综掘工作面湿式除尘条件下尘雾耦合数值模拟

杨泽安，王义亮

（1.太原理工大学机械与运载工程学院，山西太原 030024；2.煤矿综采装备山西省重点实验室，山西太原 030024）

目前，煤炭作为主要能源，每年的煤矿产量需求仍在不断增长，地下煤矿产量占据总煤矿产量的95%，与此同时，地下采掘设备的机械化、自动化程度不断提高，也造成了在综掘设备工作时，大量煤尘在综掘工作面产生。近年来已有许多长期从事煤矿井下的工作人员罹患尘肺病。因此，对于煤矿综掘工作面的除尘研究极为必要，分析风流、煤尘以及喷雾液滴在综掘巷道内的运移规律为后续在巷道内的防尘措施布置提供了理论指导。许多学者从理论和实际情况下研究了煤尘在综掘工作面的运移规律。蒋仲安、陈举师等人研究了掘进巷道在长压短抽通风系统下优化参数的数值模拟[1-2]；周智勇、王凯等人研究了改变风筒相关参数对粉尘分布规律的影响[3-4]；张义坤等人研究了在巷道内加入了附壁风筒以及改变附壁风筒相关参数对粉尘分布规律的影响[5]；董军、胡胜勇等人使用Fluent 软件模拟了各种条件下煤尘运移规律[6-9]；陈曦等人研究了喷雾捕尘技术的数值模拟[10-11]。为此，针对目前已有文献，考虑在气固二两流研究上加入喷雾，研究在联合使用湿式除尘器和附壁风筒的长压短抽通风系统下的粉尘以及喷雾在风流作用下的分布规律。

1 数学模型

1.1 气相的欧拉连续运动方程

综掘工作面的气相流体被认为是影响煤尘颗粒和喷雾液滴的主要作用流体，通过建立欧拉连续相方程可以用来描述气流的运动方程，对于高雷诺数模型选用k-ε 模型较为合适。因此，选用标准化的k-ε 模型及运移方程。

k 方程：

式中：ρ 为连续相气体的密度，kg/m3；k 为湍流动能，m2/s2；t 为时间变量，s；ui为连续相在i 方向上的速度分量，m/s；xi、xj分别为x、y 方向上的坐标，m；μ 为流体动力黏度系数；μt为湍流动力黏性系数；σk为与湍流动能对应的普朗特数；Gk为由层流剪切力变化所产生的湍流动能，m2/s2；Gb为由浮力产生的湍流动能，m2/s2；ε 为湍动能耗散率，m2/s3；YM为可压湍流波动膨胀对总耗散率的影响；SK为用户自定义源相。

ε 方程：

式中：σε为与湍流耗散率相对应的普朗特数；C1ε、C2ε、C3ε为在Fluent 中默认的经验常数，分别取1.44、1.92、0.09。

1.2 离散相颗粒受力方程

在使用计算颗粒的运动时，是在拉普拉斯坐标系下通过对粒子间相互作用的微分方程进行积分以求解离散粒子运动轨迹。在风流的作用下，对于单个煤尘颗粒理论上存在许多变化的力，理论上，这些力包括重力、曳力、萨夫曼升力、马格努斯力、巴塞特力、压力梯度力、附加质量力以及热泳力。结合软件发现部分力可以忽略不计，因此仅考虑颗粒受到重力、曳力、浮力和萨夫曼升力。在以牛顿第二运动定律的基础下结合各力建立如下的受力方程：

式中：up为颗粒的运动速度，m/s；t 为时间，s；FD为曳力，N；u 为气流的运动速度，m/s；g 为重力加速度m/s2；ρp为颗粒密度，kg/m3；Fs为萨夫曼升力，N。

式中：dp为颗粒直径，m；CD为曳力系数；Re 为雷诺数。

式中：a1、a2、a3分别为光滑球形颗粒系数。

2 几何模型

2.1 几何模型建立

依据某煤矿巷道内综掘工作面及主要设备布置情况，使用Solidworks 建立几何模型，掘进工作面几何模型如图1。

图1 掘进工作面几何模型Fig.1 Geometric model of tunneling face

综掘工作面为宽5 m、高5 m 的半圆拱形，巷道长度30 m；掘进巷道内设备包括掘进机（EBZ260）、桥式转载机、刮板输送机、湿式除尘器（HCN400）、压力风筒、抽风筒和附壁风筒。由于部分设备过于复杂不利于网格划分及运算求解，故简化为如图1 中相对应设备。掘进机简化为长12 m、宽3 m、高3 m的简易模型，掘进机截割头简化为1 个长为1 m 的圆台；压风筒直径为0.8 m；抽风筒直径为0.6 m；附壁风筒根据实际模型简化为侧面有径向出风条隙的直径为0.8 m 的圆筒，径向出风条隙在圆筒朝向掘进巷道内侧的180°范围内交替分布，条隙间间隔0.1 m，条隙宽0.05 m，条隙长为圆筒半周长的1/3。压风筒出风口圆心距离底板3 m，距离侧壁0.7 m，出风口距离掘进工作面7 m；附壁风筒距离掘进工作面24.5 m；抽风筒吸风口圆心距离底板2.55 m，距离侧壁1 m，吸风口距离掘进工作面3.7 m。

2.2 网格划分

完成综掘工作面各设备模型建模后，使用ICEM进行非结构化网格划分，并对局部接近的面细化网格，同时光整化网格，最终得到网格，网格质量高于0.3，符合计算条件。几何模型网格及边界条件如图2。划分网格时，将压风筒出口定义为速度入口1，将附壁风筒径向出风条隙定义为速度入口2，将抽风筒出口定义为速度出口，将巷道后壁面定义为压力出口。

图2 几何模型网格及边界条件Fig.2 Geometric model mesh and boundary condition

3 边界条件及相关参数

根据实际综掘工作面工作条件，选用连续相与离散相耦合的方式进行仿真。首先对连续相参数进行设定，对求解器进行相应设计如下：时间模式采用瞬态计算模式；启用湍流模型并选择标准kepsilon 模型。离散相主要参数设定见表1。

表1 离散相主要参数设定Table 1 Main parameters setting of discrete phase

完成煤尘离散相设置后，将底板和速度出口的边界条件设为捕捉，速度入口1 和速度入口2 边界条件设为逃逸，其他边界条件均设为反弹。接下来继续对喷雾进行设置，喷雾主要参数见表2。

表2 喷雾主要参数Table 2 Main parameters of spray

根据实际工作情况对出入口速度进行设置：掘进巷道的供风量设计约为400 m3/min，HCN400 的设计吸风量为350 m3/min，为保证附壁风筒径向出风口的出风量在巷道内形成有效的风流场，同时在轴向出风口仍然有少量风流出流，根据相关文献研究设置附壁风筒径向流量比约为90%，设置速度入口1 流速为1.5 m/s，设置速度入口2 流速为13 m/s，设置速度出口流速为-20 m/s。

4 仿真模拟结果

4.1 风流数值模拟结果

颗粒在巷道内的运动主要受到风流的影响，对综掘巷道内的风流运动进行分析有助于了解煤尘颗粒在风流影响下的运移规律。风流场流线图如图3。

图3 风流场流线图Fig.3 Wind flow field streamline diagram

从图3 可以看出，在综掘巷道前端，风流场主要为从速度入口1 流出的气流，从压风筒出风口流向掘进工作面，其中压力出口喷出的高动量气体沿着巷道方向前进。随着风流的沿程损失逐渐增加，风流速度逐步减小形成速度梯度，部分低速气流在抽风筒的负压下被吸入抽风筒，其余高速风流在综掘工作面处发生碰撞反弹，反弹后大部分风流在负压风筒的负压作用下被吸入抽风筒，剩余的风流脱离负压作用，沿着巷道向后方流动，之后风流再次由于负压吸入抽风筒。在掘进巷道后段附壁风筒处，可以发现从附壁风筒径向出风条隙速度入口2 流出的风流在附壁风筒这个横向截面内形成大范围风幕，这部分风流在流至周围巷道内壁处，在壁面反弹后一部分继续沿着巷道向后流去，一部分在反弹后向巷道前端流去最终被负压风筒吸入，另有部分风流在巷道中段形成湍流。

为了更好了解风流的速度分布，提取了相关速度云图，风流场速度云图如图4。

图4 风流场速度云图Fig.4 Velocity cloud diagrams of wind flow field

图4 顶部云图展示了整个掘进巷道风流的合速度，可以看出高速风流基本集中在几个出口处和截割面处，其他处均为低速风流。下部左面的云图为速度入口2 在x 方向分速度云图，从中可以看到风流在以高速射出后，速度很快衰减，形成速度梯度。下部右面的云图为速度出口处截面在z 轴方向的分速度云图，由于抽风筒抽风形成的负压，风流在出口处形成高速风流，同时在巷道左下侧和右底侧形成回流。

4.2 风流场与粉尘场和喷雾场耦合的数值模拟结果

考虑风流、粉尘和喷雾三相耦合，打开离散相模型，设置煤尘颗粒以3 m/s 从截割面射入。设置喷雾从4 个喷嘴位置处沿着巷道方向向截割面喷出。喷雾喷嘴安装在距离截割面2.3 m 喷雾架上，4 个喷嘴安装在以掘进机截割头悬臂轴心为轴心、半径0.5 m 的圆上且均匀分布。高压水流在从喷嘴射出后由于具有较大的速度被喷嘴在空气的相对作用下破碎，形成雾化现象，由此由喷嘴产生的喷雾围绕悬臂形成1 个包裹掘进机截割头的锥形喷雾场。

由于煤尘颗粒及喷雾液滴较小，为便于处理观察，对颗粒进行放大处理。设置仅显示风流流线和煤尘颗粒运动轨迹线，煤尘颗粒轨迹线如图5。从图5 可以看到，在压风筒入口1 喷出的出风流和抽风筒出口3 吸入的负压风流作用下，由截割面产生的煤尘颗粒主要汇聚在截割头下方，截割头上方的煤尘颗粒被高速气流迅速稀释，一部分煤尘被风流裹挟向吸风筒和巷道底部运动，另一部分煤尘则继续向巷道后方扩散。在吸风筒附近的煤尘由于抽风筒的负压作用向吸风口运移，最终被吸入抽风筒。

图5 煤尘颗粒轨迹线Fig.5 Coal dust particle trajectory

为了更加清楚观察煤尘和喷雾的运动规律，在得到的仿真结果中提取了流动时间t=15、20、25、30 s 时的瞬态结果进行分析，不同时刻下尘雾耦合数值模拟体积云图浓度如图6。

图6 不同时刻下尘雾耦合数值模拟体积云图浓度Fig.6 Numerical simulation volume cloud concentration of dust and fog coupling at different times

从图6 可以看出，在t=15 s 时，煤尘颗粒全部从截割面注入，大量煤尘积聚在从前断面到掘进机机身前处，而喷雾也已经大量从喷嘴喷出扩散至前断面处。在t=20 s 时，可以清晰看见压风筒产生的风流开始带动煤尘和喷雾运动，一大部分高速煤尘和喷雾液滴在风流的作用下向吸风筒出口处运动并被捕捉。一部分煤尘和喷雾液滴由于重力作用且没有受到风流作用逐渐在巷道断面左下角和右下角沉积。在t=25 s 时，煤尘和喷雾液滴大量减小，主要由于一部分煤尘已经被吸风筒和巷道底部捕捉，另一部分在部分风流的作用下向巷道后部运移；喷雾液滴少数向后扩散，主要原因是液滴质量较小，在风流的作用下绝大部分都被吸风筒捕捉，少数质量较大的液滴也在捕捉煤尘后沉降在巷道底部。在t=30 s 时，此时巷道前断面处煤尘及喷雾进一步减小，这部分的煤尘和喷雾液滴基本围着掘进机悬臂以及聚集在掘进机铲板处；向后扩散的煤尘部分分布在掘进机两侧，另有一部分在受到附壁风筒产生的湍流作用下在桥式转载机与刮板输送机交界处积聚。

为了观察掘进机司机处的粒子浓度变化情况，在司机处建立了yz 平面并选取时间t=15、20、25、30 s 时进行分析，掘进机司机侧截面离散相浓度云图如图7。

图7 掘进机司机侧截面离散相浓度云图Fig.7 Concentration cloud diagrams of discrete phase in roadheader driver side

从图7 可以看出，在风流作用和重力作用下煤尘颗粒和喷雾液滴呈波浪式向巷道后方运动，浓度在20 s 时在司机处达到峰值，随后司机处浓度不断降低，但是在司机处仍有煤尘和喷雾积聚未向后运动，原因是从压风筒出流的风流与从附壁风筒出流的风流在司机处形成对流的旋流，导致煤尘和喷雾无规则运动，在此处聚集。

5 结 语

1）在掘进机工作时截割头处产生的煤尘大量积聚在前断面处，长压短抽风筒形成的风流带有助于煤尘及喷雾液滴向抽风筒抽风口运动，部分煤尘及喷雾在风流作用下会从掘进机两侧向巷道后方运动。巷道后部的附壁风筒在附壁风筒断面处形成风幕，有效抑制粉尘继续向后运移，同时部分风流使煤尘向巷道前端运动。

2）在截割头下方以及附壁风筒和掘进机之间区域存在湍流区域，使得煤尘形成积聚区，不利于除尘器有效除尘，降低了除尘效率。

3）煤尘及喷雾液滴浓度随着距离增加呈降低趋势。煤尘颗粒在风流作用和自身重力影响下，大部分直接被抽风筒捕捉，部分向后运移的煤尘在掘进机司机处基本沉积，在30 s 以后煤尘基本被捕捉。湿式除尘条件下达到良好除尘效果。