露天矿铲装作业点压风射流驱雾效果数值模拟

杨小彬， 孙秋迪， 慕兰兰， 裴艳宇， 吴佳宁， 程虹铭

(中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院， 北京 100083)

露天矿冬季铲装作业点易产生大量浓雾，雾气长时间滞留在作业空间内，难以短时间内消散，这将降低露天矿作业空间的能见度，影响作业人员工作视线，导致严重的安全隐患。因此，采取相关措施驱除露天矿铲装作业点的浓雾具有重要的实际意义。

许多学者针对产雾机理以及雾气消散进行了相关研究，取得了一些有意义的成果，秦宪礼等[1]分析了东荣二矿井雾气成因并提出治理雾气的措施；肖翔等[2]利用Fluent模拟分析了研究雾化室雾气浓度分布；孙宝芝等[3]利用热力学原理分析海水巷道内雾气形成机制，指出雾气形成的主要形式，提出消雾的综合方法并应用于工程实际；龙久生[4]研制出红外线与超声波双重控制的自动风门控制竖井中的水雾；谷正气等[5]采用计算流体力学和优化算法相集成的方法研究某车型前挡风玻璃除霜除雾性能的改进。但这些研究只针对矿井、地下海水巷道、汽车挡风玻璃等提出产雾机理以及除雾措施，现有的驱雾技术措施无法有效实现露天矿半开放空间短时浓雾驱散，考虑露天矿实际生产工艺及冬季浓雾产生特点，提出采用人工干预露天矿铲装作业点流场为主的浓雾驱散技术-压风射流驱雾技术。

压风射流驱雾技术的关键是合理的压风射流风机选择和压风射流风机现场安装控制。射流风机可用于铁路和公路隧道的通风[6]、排烟[7]以及煤矿除尘[8]等，但鲜见用于露天矿浓雾消散方面的报道。基于此，在提出采用压风射流驱雾技术方案基础上，现建立露天矿铲装作业点压风射流驱雾模型；在相同浓雾扩散条件下，利用流体计算软件ANSYS Fluent模拟压风射流风机不同出口风速、不同安装数量及不同安装角度对驱雾效果的影响，分析得出合理可行的压风射流驱雾方案，现场安装试验验证该方案的可行性。

1 露天矿铲装作业点压风射流驱雾效果分析模型

1.1 数值模型及网格剖分

露天矿铲装作业点空气流动复杂，影响因素较多，为有效模拟露天矿铲装作业点空气流动以及雾气分布情况，对露天矿铲装作业点的气体流动情况进行简化：假设露天矿铲装作业点内空气流动、压风射流风机射流运动均为不可压缩定常流动；压风射流风机假定为一个圆柱体，压风射流风机喷口假设为均匀速度[9]。

以某露天矿为背景，采用ANSYS Workbench建立露天矿铲装作业点压风射流驱雾模型，模型示意图如图1所示。整个驱雾模型大约呈长方体型，其中露天矿铲装作业点的外轮廓的长、宽、高分别为30、15、20 m；压风射流风机简化为直径为0.71 m、轴长1 m的圆柱，压风射流风机距地面3 m，两台压风射流风机之间的间距为10 m。

利用ANSYS中Mesh模块对驱雾模型进行网格划分，考虑计算机性能以及网格划分精度问题[10]，露天矿铲装作业点和压风射流风机模型分别划分网格，露天矿铲装作业点划分的单元尺寸为0.8 m，压风射流风机划分的单元尺寸为0.2 m，划分方法为Automatic，该方法的优点在于会自动根据露天矿铲装作业点和压风射流风机流场特点划分为不同类型的网格，且在流场变形处自动加密网格，适当调整最大单元尺寸得到质量较高的网格文件[11]。经过查看网格质量、网格划分调整，并考虑计算问题，最终得到网格划分结果如图2所示。

图1 露天矿铲装作业点压风射流驱雾模型Fig.1 Fog dispersal model by compressed air jet at shovel loading operation point in open-pit mine

图2 网格划分结果Fig.2 Meshing results

1.2 边界条件

模型网格划分完成后导入Fluent，根据铲装作业现场设置边界条件以及雾源参数，进行数值模拟。

使用Fluent软件进行数值计算时，选用SSTK-ω湍流模型。露天矿铲装作业点模型和压风射流风机均设置为流体，流体介质为空气。露天矿铲装作业点压风射流驱雾模型中，压风射流风机出口所对的方向的壁面和右侧壁面为煤体壁面，煤体壁面设为速度入口，其值为2 m/s；底面为碎煤地面，地面边界设为wall；其余壁面边界条件均设为开放出口，设为outflow；压风射流风机出口均为速度入口，其值分别为39.7、35.8、28.5 m/s，湍流强度分别为2.5%、2.5%、2.6%，水力直径均为0.71 m。打开离散相(discrete phase model，DPM)模式，DPM的边界条件设置如下：压风射流风机出口的DPM边界条件设为escape，煤壁的DPM边界条件设为reflect，地面的DPM边界条件设为trap。相关离散相参数设定如表1所示。

2 不同参数对压风射流驱雾效果影响数值模拟分析

2.1 射流风机出口风速对压风射流驱雾效果影响

为确定合理压风射流风机出口风速，保证射流流场能达到台阶煤壁，即能保证射流流场达到煤壁时具有一定的流场速度，从而实现从射流分级出风口到煤壁范围内的有效流场扰动驱雾。为此，分别设置压风射流风机的出口速度为39.7、35.8、28.5 m/s，模拟右边风机(风机2)单独运行时露天矿铲装作业点流场情况。压风射流风机开启后，压风射流风机所在平面(z=3 m)的流场图以及压风射流风机的射流中心线所在位置露天矿铲装作业点气流速度变化曲线如图3和图4所示。

由图3可以看出，大部分气流在压风射流风机入口处涌入风机，小部分气流不通过压风射流风机，在压风射流风机出口段与高速气流汇聚形成新的气流[12]。压风射流风机的射流风速呈均匀对称分布，且向四周扩散，从压风射流风机出口到壁面沿射流方向下降，出口处的速度最大，煤壁面附近速度最小。通过图3比较不同出口速度压风射流风机开启时的露天矿铲装作业点空气流动情况可以看出：压风射流风机出口风速越大其射流距离越远，射流作用于煤壁的有效范围越大。

图4 不同出口风速的压风射流风机的中心线所在位置气流速度变化曲线图Fig.4 Flow velocity change curve at center line of compressed air jets with different outlet wind speeds

不同出口风速的压风射流风机中心线所在位置露天矿铲装作业点气流速度变化曲线图如图4所示，不同的出口速度，速度衰减大致相同，初期流场速度衰减较快，后期衰减逐渐趋于平缓，但是出口速度为39.7 m/s的压风射流风机中心线所在位置速度曲线明显高于其他两条，相同位置，开启出口风速为39.7 m/s的压风射流风机时，露天矿铲装作业点气流速度更大，所以它的能量大，输送能力更强，射流速度保持的距离更大[13]。由此看出射流能力强弱的顺序依次为：出口风速为39.7 m/s的压风射流风机、出口风速为35.8 m/s的压风射流风机、出口风速为28.5 m/s的压风射流风机。

铲车司机距离煤壁5 m，铲车作业时，产生浓雾，露天矿作业环境可见度不足3 m，取y=13 m(距离煤壁2 m)垂直面雾的浓度变化情况检验压风射流风机的驱雾效果。不同出口风速的压风射流风机驱雾效果不同，不同出口风速的压风射流风机开启时雾浓度变化对比图如图5所示。

图5 不同出口风速的压风射流驱雾效果对比云图(y=13 m)Fig.5 Cloud diagram of fog dispersal effect of compressed air jet at different outlet wind speeds(y=13 m)

由图5可知：压风射流风机的驱雾范围，形状近似成圆形，与压风射流风机的外轮廓相似。开启压风射流风机后，随着压风射流风机出口速度的增大，压风射流风机的驱雾范围半径逐渐增大，驱雾范围下限逐渐向地面靠近，司机能够逐渐看清地面，驱雾效果逐渐提高。压风射流风机出口速度越大，射流到达煤壁时速度越大，可以有效吹散浓雾，降低雾的浓度。综合考虑压风射流风机的作用范围、射程以及驱雾效果，出口风速为39.7 m/s的压风射流风机输送能力最强，驱雾范围半径最大，可达4 m，驱雾下限可到达地面，司机能够看清地面，所以选择出口风速为39.7 m/s的压风射流风机驱雾。

2.2 风机数量对压风射流风机驱雾效果影响

为保证铲车司机左右视线范围，在铲车上同时开启两台压风射流风机，数值模拟其流场状态和驱雾效果。两台出口风速为39.7 m/s的压风射流风机同时开启后风机所在平面(z=3 m)的流场情况如图6所示，可以看出压风射流风机射流造成靠近煤壁气流交汇，射流作用范围较一台压风射流风机作用范围明显增大。

图6 两台压风射流风机平面流场云图Fig.6 Cloud diagram of the plane flow field of two compressed air jets

风机数量对驱雾效果的影响云图如图7所示，位置为y=13 m和z=3 m。从图7可以看出：两台压风射流风机安装其驱雾范围明显增大，但两台风机在煤壁处驱雾区域未能形成明显重叠，难以达到良好的驱雾效果，甚至会在两风机间形成流场干扰而加剧浓雾聚集。

2.3 风机安装角度对压风射流驱雾效果影响

从上述模拟可以看出，两台压风射流风机平行安转时，未能造成流场明显重叠，两风机间煤壁处驱雾效果欠佳。为此，尝试偏转压风射流风机的安装角度，即仅一台压风射流风机内偏15°及两台压风射流风机均内偏15°的情况，模拟不同安装角度对铲装作业点流场及驱雾效果的影响。

不同安装角度下，压风射流风机所在平面(z=3 m)铲装作业点流场对比云图如图8所示。由图8可以看出：当平行安装两台风机和仅内偏一台风机的安装方式时，其流场在煤壁前方及一定区域方位内难以形成流场互相覆盖；当两台压风射流风机均内偏15°时，其流场在煤壁前方及一定区域方位内能形成流场干扰，从而实现较好的驱雾效果。

压风射流风机不同安装角度下，y=13 m(距离煤壁2 m)垂直面和z=3 m(风机所在平面)的驱雾效果对比云图如图9所示。由图9可以看出，两台压风射流风机平行安装时，压风射流风机射流水平射向煤壁，y=13 m垂直面上以射流中心为中心附近4 m左右的雾被驱散，但是两风机之间还有浓雾存在，且局部造成浓雾聚集加重现象；仅一台压风射流风机偏转时，y=13 m垂直面上两台压风射流风机之间的雾仍不能完全被驱散，但相比两台没有偏角的压风射流风机，两台压风射流风机之间有雾的范围缩小；当两台压风射流风机均内偏15°时，两台压风射流风机产生的射流交汇叠加，送风动能增加，加速雾的驱散，y=13 m垂直面上两风机之间区域的雾都被驱散，铲车司机视线在很大程度上得到提高。对此，当两台压风射流风机均内偏15°时，驱雾效果最佳，能够提高铲车司机的视线。

图7 两台压风射流风机驱雾效果对比云图Fig.7 Cloud diagram of fog dispersal effect comparison between single and two compressed air jets

图8 不同安装角度下压风射流风机所在平面(z=3m)流场对比云图Fig.8 Cloud diagram of the plane flow field(z=3m)of the compressed air jet at different installation angles

2.4 现场效果检验

通过上述射流风机出口速度的确定选择了相应的压风射流风机，根据流场和驱雾效果确定了风机数量和安装方式。利用数值模拟结果(风机出口风速39.7 m/s，两台射流风机各内偏15°安装)在某露天铲装作业点进行了压风射流消雾方式的风机安装调试并进行了工业试验，未开启压风射流驱雾和开启压风射流驱雾后的效果对比图如图10所示。从图中可以看出，压风射流风机安装开启后，铲车前方雾气明显减少，铲车司机视线与风机所在平面相交区域雾被驱散，铲车司机能够较为清晰地看到铲斗以及地面，作业环境良好。这也说明，采用压风射流的驱雾方式能在现场起到良好的驱雾作用，提高了铲装作业电铲司机的作业视线，保证了铲装作业点铲装作业效率，实现了露天矿铲装作业点冬季安全高效铲装作业。

图9 压风射流风机不同安装角度下驱雾效果对比云图Fig.9 Cloud diagram of fog dispersal effect comparison at different installation angles

图10 现场压风射流风机启动前后雾气分布图Fig.10 Fog distribution diagram before and after the compressed air jet is started

3 结论

(1)考虑露天矿铲装作业点冬季产雾及流场特点，提出采用压风射流形成人工流场干预的驱雾方式。

(2)建立露天矿铲装作业点压风射流驱雾模型，利用ANSYS Fluent软件，模拟不同压风射流风机出口速度、风机数量及安装角度对铲装作业点流场及驱雾效果的影响，分析得到：压风射流风机出口风速为39.7 m/s，安装数量为两台且安装角度均内偏15°时能起到良好的驱雾效果。

(3)将模拟得到的压风射流驱雾方案应用到露天矿实际铲装作业中，进行现场驱雾效果检验，结果表明分析确定的压风射流驱雾方式及技术参数能够有效解决铲装作业点的浓雾聚集问题。