基于CFD的新型風幕控塵裝置的模擬研究及其應用①

李雨成 高軍軍 趙 勉 林 超 扎史尼瑪

(*遼寧工程技術大學安全科學與工程學院 阜新 123000)(**礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室 阜新 123000)

基于CFD的新型風幕控塵裝置的模擬研究及其應用①

李雨成②***高軍軍③***趙 勉***林 超***扎史尼瑪***

(*遼寧工程技術大學安全科學與工程學院 阜新 123000)(**礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室 阜新 123000)

針對傳統(tǒng)風幕控塵裝置設備多、空間小、掘進機移動不便等諸多不足之處，對其進行了優(yōu)化設計。為確保新型風幕控塵裝置的實際應用效果，指導現(xiàn)場防塵系統(tǒng)設計，確定抽出式風機風筒安設位置，依據(jù)山西某礦掘進巷道工作面1：1建立了物理幾何模型，并利用計算流體動力學(CFD)進行模擬。根據(jù)湍流模型特性及流體運動特點，選取拉格朗日法離散相模型對掘進巷道粉塵濃度分布進行了模擬分析并進行現(xiàn)場實踐。結(jié)果顯示，所選物理幾何模型參數(shù)設置合理，擬合精度達到預測要求；加裝新型風幕控塵裝置前后，粉塵濃度下降對比明顯；距底板2.1 m處安設抽出式風機風筒時，系統(tǒng)降塵效果顯著。

數(shù)值模擬， 風幕控塵， 模型， 掘進巷道， 計算流體動力學(CFD)

0 引 言

隨著高產(chǎn)高效礦井的大量建成，礦井掘進機械化程度不斷增強，綜掘面粉塵濃度也越來越高。綜掘巷道因未形成有效通風系統(tǒng)，導致大量切割粉塵隨風流攜帶飄移或折返，使粉塵濃度超標、工作環(huán)境惡化[1-3]，嚴重危害工人人身健康[4]。大量粉塵還會加速機器和設備磨損、使空間能見度降低，影響工作面的正常生產(chǎn)。

用于綜掘面粉塵防治的風幕控塵技術雖是近幾年剛剛興起[5]，但經(jīng)實踐證明，掘進面風幕控塵技術具有控降塵效果明顯、容易實現(xiàn)等優(yōu)點。國內(nèi)學者對此方面的研究主要有：張小康等[6]針對全巖巷掘進粉塵濃度高的難題，將掘進機外噴霧、空氣幕封閉除塵和化學除塵技術相結(jié)合，形成了一套適用于全巖巷高效除塵技術；王海橋等人[7]開展了綜采工作面風幕粉塵隔離技術的研究，對采取氣幕阻隔綜采面可吸入性粉塵的方法和原理進行了理論分析和現(xiàn)場實踐，提出對煤塵進行隔離分區(qū)，并推出了控制區(qū)和污染區(qū)煤塵濃度比的計算方程式；郭勝均等人[8]對空氣幕控塵的理論進行了相關研究，給出了滿足現(xiàn)場實際需求的氣幕發(fā)生器的最合理的孔口直徑、氣幕風流方向和噴孔間距；李雨成[9]開展了基于風幕技術的綜掘面粉塵防治技術研究，對綜掘面粉塵的產(chǎn)塵機理和風幕集塵原理進行分析和探討，通過實驗室及地面工業(yè)試驗對風幕的形成條件和風速衰減規(guī)律進行了研究，得出了最佳條縫寬度范圍和合理的初始風速范圍；賈進彪[10]針對綜掘面除塵提出利用高壓氣幕實現(xiàn)阻隔掘進面產(chǎn)生的粉塵向司機處擴散；聶文等[11]通過研究旋轉(zhuǎn)風幕擾動風-塵流場變化，得到距綜掘面15 m范圍內(nèi)的風流場，由紊亂轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰蜻M機司機前方形成的均勻壓向掘進工作面的風幕；蔣仲安等人[12]為解決綜采面粉塵質(zhì)量濃度較高的問題，對有附壁風筒的綜掘工作面空氣幕控塵特點進行了分析并建立了粉塵顆粒-氣體兩相流的數(shù)學模型。

國內(nèi)外針對風幕控塵展開的研究相對較少，對綜掘面風幕控塵機理的研究尚存在不足。原設計的風幕控降塵系統(tǒng)需要用壓入式風機將空氣壓入風幕壓風風筒，風流通過壓風風筒才能送入到風幕射流裝置，這樣在掘進空間就多了一趟風筒及一臺壓入式風機，設備多、空間小、掘進機移動不便，技術需要改進。本文針對原有風幕控降塵裝置帶來的附加不利條件，在結(jié)合風幕控塵設計原則[13，14]、綜掘面粉塵分布規(guī)律[15-17]和不影響掘進機空間移動與司機操作等[18，19]前提條件下，設計出一種新型風幕控塵裝置，并以山西某礦掘進巷道為原型，以現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬為手段，將巷道風流簡化為氣固兩相流[20]，對新型風幕控塵裝置的應用效果進行了分析，并針對研究對象確定了抽出式風機風筒的具體配置參數(shù)，為風幕技術在綜掘工作面的廣泛應用提供了理論依據(jù)。本研究對提高綜掘面的粉塵治理效果、改善作業(yè)面生產(chǎn)條件、抑制煤塵危害具有重要現(xiàn)實意義。

1 工程概況

山西某礦新增輔助運輸巷，掘進期間作為運輸巷道和進風巷道，服務年限約為5年，設計單巷長度為885.09m，開挖斷面為5.4m×4.0m，共21.6m2，凈斷面為5.2m×3.8m，共19.76m2，采用樹脂加長錨固錨桿組合支護系統(tǒng)，并進行錨索補強。巷道掘進采用S200MJ掘進機割煤掘進，沿煤層底板掘進，機掘全斷面，一次成巷，掘進巷道通風采用壓入式通風，總供風量為1200m3/min。粉塵由掘進工作面向整個巷道空間擴散，沿程上，在距掘進工作面50m范圍內(nèi)大顆粒粉塵快速沉降，粉塵濃度迅速下降；50m后，巷道空間大部分是小顆粒粉塵，且隨沿程增加，濃度下降緩慢；在巷道空間呼吸高度，呼吸性粉塵占總粉塵濃度的82%～89%，隨沿程增加，呼吸性粉塵比例上下波動不大，基本不變。

依據(jù)山西某礦新增輔助運輸掘進巷道實際情況建立物理模型，由于掘進工作面附近是作業(yè)強度密集區(qū)和巷道空間掘進產(chǎn)塵主要分布區(qū)，且本文主要考慮新型風幕控塵裝置的效果，因此選取距掘進工作面30m距離范圍進行計算流體動力學(computational fluid dynamics, CFD)模擬分析即可滿足需要。掘進巷道為矩形；連續(xù)相為巷道空間內(nèi)空氣(干溫度=濕溫度=14℃，壓力=102.954kPa，密度為1.242kg/m3，溫度為287K，粘性系數(shù)為1.759×10-5kg/(m·s))；離散相為掘進過程產(chǎn)塵顆粒(密度為1200kg/m3，質(zhì)量流量為0.0004kg/s，實測巷道內(nèi)風速為1.15m/s)，風流從壓風筒和風幕射流裝置進入，從抽風筒和巷道后側(cè)流出；壓入式風筒風量為1075m3/min，風速為35.67m/s，風幕出射口風速為12.04m/s。風筒及風幕射流出口風速、雷諾數(shù)、水力直徑和湍流強度見表1。

表1 風筒及風幕射流出口風速、雷諾數(shù)Re、水力直徑和湍流強度

2 新型風幕控塵系統(tǒng)

針對工程實際情況，設計了新型風幕控塵裝置如圖1(a)，與原系統(tǒng)(圖1(b))相比，新型風幕控塵系統(tǒng)去除風幕壓風風機，改用柔性風筒替換原系統(tǒng)中的風幕壓風風筒，并將巷道附壁風筒和射流箱相連，利用壓風分流原理和直接利用局部通風機提供的動力使風幕控塵系統(tǒng)形成有效風幕。

為檢驗新型風幕控塵系統(tǒng)的可行性，根據(jù)李雨成博士論文所述形成風幕條件的風量及風速(控塵需要)要求，通過現(xiàn)場考察掘進巷道中的供風管路，依據(jù)氣體狀態(tài)方程式Pv/T=C來檢驗柔性風筒末端風壓是否符合射流要求，式中P為壓力；v為風速；T為熱力學溫度；C為常數(shù)，默認不變。掘進巷道壓入式風筒吸風口壓力為108mmH2O，結(jié)合表1數(shù)據(jù)，壓入式風筒風速為35.67m/s；理論風幕最低控塵風速為5.48m/s，通過計算可知風幕出口壓力最高為788.3mmH2O，而經(jīng)現(xiàn)場實際測試，柔性風筒內(nèi)風壓為358.8mmH2O，低于最高壓力，因此供風管路可滿足風幕供風要求，由此可移除通向風幕裝置的壓入式風機等相關設備，新型風幕控塵裝置可有效減少原風幕系統(tǒng)帶來的諸多不利因素。

圖1 風幕控塵裝置示意圖

3 數(shù)值模擬

模擬采用有限元分析軟件ANSYS Fluent 14.0進行數(shù)值模擬，軟件操作界面如圖2所示。

3.1 建立物理模型

依據(jù)現(xiàn)場綜掘工作面實際情況并對模型進行合理簡化，通過CFD前置軟件Gambit建立巷道幾何模型并劃分網(wǎng)格。

3.2 設定邊界條件

(1)邊界條件設定

將模型在Gambit中進行初步設置，并將生成網(wǎng)格文件導入到FLUENT 14.0中，對所設置模型進一步設置，已滿足現(xiàn)場實際條件。設置參數(shù)見表2。

圖2 軟件操作界面

總項分項參數(shù)跟蹤參數(shù)MaxNumberofSteps7200離散相X-Velocity(m/s)0Y-Velocity(m/s)0Z-Velocity(m/s)1.15DiameterDistributionRosin-RammlerMin.Diameter(m)5e-07Max.Diameter(m)21e-06MeanDiameter(m)1.5e-06TotalFlowRate(kg/s)0.0004Density(kg/m3)1200連續(xù)相Density(kg/m3)1.242Viscosity(Pa·s)1.759e-05ReferenceTemperature(K)287條縫射流出口邊界條件VelocityMagnitude(m/s)8.79TurbulentIntensity(%)7.94HydraulicDiameter(m)0.043

(續(xù)表2)

3.3 模擬精度及結(jié)果分析

3.3.1 模擬精度及分析

為檢驗所設模型參數(shù)是否能達到模擬精度，準備工作如下：

(1)選取距掘進工作面120 m巷道長度，依據(jù)《工作場所空氣中粉塵測定》方法對巷道空間粉塵濃度進行測試；

(2)在CFD模型中對巷道模型進行氣固兩相流基本參數(shù)設置，并進行迭代(經(jīng)過200步左右計算，達到給定的收斂標準)；

(3)模擬濃度與實測濃度進行對比分析。

圖3為呼吸帶高度處(距地面1.5 m)實測總粉塵濃度與模擬值對照圖，結(jié)果顯示實際測量粉塵濃度與模擬值大體相同，趨勢一致，但存在偏差，主要是由于測試時間與掘進機工作的相對時間不確定，且數(shù)值模擬適當簡化了現(xiàn)場實際條件，但可以看出模擬值與實驗值基本一致，應用給定參數(shù)對掘進巷道粉塵濃度進行模擬研究精度可靠。

圖3 粉塵濃度數(shù)值模擬精度對比

3.3.2 掘進巷道粉塵濃度模擬分析

本文依據(jù)現(xiàn)場實際情況，以期達到良好降塵效果對比，分別對掘進巷道是否添加新型風幕控塵裝置條件下的巷道粉塵濃度分布進行模擬分析，z為距掘進面距離，y為巷道垂線方向，z與x、y均垂直。

(1)未加風幕控塵設備

在未加風幕控塵裝置情況下，依據(jù)上文所建立的幾何模型及所設邊界條件，模擬得到粉塵顆粒跡線圖(如圖4)和z為5m、10m、15m、20m、25m、30m，y為1.5m，x為2.6m(掘進巷道中間位置)處濃度分布的切片云圖(如圖5)。

由圖4和圖5可以看出由于壓入式風筒的作用，新鮮風流將風筒前部的粉塵吹散、稀釋，故在風筒側(cè)粉塵濃度較低，而另一側(cè)粉塵會在掘進機前方形成小渦旋，不利于通風排塵；同時在壓入式風筒出風口和工作面之間出現(xiàn)大渦旋，氣流運動劇烈，采掘后粉塵聚集于此并劇烈運動；掘進機司機處高濃度粉塵運動混亂，嚴重危害掘進工人身體健康。由于巷道壁與掘進機之間形成了窄縫，大量粉塵顆粒通過這個窄縫向整個巷道空間擴散，模擬顯示，風流經(jīng)過此時，窄縫處壓力會由102.954kPa下降至7.5kPa，風速達到13.89m/s。風速變大，壓強降低，形成低壓區(qū)，隨后會有更多粉塵顆粒被壓入此處。當粉塵顆粒通過低壓區(qū)后會由巷道中部分別向上和向下逐漸運移。

圖4 無風幕裝置時粉塵的跡線圖

(2)添加新型風幕控塵裝置

在加裝新型風幕控塵裝置情況下，所設邊界條件與未加風幕裝置時相同，根據(jù)現(xiàn)場掘進設備實際布置條件及環(huán)境限制，只可將抽出式風機風筒出口中心位置分別設置在距底板2.1m和3.0m處，模擬得到粉塵顆粒跡線圖(圖6)和z=5m、10m、15m、20m、25m、30m，y=1.5m處粉塵濃度分布的切片云圖(圖7)。

圖5 無風幕裝置時的粉塵濃度云圖

圖6 加裝新型風幕控塵裝置時的粉塵跡線圖

(a) 抽出式風機風筒出口中心位置距底板2.1m，z=5m、10m、15m、20m、25m、30m，y=1.5m

(b) 抽出式風機風筒出口中心位置距底板2.1m，z=5m、10m、15m、20m、25m、30m，x=2.6m

(c) 抽出式風機風筒出口中心位置距底板3m，z=5m、10m、15m、20m、25m、30m，y=1.5m

(d) 抽出式風機風筒出口中心位置距底板3m，z=5m、10m、15m、20m、25m、30m，x=2.6m

由圖6和圖7可以看出在距底板2.1m和3m處，由于抽出式風筒的抽吸作用，工作面前部粉塵濃度有明顯降低，抽出式風筒一側(cè)形成的渦旋變小，抑制粉塵擴散能力降低，大量粉塵向抽出式風筒移動，風筒帶走大量粉塵顆粒，便于粉塵有效排除。根據(jù)粉塵顆粒運動軌跡，大部分粉塵通過抽出式風筒隨風流向巷道外部運動，小部分粉塵經(jīng)風幕射流后折返回到掘進巷道空間，距巷道底板2.1m時，突破風幕射流網(wǎng)流量達到62.4mg/m3，掘進機司機前方粉塵濃度達到1.04mg/m3；距巷道底板3.0m時，突破風幕射流網(wǎng)流量達到137.5mg/m3，掘進機司機前方粉塵濃度達到2.3mg/m3，此時粉塵濃度仍超出標準值，故應采取噴霧降塵等措施配合降低巷道粉塵濃度。由圖7可以看出，在y=1.5m高度掘進機處，圖7(a)中粉塵主要沿抽出式風筒運動，圖7(c)中粉塵運動劇烈，向巷道空間逸散量加大，圖7(a)中掘進機司機處粉塵濃度要明顯低于y=3.0m處；在x=2.6m處，圖7(b)中粉塵主要集中于距掘進面20m～30m范圍內(nèi)，而圖7(d)中粉塵主要分布于距掘進面5m外的巷道空間中，粉塵分布范圍廣、濃度大。綜合圖7(a)、(b)、(c)、(d)說明新型風幕控塵裝置在距底板2.1m處控塵效果要優(yōu)于距底板3.0m處。

控制柔性風筒上的壓力表，柔性風筒內(nèi)壓力為350Pa，當風幕控塵與粉塵擴散達到平衡時，風筒及風幕射流出口風速、雷諾數(shù)、水力直徑和湍流強度見表3。

表3 系統(tǒng)平衡時風筒及風幕射流出口風速、雷諾數(shù)Re、水力直徑和湍流強度

為進一步分析新型風幕控塵裝置的位置有效性，對抽出式風機風筒距底板2.1m和3m時的巷道空間粉塵濃度進行測試對比，如圖8所示。通過圖8可以看出當抽出式風機風筒距底板2.1m時，巷道沿程各點粉塵濃度普遍要低于距底板3.0m時，利于工人身體健康；在距掘進面8m處出現(xiàn)反差，是由于工人作業(yè)，激起小范圍渦旋，造成2次揚塵所致。在掘進機前方距掘進面4.5m范圍內(nèi)，抽出式風機風筒距底板2.1m和3.0m時兩種情況對比明顯，距底板2.1m時，巷道粉塵濃度明顯低于3.0m時的濃度，利于掘進作業(yè)及人員安全。因此優(yōu)選抽出式風機風筒距底板2.1m時的風幕控塵裝置方案。

圖8 粉塵濃度相對數(shù)量級對比

4 結(jié) 論

(1)通過對比分析模擬粉塵濃度與現(xiàn)場實測粉塵濃度可知，兩者粉塵濃度運移規(guī)律基本一致，模擬精度符合要求，證實所設模型參數(shù)與數(shù)值模擬研究方法的可靠性。

(2)新型風幕控塵裝置能形成有效射流，射流出口風速能達到有效控降塵風速，風量合理。通過對比分析加裝新型風幕控塵裝置前后巷道的粉塵濃度分布可知，距掘進工作面30m范圍內(nèi)，采取新型風幕控塵裝置時，巷道降塵效果明顯，建議礦方及時加裝新型風幕控塵裝置，改善巷道工作條件，保證良好掘進工作環(huán)境及礦工的身體健康。

(3)新型風幕控塵裝置較原系統(tǒng)具有所用設備少、占用空間小等優(yōu)點，可解決原風幕控塵裝置占用空間大、掘進機移動不便等為題，同時降塵效果明顯，能較大促進掘進作業(yè)效率。

(4)模擬對比分析抽出式風機風筒安設位置，距底板2.1m時巷道空間粉塵濃度要比3.0m時相對數(shù)量級低，說明此時巷道空間粉塵濃度相對3.0m時粉塵濃度要低，同時為礦方應用新型風幕控塵裝置提出了抽出式風機風筒的合理安裝位置。

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CFD based simulation research on a new wind curtain dust control device and its application

Li Yucheng***, Gao Junjun***, Zhao Mian***, Lin Chao***, Zhashi Nima***

(*College of Safety Science and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000)(**Key Laboratory of Mine Thermal Hazard and Control of Education Ministry, Fuxin 123000)

The design of a traditional wind curtain dust control device was optimized to overcome its short comings of more equipment, little space, inconvenience in tunnel boring machine’s move, etc. In order to ensure the wind curtain dust control device’s dust removal effect in practical application， guide the dust control system’s design on the spot， and determine the draw-out fan’s setting position， a physical and geometrical model was set up according to the roadway head of a Shanxi mine with the proportion of 1:1, and the simulation was conducted by using the computational fluid dynamics (CFD). According to the characteristics of the turbulence model and fluid motion， a Lagrange Discrete Phase Model was selected to simulate and analyze the driving airway dust concentration， and the site practice was conducted. The simulation results showed that the parameters of the physical and geometrical model were selected reasonably, and the fitting precision met the prediction requirement; and the dust concentration decreased obviously after the installation of the new wind curtain dust control device， with the obvious dust-reducing effect if the extraction fans duct was installed at 2.1m from the botton.

numerical simulation, wind curtain dust control, model, driving airway, computational fluid dynamics (CFD)

10.3772/j.issn.1002-0470.2016.12.008

①國家自然科學基金(51204089)，遼寧省教育廳科研項目(L2014131)和遼寧省自然科學基金(201602355)資助項目。

2016-09-06)

②男，1978年生，博士，副教授；研究方向：礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化及粉塵防治；E-mail: lyclntu@163.com

③通訊作者，E-mail: g0903030103@163.com