

黎 志

(中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司， 重慶 400037)

0 引 言

長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)[1-3]作為獨(dú)頭巷道綜掘工作面有效粉塵防治方法已被廣泛應(yīng)用。實(shí)踐證明，控塵風(fēng)筒是長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)控制獨(dú)頭巷道掘進(jìn)工作面生產(chǎn)性粉塵的關(guān)鍵，其正確使用可以有效提高長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)的收塵率[4]。針對(duì)控塵風(fēng)筒的研究形成了渦流控塵裝置[5]、空氣幕[6]、條縫式控塵風(fēng)筒、康達(dá)效應(yīng)風(fēng)筒[7]、硬質(zhì)或柔性附壁風(fēng)筒[8-9]等多種形式，但對(duì)其作用機(jī)理研究較少，以致于工程實(shí)踐中巷道形狀及其他條件的變化引起長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)收塵效率降低，僅能依靠工程經(jīng)驗(yàn)去解決，缺乏理論指導(dǎo)。針對(duì)控塵風(fēng)筒作用機(jī)理的研究認(rèn)為是控塵風(fēng)筒射出的螺旋風(fēng)流的作用[10]或者是形成了控塵面[11]，說法不一，但仍存在控塵風(fēng)筒作用機(jī)理不清、結(jié)構(gòu)特征不明的情況。綜合研究表明：實(shí)現(xiàn)獨(dú)頭巷道掘進(jìn)工作面有效控塵的方式有半圓拱形巷道下以電機(jī)為動(dòng)力的渦流控塵裝置、低矮矩形巷道下以徑向出風(fēng)為主的柔性附壁風(fēng)筒、掘進(jìn)機(jī)機(jī)載除塵器配合供風(fēng)分流等。筆者在黃陵礦業(yè)公司低矮矩形巷道中柔性附壁風(fēng)筒的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬，提出了長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)中有效控塵風(fēng)流的作用機(jī)理——以渦量結(jié)構(gòu)為特征，并作了進(jìn)一步分析，以期對(duì)其特征進(jìn)行參數(shù)化，便于理論研究且指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。

1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用概況

黃陵礦業(yè)公司低矮矩形巷道掘進(jìn)寬度5.0 m，高度2.8 m，供風(fēng)量7.5 m3/s，供風(fēng)風(fēng)筒直徑0.8 m，采用EBZ160型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，掘進(jìn)過程中距工作面30 m范圍內(nèi)實(shí)測(cè)瞬時(shí)平均總粉塵質(zhì)量濃度最大值為1 257.5 mg/m3，粉塵污染嚴(yán)重。采用如圖1所示的長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)進(jìn)行粉塵治理。利用CCZ20呼吸性粉塵采樣器測(cè)試司機(jī)位置與掘進(jìn)機(jī)機(jī)尾5 m位置的總粉塵質(zhì)量濃度，測(cè)試結(jié)果見表1，其中原始粉塵質(zhì)量濃度ρ指的是掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中無任何防塵措施的情況；使用通風(fēng)除塵系統(tǒng)后的粉塵質(zhì)量濃度ρt指的是僅開啟除塵器，不使用附壁風(fēng)筒的情況；使用附壁風(fēng)筒后的粉塵質(zhì)量濃度ρf指的是開啟除塵器且使用附壁風(fēng)筒的情況。

圖1 黃陵礦業(yè)公司低矮掘進(jìn)工作面長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)Fig. 1 Layout of long-pressure short-extraction ventilation and dust removal system for low heading face of Huangling mining company

表1 粉塵濃度測(cè)試結(jié)果

由表1可知，長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)的作用使得綜掘工作面司機(jī)位置和掘進(jìn)機(jī)尾5 m位置的降塵效率分別為61%和66%。使用附壁風(fēng)筒后，實(shí)測(cè)的降塵效率與之相比提高了60%左右，能夠明顯改善獨(dú)頭掘進(jìn)工作面的作業(yè)環(huán)境，附壁風(fēng)筒的使用明顯提高了長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)的收塵效果，使用附壁風(fēng)筒后更多的粉塵通過吸塵罩進(jìn)入抽塵風(fēng)筒被除塵器處理(圖1)，大幅提升了獨(dú)頭巷道掘進(jìn)工作面粉塵治理效果。在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，掘進(jìn)機(jī)機(jī)身布置吸塵罩位置與巷道幫壁間觀測(cè)到由機(jī)尾向工作面運(yùn)移的風(fēng)流如圖2所示，因風(fēng)速太小，無法實(shí)測(cè)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)Fig. 2 Field observation

綜上可知，附壁風(fēng)筒作用不僅能夠提高長壓通風(fēng)除塵系統(tǒng)的粉塵治理效果，而且能誘導(dǎo)產(chǎn)生機(jī)尾向工作面運(yùn)移的新鮮風(fēng)流。這股新鮮風(fēng)流是在附壁風(fēng)筒作用下形成的除塵器與吸塵罩口之間向吸塵罩口方向運(yùn)動(dòng)的風(fēng)流，在除塵器單獨(dú)使用的情況下未見，分析認(rèn)為這部分風(fēng)流對(duì)控塵具有重要作用，即向工作面前進(jìn)的新鮮風(fēng)流，暫稱之為有效控塵風(fēng)流。

2 有效控塵風(fēng)流的作用

將附壁風(fēng)筒作用下形成的有效控塵風(fēng)流視作控制體，其模型如圖3所示。圖中Ⅰ面靠近附壁風(fēng)筒側(cè)，Ⅱ面靠近吸塵罩口(工作面?zhèn)?，因附壁風(fēng)筒與軸向供風(fēng)連通，故此區(qū)域內(nèi)風(fēng)壓視作均勻分布，無壓差，且Ⅰ面與Ⅱ面高度相同。

圖3 控制體模型Fig. 3 Control body model

根據(jù)伯努利方程式，Ⅰ面與Ⅱ面上的外力做功，動(dòng)能與勢(shì)能可表示為

(1)

因Ⅰ面和Ⅱ面高度相同，式(1)可簡化為

(2)

式中：p1、p2——Ⅰ面與Ⅱ面所受外力；

v1、v2——Ⅰ面與Ⅱ面的速度；

ρ1、ρ2——Ⅰ面與Ⅱ面斷面內(nèi)的風(fēng)流密度。

當(dāng)風(fēng)流是從Ⅰ面流向Ⅱ面，沿程無其他外力作用時(shí)，v1>v2，則p2-p1>0，p2的拉力為正，假設(shè)Ⅱ面無限接近于吸塵罩口平面，要使p2恒為正，則需要吸塵罩口(除塵器)提供的總能量大于抽吸吸塵罩口平面至掘進(jìn)工作面段風(fēng)流(不考慮粉塵質(zhì)量濃度引起的密度與體積的變化)所需的總能量。

做功分析模型如圖4所示。取吸塵罩口平面至工作面的體積微元δV，則抽吸此微元需做功為

(3)

吸塵罩將此區(qū)域的風(fēng)流全部吸入，則需做功為：

(4)

式中：V——吸塵罩口平面至工作面的總體積，取V=5.0 m×2.8 m×5.0 m=70.0 m3；

v——吸塵罩口的吸塵風(fēng)速，v=12.0 m/s；

v0——根據(jù)供風(fēng)量與供風(fēng)風(fēng)筒直徑計(jì)算得出，v0=14.9 m/s；

δm——微單元質(zhì)量，kg。

因?yàn)楣╋L(fēng)出風(fēng)方向與吸塵罩抽吸方向相反，需克服其做功；另假設(shè)吸塵罩口平面至工作面風(fēng)流為靜止風(fēng)流，v0=0 m/s。由此計(jì)算得出吸塵罩口處需滿足做功6 250～15 884 J，換算為單位時(shí)間內(nèi)功率是6.250～15.884 kW。

若不存在有效控塵風(fēng)流，假設(shè)除塵器出風(fēng)能夠完全控制風(fēng)流的向外擴(kuò)散，則按圖1所示布置的長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)(除塵器出風(fēng)口距工作面30 m)，吸塵罩口處達(dá)到同種效果需要的功率將是現(xiàn)在的6倍，吸塵罩口處所需功率為15～95 kW。而實(shí)際上圖1中除塵器配套的風(fēng)機(jī)功率為2×22 kW，除了需提供吸塵罩口的功率外，還需克服功率轉(zhuǎn)化的損失、除塵器本身的阻力及抽塵系統(tǒng)的阻力，經(jīng)測(cè)試，除塵器處理風(fēng)量為420 m3/min時(shí)，吸塵罩口處可用作對(duì)外作功的功率為9.5 kW。

圖4 做功分析模型Fig. 4 Work analysis model

上述分析表明，在做功的觀點(diǎn)下，有效控塵風(fēng)流的作用將有效降低長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)配備的除塵風(fēng)機(jī)功率，同時(shí)大幅提升長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)的降塵效率。有效控塵風(fēng)流來源于附壁風(fēng)筒的作用，附壁風(fēng)筒的結(jié)構(gòu)如圖5所示。附壁風(fēng)筒采用柔性材質(zhì)設(shè)計(jì)，長度為5 m，沿其軸向均勻布置6個(gè)徑向出風(fēng)口，單個(gè)徑向出風(fēng)口直徑為200 mm，全部使用時(shí)軸向與徑向出風(fēng)面積比為1∶1.18。

圖5 附壁風(fēng)筒結(jié)構(gòu)Fig. 5 Structure of attached wall air duct

有學(xué)者提出附壁風(fēng)筒使用后形成了控塵面，控塵面能夠阻擋工作面粉塵的擴(kuò)散，但對(duì)控塵面特征未見深入研究，且有效控塵風(fēng)流的作用未被闡明過。同時(shí)因?yàn)橹睾隙物L(fēng)速較低，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?yán)щy，為此采用數(shù)值計(jì)算作進(jìn)一步分析。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

根據(jù)黃陵一礦綜掘工作面的實(shí)際條件，建立數(shù)值模擬模型如圖6所示。模型尺寸為50.0 m×5.0 m×2.8 m。結(jié)合已有研究[12]：附壁風(fēng)筒徑向出風(fēng)夾角影響綜掘工作面長壓短抽通風(fēng)除塵系數(shù)效果，選取附壁風(fēng)筒徑向出風(fēng)夾角為30°。模型中x方向表示巷道軸向方向，以指向巷道出口方向?yàn)樨?fù)向，即工作面位置為x=50 m，巷道出口為x=0 m；y方向表示巷道寬度方向；z方向表示巷道高度方向。為清晰地對(duì)比流場(chǎng)變化，著重分析非供風(fēng)風(fēng)筒側(cè)y=1 m位置的流線變化。

圖6 數(shù)值模擬模型Fig. 6 Numberical simulation model

3.1 粉塵分布與流場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速分析

模擬了工作面正常割煤無降塵措施(工作面產(chǎn)塵，質(zhì)量流率0.03 kg/s)與使用長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)(除塵器處理風(fēng)量5 m3/s)后的粉塵質(zhì)量濃度分布情況，取行人呼吸帶高度z=1.5 m的粉塵質(zhì)量濃度分布如圖7所示。在工作面正常割煤時(shí)，粉塵擴(kuò)散至整個(gè)巷道區(qū)域，如圖7工況1所示。使用長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)后，除塵器下風(fēng)側(cè)出現(xiàn)大面積無粉塵或少粉塵區(qū)域，局部(除塵器至掘進(jìn)工作面)區(qū)域粉塵反而出現(xiàn)增高的現(xiàn)象，如圖7工況2所示。說明長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)能夠處理一部分粉塵，但對(duì)粉塵擴(kuò)散有一定的阻擋作用。

圖7 原始流場(chǎng)與應(yīng)用除塵系統(tǒng)后的粉塵質(zhì)量濃度分布Fig. 7 Original flow field and distribution of dust concentration after applying dust removal system

考慮粉塵擴(kuò)散是以風(fēng)流流動(dòng)為主，故選取模型中一段(x在25.0～50.0 m之間，y=1.0 m，z=1.5 m)監(jiān)測(cè)x方向的速度，得到如圖8所示的曲線。

圖8 x方向速度曲線Fig. 8 Speed curve in x direction

由圖8可知，在工作面25.0 m范圍內(nèi)，巷道回風(fēng)流區(qū)域(y=1.0 m)，原始流場(chǎng)中風(fēng)速均向巷道出口方向流動(dòng)(vx<0)，且風(fēng)速先增大(x=46.9 m時(shí)，風(fēng)速最大值vx=-3.1 m/s)后減小(x=25.0 m時(shí)，vx=-0.88 m/s)，這主要是受掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的影響，巷道斷面減小，風(fēng)速逐漸增大。但在掘進(jìn)機(jī)后方巷道斷面逐漸增大，風(fēng)速逐漸減小。應(yīng)用長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)后，在靠近工作面區(qū)域(x=49.4 m)出現(xiàn)了向工作面運(yùn)動(dòng)的風(fēng)流(vx>0)，但在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身周圍風(fēng)流向巷道口運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)不減，風(fēng)速明顯變小，且出現(xiàn)了小于0.5 m/s的弱風(fēng)區(qū)域。對(duì)比可知：不會(huì)出現(xiàn)圖2所觀察到的風(fēng)流在掘進(jìn)機(jī)靠近煤壁區(qū)域向工作面運(yùn)動(dòng)的風(fēng)流。

進(jìn)一步模擬了使用附壁風(fēng)筒時(shí)行人呼吸帶高度z=1.5 m的粉塵質(zhì)量濃度分布如圖9所示。與圖7相比，呼吸帶高度的粉塵擴(kuò)散范圍明顯減小(圖中藍(lán)色區(qū)域增多，粉塵區(qū)域減小，圍繞掘進(jìn)機(jī)模型以高濃度粉塵為主)；在軸徑向出風(fēng)比為1∶2的情況下，粉塵雖能被控制在掘進(jìn)機(jī)前后一定范圍內(nèi)，但粉塵聚集區(qū)域較大，綜掘機(jī)司機(jī)完全被高濃度粉塵包圍。分析原因是軸向出風(fēng)量相對(duì)較高，導(dǎo)致工作面粉塵被迅速吹到綜掘機(jī)尾部，徑向出風(fēng)無法將軸向出風(fēng)運(yùn)移攜帶的粉塵壓回至吸塵罩口前方，說明此參數(shù)不是最佳參數(shù)；在軸徑向出風(fēng)比為1∶3時(shí)，粉塵即被控制在工作面4 m范圍內(nèi)，工作面粉塵分布較均勻，司機(jī)位置處于控塵風(fēng)流的新鮮風(fēng)流中，控塵效果明顯；而在軸徑向出風(fēng)比為1∶4時(shí)，控塵范圍與軸徑向出風(fēng)比為1∶3相比稍有減小趨勢(shì)，但由于徑向出風(fēng)量的增大，軸向出風(fēng)量的減小，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)左側(cè)的粉塵進(jìn)一步積聚，由于吸塵罩口在掘進(jìn)機(jī)上偏右的位置，對(duì)巷道左側(cè)的抽吸能力有限，可能加劇局部的粉塵堆積，影響司機(jī)視線。

圖9 不同軸徑向出風(fēng)比時(shí)粉塵質(zhì)量濃度分布Fig. 9 Dust concentration distribution with different axial and radial air outlet ratios

不同軸徑向出風(fēng)比時(shí)x方向速度曲線如圖10所示。由圖10可知：軸徑出風(fēng)比為1∶2～1∶4時(shí)，在供風(fēng)回風(fēng)流區(qū)域x方向41～47 m區(qū)間出現(xiàn)明顯的向工作面運(yùn)動(dòng)的風(fēng)流(圖中虛線框所示)，與原始流場(chǎng)中x方向風(fēng)流速度曲線圖對(duì)比，風(fēng)流沿巷道運(yùn)動(dòng)的最大速度由3.1 m/s降低至0.4 m/s；風(fēng)流向工作面運(yùn)動(dòng)的速度最大可達(dá)0.7 m/s。由此可見，軸徑向出風(fēng)比越小，風(fēng)流向工作面運(yùn)動(dòng)的風(fēng)速越大。

圖10 不同軸徑向出風(fēng)比時(shí)x方向速度曲線Fig. 10 Speed curve in x direction with different axial and radial air outlet ratios

綜上可知，原始流場(chǎng)與單獨(dú)應(yīng)用除塵系統(tǒng)的情況是僅有軸向出風(fēng)，無徑向出風(fēng)的情況，可視作軸徑向出風(fēng)比為無窮大時(shí)的情況。結(jié)合軸徑向出風(fēng)比為1∶2～1∶4的模擬結(jié)果分析可得，在軸徑向出風(fēng)比減少的過程中，在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身附近一個(gè)截面內(nèi)一條線上出現(xiàn)了斷面范圍內(nèi)向工作面運(yùn)動(dòng)的風(fēng)流，不能完全說明圖2的現(xiàn)象，為此繼續(xù)分析斷面內(nèi)流線。

3.2 斷面流線分析

3.2.1 原始風(fēng)流場(chǎng)

原始風(fēng)流場(chǎng)斷面內(nèi)風(fēng)流流線見圖11。原始風(fēng)流場(chǎng)沿巷道出口方向運(yùn)動(dòng)，受局部影響出現(xiàn)渦流，按貼附射流流場(chǎng)[10]可分為射流區(qū)、回流區(qū)與渦流區(qū)，此區(qū)域分布在掘進(jìn)機(jī)工作面范圍內(nèi)，在掘進(jìn)機(jī)之后均可視為回流區(qū)(不考慮局部渦流)。風(fēng)流作為粉塵運(yùn)移的主要?jiǎng)恿?，若工作面范圍?nèi)有粉塵，粉塵在風(fēng)流作用下將向巷道出口方向快速擴(kuò)散。

圖11 原始風(fēng)流場(chǎng)斷面內(nèi)風(fēng)流流線 Fig. 11 Sectional internal air flow in primitive romantic field

3.2.2 通風(fēng)除塵系統(tǒng)(無附壁風(fēng)筒)的影響

使用通風(fēng)除塵系統(tǒng)后斷面內(nèi)風(fēng)流流線如圖12所示。長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)使用后無附壁風(fēng)筒作用時(shí)，在除塵器周圍5～10 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了渦流，但渦流前后風(fēng)流均是向巷道口運(yùn)移，無法控制粉塵擴(kuò)散。x=36 m斷面內(nèi)的風(fēng)流在巷道左上角出現(xiàn)紙繞流，其余空間內(nèi)的風(fēng)流呈現(xiàn)風(fēng)流從頂板向底板運(yùn)移的趨勢(shì)；x=25 m斷面內(nèi)的風(fēng)流流線出現(xiàn)一渦流，考慮不是物體阻擋引起的渦流，分析應(yīng)該是除塵器出風(fēng)引起的，這表明風(fēng)流在巷道軸線方向上的一個(gè)流向。

3.2.3 附壁風(fēng)筒的作用

應(yīng)用附壁風(fēng)筒后斷面內(nèi)風(fēng)流流線分布如圖13所示。

圖12 使用通風(fēng)除塵系統(tǒng)后斷面內(nèi)風(fēng)流流線Fig. 12 Sectional internal air flow after using ventilation and dust removal system

圖13 應(yīng)用附壁風(fēng)筒后斷面內(nèi)風(fēng)流流線分布 Fig. 13 Sectional internal air flow after applying attached wall air duct

在使用附壁風(fēng)筒后，y=1 m截面內(nèi)風(fēng)流流線發(fā)生了明顯改變，在距工作面5 m范圍內(nèi)的風(fēng)流是向巷道口運(yùn)動(dòng)的，而距工作面5～30 m均為向工作面運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)了控制粉塵擴(kuò)散的風(fēng)流屏障。選取x=36 m、x=25 m兩個(gè)截面內(nèi)的風(fēng)流流線分布發(fā)現(xiàn)：斷面某個(gè)位置均存在渦流，故認(rèn)為斷面內(nèi)渦流的存在是粉塵能夠被控制的關(guān)鍵。

4 渦旋及其部分特征

附壁風(fēng)筒徑向出風(fēng)沿巷道幫壁運(yùn)動(dòng)，由此在斷面范圍內(nèi)形成一個(gè)渦。因徑向出風(fēng)斷面具有一定長度，多個(gè)渦實(shí)現(xiàn)了疊加，在除塵器的抽吸作用(吸風(fēng)量、負(fù)壓等)下，渦量場(chǎng)形成渦旋，以渦旋運(yùn)動(dòng)路徑為渦管。渦流的存在被認(rèn)為是擾亂風(fēng)流的主要因素，因?yàn)槠渲車嬖谒俣炔?，為此假設(shè)附壁作用下長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)能夠形成控塵流場(chǎng)的關(guān)鍵是在每個(gè)斷面內(nèi)均自然形成一個(gè)渦流，由此形成渦管，風(fēng)流的體流線呈現(xiàn)螺旋形狀，在圖14中可得到證實(shí)。

圖14 附壁風(fēng)筒作用下徑向出風(fēng)體流線Fig. 14 Radial flow of vlume line under action of duct

初步認(rèn)為附壁風(fēng)筒供風(fēng)出現(xiàn)向工作面運(yùn)動(dòng)的風(fēng)流是長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)中吸塵罩抽吸作用的影響，為此，建立了數(shù)值模擬模型，加大了吸風(fēng)量，粉塵能夠得到部分控制，但易形成循環(huán)風(fēng)，不利于安全生產(chǎn)。繼而，模擬了不同軸徑向分風(fēng)比的粉塵控制效果，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)有較好控塵效果，不同斷面內(nèi)均出現(xiàn)了漩渦，據(jù)此提出了有效控塵風(fēng)流的渦旋作用機(jī)理，其模型如圖15所示。

依據(jù)流體力學(xué)[11]分析，要形成渦管，徑向出風(fēng)必須達(dá)到一定出風(fēng)夾角及速度；附壁風(fēng)筒應(yīng)有一定的出風(fēng)范圍；另外為了保證渦管中風(fēng)流始終向工作面運(yùn)動(dòng)，除塵器吸塵口位置應(yīng)有足夠的負(fù)壓。有效控塵風(fēng)流形成必然滿足其渦旋的行程達(dá)到吸塵罩控制范圍，其特征長度為其行程。

圖15 渦旋模型Fig. 15 Model of vortex

假設(shè)其行程為L。根據(jù)量綱分析，該物理問題可以描述為

L=f(v,A,α,ρ,μ,v′,A′,P,B)，

(5)

式中：L——有效控塵風(fēng)流特征長度；

v——徑向出風(fēng)風(fēng)速；

A——徑向出風(fēng)斷面面積；

α——徑向出風(fēng)夾角；

ρ——供風(fēng)風(fēng)流的密度；

μ——供風(fēng)風(fēng)流的動(dòng)力黏度；

v′——吸塵罩的吸風(fēng)速度；

A′——吸塵罩?jǐn)嗝婷娣e；

P——徑向出風(fēng)口位置與吸塵罩間的壓差；

B——巷道寬度。

采用線性代數(shù)[13]的初等變換與量綱分析的π定理[14]得到

(6)

式(6)給出了有效控塵風(fēng)流特征長度，即渦旋的行程表達(dá)式。式中k值需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)得。除塵器吸風(fēng)量為Q′=v′A′，徑向出風(fēng)風(fēng)量Q=vA，取比值η=Q′/Q。雷諾數(shù)Re=ρvdH/μ，水力直徑dH=4A/S，S為空氣過流斷面與供風(fēng)風(fēng)筒固體表面接觸的濕周周長，即徑向出風(fēng)口斷面周長。式(6)可簡化為

(7)

由式(7)可知，L與P、B、α、η成正比，與ρ、S、Re成反比。P、η均與除塵器抽吸作用有關(guān)，抽吸作用越強(qiáng)烈，其值越大，渦旋運(yùn)動(dòng)距離越遠(yuǎn)。

5 結(jié) 論

(1)通過對(duì)長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果的考察，分析認(rèn)為，有效控塵風(fēng)流有控制粉塵擴(kuò)散的關(guān)鍵作用。通過能量觀點(diǎn)的分析發(fā)現(xiàn)，有效控塵風(fēng)流不僅有效降低了長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)配備的除塵風(fēng)機(jī)功率，同時(shí)極大地提升了長壓短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)的降塵效率。

(2)通過數(shù)值模擬分析得到，隨著軸徑向出風(fēng)比的減小，有效控塵風(fēng)流更易形成。通過對(duì)斷面流線的分析發(fā)現(xiàn)，有效控塵風(fēng)流的存在伴隨斷面內(nèi)渦的存在，據(jù)此提出了有效控塵風(fēng)流的渦旋作用機(jī)理。

(3)通過理論分析得到了渦旋的長度特征公式，進(jìn)一步討論認(rèn)為，有效控塵風(fēng)流的渦旋長度特征與除塵器抽吸作用成正比，與密度、濕周周長及雷諾數(shù)成反比。