液压支架负压除尘器引射筒内部流场特性研究

翟国栋，杨 幸

(中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院，北京 100083)

煤矿井下进行掘进、采煤、运输等操作都会产生大量的粉尘，严重影响矿井的生产环境，有效降低粉尘浓度是井下安全作业的重要环节[1，2]。当前矿井内应用较多的为煤层注水、喷雾降尘、泡沫除尘及除尘器除尘等多种除尘技术[3，4]。目前国内安装于液压支架上的降尘设备主要以喷雾降尘为主，其存在喷水装置流量偏低，除尘效率低的问题[5]。为提高除尘效率，提出了一种安装于液压支架的引射流负压除尘器[6]。本文针对负压除尘器引射筒内部的流场特性问题，基于FLUENT软件建立了负压除尘器内部流体仿真模型，得到了不同参数下的流场云图，通过仿真分析对比，优化了负压除尘器的关键参数，为提高负压除尘器的除尘效率提供了基础。

1 负压除尘器的工作原理

为了提高空间利用率和除尘效率，将负压除尘器安装于液压支架尾梁处[7]。负压除尘器主要由集气罩、喷水装置、引射筒和折流分离器四个部分组成。

负压除尘器的工作原理如图1所示，经过井下泵站加压的水通过管道输送到喷水装置时，特制的喷嘴将水的压力能转化为动能，喷出时形成雾化的高速水射流。由伯努利定律可知流速的增大伴随压力的降低，在喷嘴出口处，高速流动的水射流附近会产生低压区，在压差作用下形成吸附作用[8]。同时由于存在雾化角，水流呈伞雾状布满整个引射筒并高速前进，形成活塞效应，产生二次负压。含有煤尘的空气在负压作用下从集气筒处被吸入，由于集气筒呈收缩状，由文丘里效应知，含有煤尘的空气经过缩小的截面时，流速增大。含煤尘的空气在引射筒内前进的过程中，粗大的煤尘颗粒在重力和惯性碰撞的作用下沉降，而微细的煤尘与水雾混合被捕捉，向前高速推进，在折流分离器作用下被处理过的空气和含尘废水分别从折流分离器的上部和下部排出。

图1 负压除尘器的工作原理示意图

2 负压除尘器引射筒内影响除尘的因素

高压水从喷水装置的喷嘴喷出，喷嘴处卷吸作用所形成的负压流场对整个装置的除尘效率起着极其重要的影响。为了有效地降低整个工作面的煤尘浓度，必须尽可能地增强射流喷嘴处的卷吸干扰作用，这可通过以下两个途径来达到[9]：①增大喷管喷射端出口的雾气射流的出口速率；②控制合理的气液比，在尽可能大的水流量下，增大出口处水射流的动压。

喷嘴的结构模型如图2(a)所示，喷嘴的内部结构为内旋子式旋芯，旋芯的外表面为螺旋槽形状，中心开有直通孔[4]。当外部高压水进入喷嘴时，分成多股水流，一股沿直通孔前进，其它几股水沿着螺旋沟槽旋转前进，从而增加水流的紊流度。多股水流在喷嘴出口处的锥形混合区内相遇并混合，由于水流内部湍流作用以及外部气体的扰动，加之液体表面的张力等作用下使水流破碎、变形，形成圆锥形水雾的初次雾化；高速水雾由喷嘴喷出后，会在喷嘴周围形成负压而吸入周围的空气，形成引射流，同时，高速水雾与低速空气之间存在很大的速度差，从而形成高速水雾与低速空气之间的复合涡流运动，完成液体的第二次雾化。喷嘴的简化模型如图2 (b)所示，P1、v1分别为进口液体的压强和流速，P2、v2为出口液体的压强和流速。在忽略高压水的粘度和压缩性的情况下，可根据伯努利方程：

图2 喷嘴模型

式中，ρ为液体的密度；h1为进口液体高度；h2为出口液体高度。

由于进口和出口在同一轴线上，由式(1)有：

式中，ΔP为液体进口和出口的压力差。

由进口和出口的液体流量相同，有：

Q=ρv1A1=ρv2A2

(3)

式中，A1为进口截面面积；A2为出口截面面积。

将式(3)带入式(2)可得：

式中，D1、D2分别为进口和出口截面圆直径。

由式(4)可知，在喷嘴进口管径D1和进口流体压强一定的情况下，出口流量Q与喷嘴出口管径D2和出口流体压强有关。

喷水压力影响雾流的有效射程及形状，低压喷射时，其初期喷出的雾流由于空气阻力分散成具有很高喷射速度的雾滴，水雾密集，重力影响较小，距离喷嘴口一段距离时，由于空气阻力作用，速度减慢，开始沉降，此时的雾滴已经没有足够的能量捕集粉尘，降尘效率极低。根据雾滴降尘能力将靠近喷嘴口处的区域称为有效作用区，远离一段距离的区域称为衰减作用区，如图3(a)所示。

图3 不同喷雾压力下的雾流状

高压喷射时，从喷水装置喷出的高压水射流经过很短的圆锥段距离就形成雾滴并产生具有卷吸作用的气流，能够把含煤尘空气卷吸进入雾滴区内，并使其沉降。雾流在高压作用下快速前进，其速度远大于沉降速度，不会出现明显的衰减区，且高流速带走了周围大量的含尘气流，雾流附近空气缺失，边界负压值增高，进而产生较为强烈的卷吸作用。如图3(b)所示，圆锥段雾流缩短，后面由圆柱段雾流取代，喷雾压力的增大提高了雾化程度，增加了圆柱段的长度，延长了粉尘与雾流的相互作用距离，有利于喷雾的降尘效果。

此外，由于负压除尘器安装在液压支架上，工作空间有限，负压除尘器引射筒的长度和直径都受到一定的限制。因此，当除尘器引射筒的长度和直径因空位问题取极限值时，喷嘴安装位置影响流场有效的“圆柱段”长度(图3(b))，除尘器的除尘效果与喷嘴的安装位置有关。综上，整个引射筒内的降尘效果与喷嘴出口管径、喷嘴出口处流体压强和喷嘴安装位置有关。

3 FLUENT流场模拟分析

3.1 FLUENT模型建立

负压除尘器的三维结构如图4所示。将模型导入FLUENT软件，网格划分时去掉在整个模型中存在对分析结果影响小或者影响结果可忽略的部分，保留集气筒、引射筒和折流分离器这三个能影响流场变化的计算区域。本文在多相流模型中选择VOF模型，在湍流模型上选用RNGk-ε模型。

图4 负压除尘器结构示意图

3.1.1 气相流场的边界条件

对于壁面边界条件，取引射筒内端面为固定壁面，并设置为无速度滑移和无质量渗透的条件，即设置相对于引射筒壁面的气流的切向分速度和法向分速度为零。对于入口边界条件，将集气罩入口设置为气流速度进口，参数为3.7m/s，出口处考虑回流的影响，设为压力出口。

3.1.2 离散相流场的边界条件

对于壁面边界条件，在引射筒内壁面采用反射(reflect)边界条件，煤尘和雾滴在此处反弹而发生动量变化，变化量由弹性恢复系数确定。法向恢复系数en和切向恢复系数et分别为颗粒与边界碰撞后法向动量和切向动量保留的比例：

式中，v1，n、v2，n分别为碰撞前后颗粒的法向速度分量；v1，t、v2，t分别为碰撞前后颗粒的切向速度分量。壁面的离散相边界条件为reflect，恢复系数默认为1.0。

对于入口边界条件，在DPM模型中选择breakup破碎模型，建立injection，设置射流源的相关参数，具体情况见表1。

表1 仿真参数设置

对于出口边界模型，在除尘器出口取escape边界，即颗粒保持原来的速度移动到计算区域以外，其颗粒轨迹计算在边界处终止。

3.2 模拟结果分析

负压除尘器的自变量有三个：一个是水压，将压力模拟值分别设置为8MPa、10MPa、12MPa；一个是喷嘴直径，将喷嘴直径分别设置为1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm；另一个是喷嘴位置，将喷嘴位置距集尘罩左端面的距离分别设置为400mm、500mm、600mm、700mm。

3.2.1 水压对喷雾浓度的影响

改变水压参数，得到负压除尘器喷雾浓度分布如图5所示。从图5可以看出，水自喷嘴喷出以后形成了一个近似锥形的喷雾，由于引射筒直径较小，喷雾与壁面碰撞后反弹，在喷嘴右侧断面内整体浓度逐渐增大，水雾在引射筒内的分布面积也逐渐增大。

图5 不同水压的喷雾浓度云图

引射筒出口处横向直线的喷雾浓度分布如图6所示，水压为8MPa时，引射筒出口处最大雾滴浓度相对于10MPa和12MPa时较低，且负向末端的雾滴浓度高于正向末端的浓度，出现明显的沉降现象。压力为10MPa时，最大雾滴浓度显著增加，且正负两个方向末端位置的喷雾浓度相差不大，说明其水平方向的运动速度远大于沉降速度，不会出现明显的衰减区。水的入射压力增加到12MPa时，喷雾的分布面积增大，靠近壁面处的雾滴浓度有所增加，加强了水雾的活塞作用。

图6 不同水压引射筒出口处横向的喷雾浓度分布图

不同水压轴线处压力的变化如图7所示，对比分析可以发现，随着水射流喷射压力的增加，集气罩入口处的气体压力减小，在喷嘴附近形成逐渐增强的负压，负压越大，其卷吸含尘空气的能力越强，除尘效果越好。

图7 不同水压轴线处压力变化

因此，为了增加雾滴降尘能力，缩短喷雾的衰减作用区，应适当增加水的喷射压力，考虑到水的排放问题，水压不能过大，喷射压力12MPa为最佳喷嘴入射压力。

3.2.2 喷嘴直径对喷雾浓度的影响

压力相同时，不同直径喷嘴雾滴粒径分布如图8所示。由图8可知，在相同的水压下，随着喷嘴直径的增加，水射流形成的雾滴粒径也逐渐增加。喷嘴直径为1.0mm时雾滴粒径整体都比较小，当喷嘴直径为1.5mm、2.0mm、2.5mm时，粒径分布范围相似，且粒径比较均匀。雾滴粒径越细，越有利于呼吸性粉尘的捕集[10]。因此在喷雾降尘时，为保证呼吸性粉尘的降尘效果，喷嘴直径不能过大。

图8 不同喷嘴直径对应的雾滴粒径分布图

雾滴浓度分布如图9所示，喷嘴直径为1.0mm时雾滴浓度最小，喷嘴直径为1.5mm的雾滴浓度能够达到的最大值接近喷嘴直径为2.5mm时的雾滴浓度。在实际操作中，考虑到蒸发现象，雾滴直径不能太小，浓度越大含尘气体与雾流接触面积越大，降尘效率越好[11]，因此喷嘴直径为1.5mm更符合喷雾降尘的需要。

图9 不同直径喷嘴雾滴浓度云图

3.2.3 喷嘴位置对含尘气流速度的影响

不同喷嘴位置轴线处气体速度变化如图10所示，由图10可知，当气体进入引射筒时，由于气流运动的横截面积减小，速度急剧增大，并在引射筒左端面的位置达到一个暂时的稳定值，气体速度为29.83m/s，气流继续向右运动，速度略有降低，在喷嘴处受负压影响，速度再次增加，达到最大值，根据喷嘴位置(距离集尘罩断面的距离分别为400mm、500mm、600mm和700mm)的不同，气流的最大速度分别为34.73m/s、35.43m/s、34.94m/s和35.07m/s。到达喷嘴处后，由于喷雾的卷吸作用，气流水平速度再次迅速增加，达到流场内的最大速度。当气流与喷雾流接触时，因液体速度小于气体速度，且在液体的雾化作用下使气体的动能转化为液滴的动能，气体速度将会有所减小，气液间进行更充分地相互作用，近似于同质流动，速度趋于稳定。

图10 不同喷嘴位置轴线处气体速度变化

当喷嘴处于前部分时，合适的气液速度差使气液间更充分地相互作用，引射筒处的速度场分布更加均匀[12-15]。当喷嘴在400mm处时，雾滴与含尘气体混合后能更快进入稳定状态，因此最佳喷嘴位置为距离集气罩断面400mm处。

4 结 论

本文通过分析负压除尘器引射筒内部影响除尘效率的主要因素，在FLUENT软件中搭建了负压除尘器内部流体模型。得到不同条件下除尘器内部流场的分布情况和物理数据。结论如下：

1)引射筒出口处的DPM浓度明显大于出口两侧的DPM浓度。随着喷嘴水压增加，喷雾的分布面积增大，靠近壁面处的雾滴浓度增加，水雾的活塞作用得到加强。

2)喷嘴水压越大，集气罩入口处的气体压力减小，在喷嘴附近形成逐渐增强的负压，其卷吸含尘空气的能力增强，除尘效果越好。但考虑到能耗和水的排放问题，水压不能过大。

3)在相同的水压下，随着喷嘴直径的增加，水射流形成的雾滴粒径也逐渐增加。但雾滴粒径越大，除尘效果越差。为保证呼吸性粉尘的降尘效果，结合水的蒸发现象，喷嘴直径应在避免蒸发现象的情况下尽可能选小。

4)含尘气流在进入引射筒后速度逐渐增加，并在引射筒左端面的位置达到一个暂时的稳定值，由于喷雾的卷吸作用，在喷嘴处气流速度达到最大值，随后经过气液间的相互作用，速度下降并趋于稳定。

通过分析对比，得到负压除尘器的最佳参数是水压12MPa，喷嘴直径为1.5mm，最佳喷嘴位置为距离集气罩断面400mm处。在最佳参数下，喷嘴出口处的负压效果最好，引射筒内的雾滴径粒细，捕尘效果好，有效捕尘作用区增大，增强了负压除尘器的除尘效果。相关参数的优化为负压除尘器的参数设定和结构设计提供依据。