基于CFD非定常模擬分析掘進面粉塵運移規律研究＊

胡方坤，王帥領，王德明，陳汝豪

（1.中國礦業大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221008；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221008；3.內蒙古雙欣礦業有限公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017000）

基于CFD非定常模擬分析掘進面粉塵運移規律研究＊

胡方坤1，2，王帥領1，2，王德明1，2，陳汝豪3

（1.中國礦業大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221008；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221008；3.內蒙古雙欣礦業有限公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017000）

建立了壓入式通風條件下掘進面全尺寸巷道模型，采用非定常離散相模型解算，得到了從掘進開始后0～5 min的粉塵濃度分布圖像，并生成了連續動畫。模擬結果顯示，在掘進機附近，粉塵主要從回風一側向后擴散，在掘進巷道25～30 m處，粉塵開始由回風側向整個巷道擴散，沿巷道方向運移速度衰減很快，并且可以看出在掘進巷道前部存在2個渦流區域，使得粉塵從后方流經司機位置，可以考慮在司機位置后方及右側面增設粉塵阻擋或捕獲設施，以減少流經該處的粉塵量。

掘進面 粉塵 非定常數值模擬 離散相模型

礦井粉塵災害一直以來威脅著煤礦安全高效生產和井下工作人員的身體健康。采煤工作面、掘進面、錨噴支護以及轉載運煤是煤礦生產中的主要產塵地點。掘進面的粉塵量大、空間相對狹小，煤礦工人尤其是掘進機司機距離掘進面產塵地點最近，大量的粉塵會對工人的身體健康造成極大危害；同時由于粉塵會阻擋視線，妨礙司機觀察前方的掘進頭，極易造成安全事故。目前對掘進工作面粉塵運移規律的模擬主要采用定常解算模擬，運用Fluent中的離散相模型 （DPM）得出粉塵在巷道中的分布規律。這種定常模擬得出的結果可以認為是進行了長時間掘進工作后，粉塵在理想狀態下的穩定分布情況。這對于工作面粉塵防治工作有一定的指導意義，但是從原理上并不是粉塵實時運移情況的反映。粉塵隨風流運移是一個實時變化的過程，如果考慮粉塵與風流的實時耦合狀態，就能更加貼近粉塵真實的運移情況。

本文運用Ansys Fluent模擬軟件，依據實際尺寸建立了壓入式通風條件下掘進面巷道模型，采用以時間為步長的非定常解算，給出了粉塵從產生到擴散至后部巷道的全過程。本文以掘進開始后300 s內粉塵實時分布圖像為例，分析了其運移規律。

1 CFD模型構建

1.1 網格模型構建

在CFD建模軟件Ansys mesh中依照掘進面真實尺寸，建立全尺寸巷道模型。模型長為50 m，斷面為半圓拱型，上部半圓半徑為2.5 m，下部矩形高為1 m。掘進機位簡化為長方體，尺寸為10 m×3.6 m×1.8 m （長×寬×高），掘進機前段距掘進斷面1 m。風筒直徑為0.8 m，位于掘進機司機側上方，距巷道頂板和側壁均為0.2 m，出風口距掘進斷面4 m。以四面體填充方式生成整體網格模型。圖1（a）所示為模型整體網格，圖1（b）所示為豎直刨面后展示的內部網格。

圖1 巷道網格模型

1.2 非定常DPM模型設置

在計算流體動力學中，根據流體流動的物理量（如速度v、壓力p、溫度T等）是否隨時間t變化，分為定常流動 （steady）與非定長流動 （unsteady）兩大類。當流動的物理量不隨時間變化，即=0時，為定常流動；當流動的物理量隨時間變化，即時，則為非定長流動。非定長時間設定體現在計算流體力學控制學方程組中。包含粉塵的空氣流遵循Navier-Stokes方程，即動量守恒方程，如式 （1）（2）（3）所示。

式中：ρ——流體密度，kg／m3；

V→——速度矢量，u、v、w分別是速度矢量在x、y、z方向的分量，m／s；

t——時間，s；

p——流體壓力，Pa；

Su、Sv和Sw——動量守恒方程的廣義源項。

在掘進工作中，粉塵隨風流運移是非定常流動狀態，其運動要素時刻變化。粉塵從鉆頭處不斷產生，隨風流逐漸向巷道后方擴散，其運動狀態、濃度分布等隨時間變化而變化。該模型中對粉塵顆粒有如下簡化假設：風流場中的粉塵顆粒均視為球體，且密度相同；忽略粉塵顆粒之間碰撞影響，只考慮粉塵顆粒與壁面的碰撞；忽略巷道內溫度場變化對流場的影響。

在非定常流動迭代計算時，設定重力加速度為9.8 m／s2，時間步長為0.5 s，時間步數為600步，最大迭代次數為100次，在解算動畫設置面板中設置每2步即輸出粉塵濃度分布云圖。粉塵材質自定義密度為 1.450×103kg／m3，質量流為0.018 kg／s，粒徑分布為Rosin-Rammler分布，y方向初始速度為0.5 m／s，粒子起止時間設為0～300 s，風筒出口風速為4.52 m／s。

2 模擬結果及分析

利用Fluent提供的離散相模型 （DPM），首先對掘進面風流流場進行解算；再設置掘進頭的粉塵噴射源，計算顆粒軌道，從而在計算域中引入離散相；然后使用已經得到的顆粒計算結果中的相間動量、熱量、質量交換項重新計算連續相流場，計算修正后的連續相流場中的顆粒軌跡，不斷迭代直至計算收斂。本模擬得到了從掘進開始時刻起0～300 s間每一秒粉塵的分布云圖，并生成了粉塵運移動畫。通過對該模擬結果的分析，得出了該通風條件下粉塵的一般運移規律。本文選取了其中的幾張粉塵云圖來反映其運移特點，加以分析說明。

2.1 粉塵沿巷道實時運移規律分析

（1）在掘進機附近，粉塵主要從回風一側向后擴散。由于受單側壓入式通風影響，粉塵主要運移路徑集中在掘進機旁回風一側前15 m左右的范圍內，且這一特點不隨時間改變。掘進巷道50 m粉塵濃度實時分布云圖見圖2。從圖2可以看出，在30 s、50 s、177 s、245 s時，本例掘進機左側狹長的區域內通過了大量的粉塵，即后面巷道中絕大部分的粉塵都是通過該路徑運移而來的。故在此通風條件下，在回風一側前部加強降塵、捕塵工作，會對提高除塵效率、有效降低后部巷道粉塵濃度起到很大的作用。

圖2 掘進巷道50 m粉塵濃度實時分布云圖（距底板1.85 m處切面，俯視）

（2）在掘進巷道25～30 m處，粉塵開始由回風側向整個巷道擴散。從圖2可以看出，50 s、177 s、245 s的粉塵在25～30 m處擴散至整個巷道斷面，隨風流向后擴散，巷道中心區域濃度相對較高。這是由于風流在貼近壁面處受摩擦等因素影響，風速降低，攜帶粉塵的能力也降低，故粉塵在從風流中所獲得動能減少或者與壁面相撞等因素影響下沉降。相比之下巷道中心處風流速度較快，攜帶粉塵能力較強。因此形成了巷道中心粉塵濃度高、兩側粉塵濃度低的現象。

（3）本模擬中粉塵沿巷道方向運移速度是由快到慢的。在掘進機附近的粉塵運動速度相對較快，從圖2可以看出，在30 s時，粉塵就已經擴散至巷道25 m處。而后粉塵運移速度迅速降低，在177 s為粉塵剛剛擴散至巷道50 m處的時刻。粉塵運移速度主要受風流速度影響，前部風流速度較大，粉塵擴散速度也較大，在巷道后方，受摩擦、紊流等因素影響，風流動能隨傳播距離的增大而降低，故攜帶粉塵能力也降低，使得粉塵運移的速度和粉塵濃度均降低。

2.2 粉塵在渦流區域實時運移規律分析

風流從風筒流出后在前部沖洗掘進面，然后從回風側流向掘進面后部巷道，在此過程中明顯存在兩個風流渦流區域，對粉塵運移有明顯影響。在本模擬通風條件下，從圖3中連續4 s的粉塵濃度分布圖以及圖4中對應區域的風速矢量圖可以明顯看出，在掘進機上方前部存在風流渦流區域，粉塵從掘進機右側沿風流回到風筒下方，圍繞渦流做環狀運移。同理，對比圖5中連續7 s的粉塵濃度分布圖和圖6對應區域的風速矢量圖可以看出，從掘進機后方約10 m處開始至風筒出口下方這一區域也存在渦流，粉塵從掘進機后方右側運移至左側并順著風筒下方風流回到掘進頭前部。這兩個渦流造成粉塵不斷從后方通過掘進機左側和風筒下方區域，而掘進機司機位置一般在此區域內，造成司機位置粉塵濃度較大。如圖5和圖6中所示，未與風流混合均勻的粉塵團濃度較高，平均在500～800 mg／m3，這對掘進機司機的健康造成危害。由此也可體現出CFD運用在粉塵研究時，非定長解算比定長解算能更為客觀地反映粉塵運移的路徑、濃度等，利用Fluent中Report-Surface Integrals面積分項，還可實時監測模型中某個面的粉塵凈通量。

圖3 第一處渦流區域粉塵實時運移圖像（距底板1.85 m處切面，俯視）

考慮到司機位置的粉塵主要來自于后方，可以在其位置后方及右側面加設阻擋粉塵或者捕捉粉塵的設施，以減小經過該處的粉塵量。

3 結論

（1）CFD非定常解算能較為客觀地反映粉塵在模擬通風條件下的運移軌跡與混合、擴散狀態，比定常解算更適合于粉塵運移規律方面的研究。

（2）在掘進機附近，粉塵主要從回風一側向后擴散。故在此通風條件下，在回風一側前部加強降塵、捕塵工作，會對提高除塵效率、有效降低后部巷道粉塵濃度起到很大的作用。

（3）在掘進巷道25～30 m處，粉塵開始由回風側向整個巷道擴散，且巷道中心粉塵濃度高、兩側粉塵濃度低。

（4）本模擬中在掘進機附近的粉塵運動速度相對較快，而擴散至掘進機后方時粉塵運移速度迅速降低，同時濃度也因沉降、與壁面碰撞等因素而降低。

（5）掘進頭前部存在兩個渦流區域，使得粉塵從后方和側面通過司機位置?？梢钥紤]在掘進機司機后方和右側增設阻擋、捕獲粉塵設施，以減少通過該處的粉塵量，降低粉塵對掘進機司機的傷害。

［1］Ting Ren，Rao Balusu.The use of CFD modeling as a tool for solving mining health and safety problems［C］.2010 Underground Coal Operators’Conference

［2］胡方坤，陸新曉，王德明等 .基于CFD數值模擬分析綜掘工作面粉塵遷移規律研究 ［J］.中國煤炭，2008 （9）

［3］俞輝，蔣仲安，劉毅等 .綜采工作面粉塵運移規律的研究 ［J］.中國煤炭，2008（9）

［4］劉榮華，王海橋，施式亮等 .壓入式通風掘進工作面粉塵分布規律研究 ［J］.煤炭學報，2002（3）

［5］朱紅鈞，林元華，謝龍漢 .FLUENT 12流體分析及仿真 ［M］.北京：清華大學出版社，2011

［6］韓占忠，王敬，蘭小平 .FLUENT-流體工程仿真計算實例與應用 ［M］.北京：北京理工大學出版社，2004

［7］王福軍 .計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用 ［M］.北京：清華大學出版社，2004

［8］林建忠，阮曉東，陳邦國等 .流體力學 ［M］.北京：清華大學出版社，2005

［9］姚玉靜，程衛民，聶文等 .綜掘工作面粉塵濃度分布的數值模擬 ［J］.礦業安全與環保，2011（3）

Unsteady simulation analysis of dust movement law at driving face based on CFD

Hu Fangkun1，2，Wang Shuailing1，2，Wang Deming1，2，Chen Ruhao3
（1.Faculty of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；3.Inner Mongolia Shuangxin Mining Co.，Ltd.，Erdos，Inner Mongolia 017000，China）

The model of the whole size roadway at diving face under the condition of forced ventilation was set up.The distribution images of dust concentration in 5 min after diving were obtained and the continuous animation was formed.The simulation results showed that the dust spread backward from the air-return roadway.At the position of 25～30 m in the driving roadway，the dust spread to the whole roadway，and the moving speed decreased fast along the roadway.Two vortex areas formed in the front of driving roadway，making dust spread backward to the driver position.Therefore，the dust stopping or capturing facilities should be set up behind and to the right of the driver to reduce the dust capacity.

driving face，dust，unsteady numerical simulation，discrete phase model

TD 714

A

國家自然科學基金資助 （51134020，51104153）

胡方坤 （1989-），男，山東東營市人，碩士學歷，現從事礦井粉塵防治研究工作。

（責任編輯 張艷華）