煤矿掘进机外喷喷嘴组合形式的结构性能分析

徐曼丽

（山西潞安矿业（集团）有限责任公司信息科技分公司， 山西 长治 046204）

引言

近年来，随着采煤量的增加，机械功率也随之增加，使得工作面环境越来越差。粉尘治理也给井下安全带来严重隐患。当粉尘浓度过高时，不仅会对矿工身体造成伤害，还会加速井下设备的损坏，因此粉尘治理成为当务之急[1]。为了解决这一问题，提高降尘效率，提出了一种掘进机新型喷嘴组合降尘方法，对井下作业环境治理具有重要意义。因此，本文将采用实验研究的方法，研究双喷嘴的组合形式，深入探索喷嘴组合形式在不同压力下变化时，不同轴向间距颗粒的大小和分布范围，为地下环境治理和掘进机结构设计奠定良好的基础。

1 掘进机喷嘴结构简介

空气雾化喷嘴结构如图1 所示，喷嘴上主体与喷嘴下主体采用螺纹连接构成了喷嘴主体。上主体采用螺纹连接加密封的方式安装外盖和两个接头，喷嘴内部堵塞时可拆卸外盖进行清理，水通过下部接头经过上主体进入喷嘴上盖，气体通过上部接头经上主体内部从顶针与上主体开启的缝隙进入喷嘴口，风和水在喷嘴口处结合喷射出气雾，气雾产生的气流和雾滴可除尘、驱散瓦斯和降温[2]。接头小端外螺纹连接喷嘴主体，大端内螺纹连接外部管路接头，方便安装和拆卸。

图1 掘进机空气雾化喷嘴结构示意图

2 喷嘴结构数值模拟分析

2.1 喷嘴结构模型建立

本文以不同喷嘴组合下的雾化流场为研究重点。因此，主要研究外流场中液滴尺寸的变化，以及不同喷嘴组合下雾化效果的数值模拟。在建立数值模拟分析的过程中将复杂的雾化喷嘴结构进行一定程度的简化[3]，如图 2 所示。

图2 掘进机空气雾化喷嘴结构简化分析示意图（单位：mm）

针对研究的重点，建立了喷嘴组合几何模型。喷嘴组合的示意图如下页图3 所示。喷嘴组合式雾化的主要考虑因素是雾化流场雾滴叠加区中雾颗粒的变化。检查相关设计图集后，两个喷嘴之间的距离约为100 mm。因此，喷嘴组合类型的中心距离设置为100 mm。在数值模拟过程中，雾化流场的三维有限元模型为一个直径500 mm、高度1 200 mm 的圆柱体。喷嘴被放置在第一端面上。每个喷嘴形成的图形的中心与端面圆的中心为相同的点，喷嘴间距为100 mm[4]。为了使雾化区域更加规律，方便测量雾化叠加区域液滴尺寸的分布范围，喷嘴组合采用规则多边形布局。

图3 喷嘴布置图

利用三维映射软件CATIA 建立三维模型，并将三维模型导入ICEM 进行网格生成[5]。网格类型为四面体网格，有限元模型如下页图4 所示。

图4 喷嘴有限元网格模型

2.2 边界条件设置

入口边界条件为喷嘴，喷嘴出口设置为压力入口。由于喷嘴为自由喷嘴，出口为全出口边界，工作面墙设置为无反射边界条件墙，作出一定的假设，假设该煤壁是近似等温的，没有滑移，数值模拟采用三维单精度模拟器偶合解决对流场问题。选择压力旋转雾化器模型作为雾化器模型，选择水作为分散相[6-10]。

3 结果与分析

根据喷雾除尘理论和集尘理论[11-13]，在收集2～12 μm 的粉尘时，最佳液滴尺寸为30～120 μm。采用偶合的方式对不同喷嘴组合形式在不同压力下的雾化流场进行了三维模拟。迭代计算之后，提取喷嘴组合形式下雾化区域中喷嘴叠加区域不同位置的粒径。提取后，将液滴尺寸单位转换为μm，将轴向距离单位转换为mm。为了使表达式更加方便，喷嘴的轴向距离分别表示为 A、B、C、D、E，分别为 400 mm、600 mm、800 mm、1 000 mm 和 1 200 mm。

3.1 单个喷嘴的雾化粒度特性分析

随着喷淋压力的增加，雾化区域内的液滴尺寸逐渐增大。前液滴的喷嘴尺寸随着喷嘴轴与喷嘴之间距离的增大而增大。液滴的尺寸随轴向距离的增大而增大。这些液滴被聚合成更大尺寸的液滴。

从图5-1 可以看出，当喷雾压力为2～3 MPa 时，单个喷嘴的液滴尺寸小于1 MPa，液滴尺寸分布为38～198 μm。根据集尘理论，可以看出，单个喷嘴的液滴尺寸一般都大于液滴尺寸的最佳范围。为了使雾化效果更加均匀，提出了喷嘴组合对雾化效果的影响。从图5-2 可以看出，单个喷嘴的喷射压力与液滴大小呈负相关。在相同的喷射压力下，随着液滴轴向距离的增大，液滴尺寸先减小后增大，液滴尺寸最小点出现在C 点。

图5 单个喷嘴的粒度分布

3.2 多孔组合分析

以5 个喷嘴组合为例，对其在不同的喷雾压力条件下的情况进行研究，五个喷嘴组合的液滴尺寸分布如图6 所示。

图6 五个喷嘴组合中液滴尺寸的分布

从图6-1 可以看出，在5 个喷嘴组合下，与其他喷嘴组合相比，液滴尺寸显着增加。因此可以得出结论，随着喷嘴数量的增加，5 个喷嘴组合的耗水量也随之增加。随着雾化空间中液滴数量的急剧增加，液滴之间的碰撞加速动能减小。由于表面张力的影响，小液滴会聚并合成较大的液滴尺寸。从图6-2 可以看出，5 个喷嘴组合的模式与4 个喷嘴的模式相似，但最小点出现在C 测量点附近，与其他喷嘴组合相比向前移动。可以得出结论，5 个喷嘴组合的液滴之间发生碰撞的概率也大大增加，这使得液滴的速度迅速衰减，速度较低的液滴不能相互碰撞产生更细的液滴。在C 点之后，液滴尺寸呈上升趋势。

根据实际工作情况，结合喷雾除尘理论和除尘理论，当喷雾压力2 MPa 接近三种喷嘴组合形式时，喷雾雾化效果最好，粉尘与液滴结合效果最高。

4 结论

1）当喷嘴组合与射流轴向距离相同时，雾化叠加区域的喷雾压力与液滴尺寸呈负相关。当喷嘴组合形式和喷雾压力恒定时，随着轴向距离的增大，液滴尺寸先减小后增大。

2）喷嘴组合对改善雾化区雾化效果效果明显。当3 个喷嘴组合的喷雾压力为2 MPa 时，雾化叠加区液滴尺寸最接近理论值，喷雾粉尘的理论效率最高。