旋转喷雾降尘机理分析及数值模拟研究_马慧波.pdf

旋转喷雾降尘机理分析及数值模拟研究 马 慧 波 （晋煤集团泽州天安恒源煤业有限公司 ， 山西 晋城 048000 ） 摘要 煤矿井下粉尘严重危害作业人员的身体健康，降低粉尘浓度对于矿井的安全生产十分必 要。 本文通过对旋转喷雾降尘机理进行分析， 并采用数值模拟的方法分别对巷道风流场分布特征、 粉 尘浓度分布特征及旋转喷雾粒径分布特征进行分析， 结果表明采用旋转喷雾的方法可以有效降低粉 尘浓度。 关键词 旋转喷雾 ； 粉尘浓度 ； 风流场 ； 煤矿 中图分类号 TU443文献标志码 A文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0089-03 Mechanism Analysis and Numerical Simulation of Dust Removal by Rotary Rpray MA Huibo （Jin Coal group Zezhou Hengyuan Coal Industry Co., Ltd. , Jincheng 048000 ，China ） Abstract Dust in coal mine seriously endangers the health of workers. It is necessary to reduce dust concentration for the safe production of coal mine. In this paper, the mechanism of rotary spray dust reduction is analyzed, and the numerical simulation is used to ana- lyze the distribution characteristics of the airflow field, the distribution characteristics of dust concentration and the particle size distribu- tion characteristics of rotating spray. The results show that the of rotating spray can effectively reduce the dust concentration. Keywords rotary spray ; dust concentration ; airflow field ; coal mine 0引言 煤矿井下综采、 掘进等工序作业时会产生大量 粉尘，粉尘浓度过高严重危害井下人员的身体健 康， 甚至导致粉尘爆炸事故的发生[1,2]。因此， 降低粉 尘浓度对于矿井的安全生产十分必要。 马素平等[3]通过对回风巷中影响粉尘沉降效 率的因素进行分析， 结果表明水雾粒径越小降尘效 率越高， 降尘效率主要取决于供水压力大小； 周刚 等[4]基于动力学理论推导出颗粒相应力的表达式， 并采用数值模拟的方法对工作面粉尘浓度的分布 规律进行分析， 其结果用于液压支架喷雾降尘装置 的优化设计； 程卫民等[5]对高压喷雾降尘机理进行 分析，并推导出雾化捕捉最小粉尘粒度的解析式， 并通过实验的方法对不同压力下雾化粒度进行测 定， 得出粒径随压力增大雾化粒度变小的结论。 虽然目前一些学者对煤矿喷雾降尘技术做了 一定的研究， 但由于煤矿对于改善作业环境、 确保 安全生产的迫切要求， 仍有诸多问题需要研究。本 文以恒源煤业 151209 巷为工程背景，采用理论分 析和数值模拟的方法对旋转喷雾降尘方法进行研 究， 研究结果具有一定的应用价值。 1工程概况 恒源煤业隶属于晋煤集团， 井田位于泽州县东 北， 井田面积 5.32km2， 主采 15 煤层， 核定生产能 力 60 万 t/a。151305 工作面推进长度 270m， 煤层平 均厚度 2.75m， 平均倾角 8， 采用综采一次采全高 采煤法。151209 巷（运输顺槽） 采用矩形断面， 宽 4.0m， 高 2.8m， 运输皮带在运煤过程中产生大量粉 煤尘， 并随风流四处飘散充满整条巷道， 因此急需 采取喷雾降尘措施。 2旋转喷雾降尘机理分析 依据旋转理论[6]， 旋转喷雾的状态与旋转初始 速度及旋转方式有极大的关系。旋转速度的差异导 致流场内压强分布不同， 使得喷雾在做螺旋运动时 还向四周扩散形成紊流作用， 因此其扩散角相对较 大， 增大了喷雾的扩散范围， 同时喷雾吸附粉尘的 性能相应提高。旋转切向速度较大， 使得流场中心 压力降低形成低压区， 低压区导致场内流体的回流 现象， 并且其离心力吸引周围小颗粒粉尘。 旋转喷雾的雾化过程是不同相态间相互耦合 的过程， 雾化本质是雾化介质在离开喷嘴后受到空 气剪切力与表面张力的作用， 使其破碎形成细小液 滴的过程， 包括两次雾化过程 第一次雾化为雾化 介质离开喷嘴形成细小颗粒成雾的过程， 第二次雾 化为喷雾与环境介质继续作用， 形成超细化喷雾的 过程。 旋转喷雾降尘包括 ①碰撞捕捉 小粒径粉尘 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 89 ChaoXing 在原运动惯性的作用下与旋转喷雾发生碰撞被捕 捉； ②截留作用 当旋转喷雾与小粒径粉尘群间距 极小时， 由于喷雾间的引力和表面力作用， 使得粉 尘群被阻碍截留； ③扩散作用 小粒径粉尘受空气 流场作用相互碰撞， 做不规则的布朗运动， 与旋转 喷雾发生碰撞被捕捉。 3旋转喷雾降尘模拟研究 3.1模型的建立 采用 ANSYS 软件对旋转喷雾降尘进行建模， 建 立模型时依据含有粉尘的空气流在巷道中不同的 运动分布情况以及风流场与喷射源的耦合作用。为 更好地模拟喷雾降尘过程， 作如下假设 1） 风流为不可压缩的理想状态； 2） 巷道侧壁摩擦系数相同； 3） 忽略温度的影响， 不考虑风流间的热交换作 用； 4） 忽略除重力以外其它作用力对环境场的影 响。 建立的旋转喷雾降尘模型主体包含粉尘源、 喷 嘴及巷道三部分，其中粉尘源为圆锥台，根据 151209 巷情况， 建立巷道模型长 30.0m， 宽 4.0m， 高 2.8m， 模型如图 1 所示。 图 1有限元模型 将建立的模型代入 Fluent 计算流体力学软件 中， 考虑重力的影响 g9.8m/s2， 其中湍流模型选择 k- ε 双方程模型， 进口边界类型为 Velocity Inlet， 出 口边界类型为 Outflow，巷道壁设置为不捕捉粉尘 Reflect， 并进行相关参数的设定， 见表 1。 表 1参数设定 根据旋转喷雾降尘模拟系统设置要求， 在巷道 端部设置粉尘源， 参数设定见表 2。 表 2粉尘源参数设定 3.2巷道风流场分布特征 在巷道掘进时， 风流场的分布特征对于粉尘的 运动规律十分重要， 对模型结果进行分析， 图 2 为 稳流时的速度矢量图。分析可知， 当风从端部流入 巷道后， 风速发生突变， 从 5m/s 降低到 1.1m/s ， 从 而使得风流变化较复杂发生紊乱； 在巷道前部风速 逐渐减小并产生分层现象， 且巷道下部风速明显较 大； 巷道中部风流在顶部喷嘴喷射旋转喷雾后发生 扰动， 风流场的风速急剧增大， 之后巷道后部风流 逐渐趋于稳定。 图 2流速矢量图 为分析风流场在巷道断面的分布情况， 分别选 定 x- 2m、 0m 和 2m 三个断面，图 3 为三个断面的 风速云图。可以看出， 在巷道竖直方向风流以一定 角度流入， 并迅速分成上下两层， 在在巷道前部风 速较小， 经过中间顶部喷嘴喷射旋转喷雾后， 形成 低速涡流低压区， 且风流方向发生偏移。在 x- 2m 处， 巷道上部风速较大， 且由于初始稳流的回流影 响使得该处风速在三个断面处最大； 在 x0m 处， 受 中部喷雾作用的影响，风速呈先增大后减小的规 律，先由稳流时的 3.4m/s 降至喷雾阻碍作用时 0.7m/s， 后又升至 6.1m/s； 在 x2m 处， 巷道前部稳流 段风速扩散较紊乱， 之后风流分布均匀， 风速保持 在 2.0m/s 附近。 （a ） x- 2m（b） x0m（c ） x2m 图 3风速云图 3.3粉尘浓度分布特征 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 离散相模型参数边界条件参数 耦合频率10水力直径1.0m 步长5湍流强度2.5 步数10000DPM条件Wall 阻力特性球形颗粒剪切条件NoSlip 粉尘源类型面喷射粒径Rosin- Rammler 分布 材质挥发粉煤分布指数1.9 密度1560kg/m3喷射流数10 Min 粒径110-6m初始速度0m/s Max粒径210-4m流量0.006kg/s 90 ChaoXing 在巷道掘进时， 粉尘颗粒随风流四处运动， 图 4 为巷道粉尘分布云图。可以看出， 沿巷道走向粉尘 浓度分布有较明显的分布差异， 按其浓度可以划分 为高浓度、 中浓度、 低浓度三段。高浓度段发生在巷 道端部粉尘源发射区域， 在粉尘源发射后， 粉尘浓 度极高， 在巷道端部迅速扩散浓度略微降低， 因受 风流压力和速度的影响， 使其在巷道端头局部产生 涡流现象， 同时由于重力作用使得粒径较大的粉尘 向巷道底板侧偏移， 浓度最大约为 1000mg/m3。中浓 度段发生在巷道前中部区域， 该区域粉尘浓度逐渐 减小， 分布较均匀， 同时由于巷道中间顶部喷雾的 阻碍作用， 使得前中部粉尘较难继续向巷道后部扩 散形成绕流。低浓度段发生在巷道后部区域， 经喷 射旋转喷雾影响， 使得原小粒径粉尘的运动路线发 生较大偏移形成紊流，致使巷道后部粉尘浓度较 小， 低至约 100mg/m3， 表明旋转喷雾可以有效降低 粉尘浓度。 图 4粉尘浓度分布图 3.4旋转喷雾粒径分布特征 旋转喷雾的粒径分布特征与喷射压力、 速度及 喷嘴设计有很大关系， 较好的雾化过程可以提高喷 雾覆盖范围及分散度。为分析旋转喷雾的粒径分布 特征，选定喷嘴压力 2MPa 时的雾化效果进行模拟 分析， 粒径分布如图 5 所示。可以看出， 在旋转喷雾 后， 水雾沿喷射嘴呈放射性分布， 距离喷嘴越近压 力越大雾化扰动越明显， 喷雾分布较均匀， 粒径尺 寸范围为 60μm～448μm，其中 200μm～300μm 尺 寸的水雾最多， 且水雾的覆盖面积广、 粒径较小。 4结论 1） 受巷道中部旋转喷雾的作用， 风流场发生扰 动， 风速急剧增大， 之后在巷道后部风速趋于稳定； 2） 沿巷道走向粉尘浓度分布有较明显的分布 差异， 按其浓度可以划分为高浓度、 中浓度、 低浓度 三段； 3） 旋转喷雾覆盖面积广、 粒径较小， 可以有效 降低粉尘浓度。 图 5喷雾粒径分布图 参考文献 [1] 佟瑞鹏,翟亚兵,刘欣,等.煤矿全生命周期粉尘健康损害 评价方法[J].中国安全科学学报,2013,23 （10） 126- 131. [2] 杨志祥. 采煤工作面粉尘防治技术探讨 [J]. 煤炭工程, 2016,48 （S1） 72- 74. [3] 马素平,寇子明.喷雾降尘机理的研究[J].煤炭学报,2005 （03） 297- 300. [4] 周刚,程卫民,陈连军,聂文.综放工作面粉尘浓度空间分 布规律的数值模拟及其应用[J].煤炭学报,2010,35 （12） 2094- 2099. [5] 程卫民,聂文,周刚,等.煤矿高压喷雾雾化粒度的降尘性 能研究[J].中国矿业大学学报,2011,40 （02） 185- 189206. [6] 马胜利,刘亚力.掘进工作面高压喷雾降尘的机理分析[J]. 煤矿机械,2009,30 （08） 88- 90. 作者简介 马慧波 （1983-） ， 男， 山西省长治市人， 2006 年 7 月毕业 于山西煤炭职业技术学院通风与安全专业，注册安全工程 师， 现从事安全管理工作。 （收稿日期 2019- 7- 24） 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 91 ChaoXing