煤礦掘進(jìn)機(jī)外噴噴嘴組合形式的結(jié)構(gòu)性能分析

徐曼麗

（山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司信息科技分公司， 山西 長治 046204）

引言

近年來，隨著采煤量的增加，機(jī)械功率也隨之增加，使得工作面環(huán)境越來越差。粉塵治理也給井下安全帶來嚴(yán)重隱患。當(dāng)粉塵濃度過高時，不僅會對礦工身體造成傷害，還會加速井下設(shè)備的損壞，因此粉塵治理成為當(dāng)務(wù)之急[1]。為了解決這一問題，提高降塵效率，提出了一種掘進(jìn)機(jī)新型噴嘴組合降塵方法，對井下作業(yè)環(huán)境治理具有重要意義。因此，本文將采用實驗研究的方法，研究雙噴嘴的組合形式，深入探索噴嘴組合形式在不同壓力下變化時，不同軸向間距顆粒的大小和分布范圍，為地下環(huán)境治理和掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計奠定良好的基礎(chǔ)。

1 掘進(jìn)機(jī)噴嘴結(jié)構(gòu)簡介

空氣霧化噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1 所示，噴嘴上主體與噴嘴下主體采用螺紋連接構(gòu)成了噴嘴主體。上主體采用螺紋連接加密封的方式安裝外蓋和兩個接頭，噴嘴內(nèi)部堵塞時可拆卸外蓋進(jìn)行清理，水通過下部接頭經(jīng)過上主體進(jìn)入噴嘴上蓋，氣體通過上部接頭經(jīng)上主體內(nèi)部從頂針與上主體開啟的縫隙進(jìn)入噴嘴口，風(fēng)和水在噴嘴口處結(jié)合噴射出氣霧，氣霧產(chǎn)生的氣流和霧滴可除塵、驅(qū)散瓦斯和降溫[2]。接頭小端外螺紋連接噴嘴主體，大端內(nèi)螺紋連接外部管路接頭，方便安裝和拆卸。

圖1 掘進(jìn)機(jī)空氣霧化噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

2 噴嘴結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

2.1 噴嘴結(jié)構(gòu)模型建立

本文以不同噴嘴組合下的霧化流場為研究重點。因此，主要研究外流場中液滴尺寸的變化，以及不同噴嘴組合下霧化效果的數(shù)值模擬。在建立數(shù)值模擬分析的過程中將復(fù)雜的霧化噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度的簡化[3]，如圖 2 所示。

圖2 掘進(jìn)機(jī)空氣霧化噴嘴結(jié)構(gòu)簡化分析示意圖（單位：mm）

針對研究的重點，建立了噴嘴組合幾何模型。噴嘴組合的示意圖如下頁圖3 所示。噴嘴組合式霧化的主要考慮因素是霧化流場霧滴疊加區(qū)中霧顆粒的變化。檢查相關(guān)設(shè)計圖集后，兩個噴嘴之間的距離約為100 mm。因此，噴嘴組合類型的中心距離設(shè)置為100 mm。在數(shù)值模擬過程中，霧化流場的三維有限元模型為一個直徑500 mm、高度1 200 mm 的圓柱體。噴嘴被放置在第一端面上。每個噴嘴形成的圖形的中心與端面圓的中心為相同的點，噴嘴間距為100 mm[4]。為了使霧化區(qū)域更加規(guī)律，方便測量霧化疊加區(qū)域液滴尺寸的分布范圍，噴嘴組合采用規(guī)則多邊形布局。

圖3 噴嘴布置圖

利用三維映射軟件CATIA 建立三維模型，并將三維模型導(dǎo)入ICEM 進(jìn)行網(wǎng)格生成[5]。網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格，有限元模型如下頁圖4 所示。

圖4 噴嘴有限元網(wǎng)格模型

2.2 邊界條件設(shè)置

入口邊界條件為噴嘴，噴嘴出口設(shè)置為壓力入口。由于噴嘴為自由噴嘴，出口為全出口邊界，工作面墻設(shè)置為無反射邊界條件墻，作出一定的假設(shè)，假設(shè)該煤壁是近似等溫的，沒有滑移，數(shù)值模擬采用三維單精度模擬器偶合解決對流場問題。選擇壓力旋轉(zhuǎn)霧化器模型作為霧化器模型，選擇水作為分散相[6-10]。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)噴霧除塵理論和集塵理論[11-13]，在收集2～12 μm 的粉塵時，最佳液滴尺寸為30～120 μm。采用偶合的方式對不同噴嘴組合形式在不同壓力下的霧化流場進(jìn)行了三維模擬。迭代計算之后，提取噴嘴組合形式下霧化區(qū)域中噴嘴疊加區(qū)域不同位置的粒徑。提取后，將液滴尺寸單位轉(zhuǎn)換為μm，將軸向距離單位轉(zhuǎn)換為mm。為了使表達(dá)式更加方便，噴嘴的軸向距離分別表示為 A、B、C、D、E，分別為 400 mm、600 mm、800 mm、1 000 mm 和 1 200 mm。

3.1 單個噴嘴的霧化粒度特性分析

隨著噴淋壓力的增加，霧化區(qū)域內(nèi)的液滴尺寸逐漸增大。前液滴的噴嘴尺寸隨著噴嘴軸與噴嘴之間距離的增大而增大。液滴的尺寸隨軸向距離的增大而增大。這些液滴被聚合成更大尺寸的液滴。

從圖5-1 可以看出，當(dāng)噴霧壓力為2～3 MPa 時，單個噴嘴的液滴尺寸小于1 MPa，液滴尺寸分布為38～198 μm。根據(jù)集塵理論，可以看出，單個噴嘴的液滴尺寸一般都大于液滴尺寸的最佳范圍。為了使霧化效果更加均勻，提出了噴嘴組合對霧化效果的影響。從圖5-2 可以看出，單個噴嘴的噴射壓力與液滴大小呈負(fù)相關(guān)。在相同的噴射壓力下，隨著液滴軸向距離的增大，液滴尺寸先減小后增大，液滴尺寸最小點出現(xiàn)在C 點。

圖5 單個噴嘴的粒度分布

3.2 多孔組合分析

以5 個噴嘴組合為例，對其在不同的噴霧壓力條件下的情況進(jìn)行研究，五個噴嘴組合的液滴尺寸分布如圖6 所示。

圖6 五個噴嘴組合中液滴尺寸的分布

從圖6-1 可以看出，在5 個噴嘴組合下，與其他噴嘴組合相比，液滴尺寸顯著增加。因此可以得出結(jié)論，隨著噴嘴數(shù)量的增加，5 個噴嘴組合的耗水量也隨之增加。隨著霧化空間中液滴數(shù)量的急劇增加，液滴之間的碰撞加速動能減小。由于表面張力的影響，小液滴會聚并合成較大的液滴尺寸。從圖6-2 可以看出，5 個噴嘴組合的模式與4 個噴嘴的模式相似，但最小點出現(xiàn)在C 測量點附近，與其他噴嘴組合相比向前移動?？梢缘贸鼋Y(jié)論，5 個噴嘴組合的液滴之間發(fā)生碰撞的概率也大大增加，這使得液滴的速度迅速衰減，速度較低的液滴不能相互碰撞產(chǎn)生更細(xì)的液滴。在C 點之后，液滴尺寸呈上升趨勢。

根據(jù)實際工作情況，結(jié)合噴霧除塵理論和除塵理論，當(dāng)噴霧壓力2 MPa 接近三種噴嘴組合形式時，噴霧霧化效果最好，粉塵與液滴結(jié)合效果最高。

4 結(jié)論

1）當(dāng)噴嘴組合與射流軸向距離相同時，霧化疊加區(qū)域的噴霧壓力與液滴尺寸呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)噴嘴組合形式和噴霧壓力恒定時，隨著軸向距離的增大，液滴尺寸先減小后增大。

2）噴嘴組合對改善霧化區(qū)霧化效果效果明顯。當(dāng)3 個噴嘴組合的噴霧壓力為2 MPa 時，霧化疊加區(qū)液滴尺寸最接近理論值，噴霧粉塵的理論效率最高。