基于CFD非定常模擬分析掘進(jìn)面粉塵運(yùn)移規(guī)律研究＊

胡方坤，王帥領(lǐng)，王德明，陳汝豪

（1.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008；2.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008；3.內(nèi)蒙古雙欣礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017000）

基于CFD非定常模擬分析掘進(jìn)面粉塵運(yùn)移規(guī)律研究＊

胡方坤1，2，王帥領(lǐng)1，2，王德明1，2，陳汝豪3

（1.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008；2.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008；3.內(nèi)蒙古雙欣礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017000）

建立了壓入式通風(fēng)條件下掘進(jìn)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(jìn)開始后0～5 min的粉塵濃度分布圖像，并生成了連續(xù)動畫。模擬結(jié)果顯示，在掘進(jìn)機(jī)附近，粉塵主要從回風(fēng)一側(cè)向后擴(kuò)散，在掘進(jìn)巷道25～30 m處，粉塵開始由回風(fēng)側(cè)向整個(gè)巷道擴(kuò)散，沿巷道方向運(yùn)移速度衰減很快，并且可以看出在掘進(jìn)巷道前部存在2個(gè)渦流區(qū)域，使得粉塵從后方流經(jīng)司機(jī)位置，可以考慮在司機(jī)位置后方及右側(cè)面增設(shè)粉塵阻擋或捕獲設(shè)施，以減少流經(jīng)該處的粉塵量。

掘進(jìn)面 粉塵 非定常數(shù)值模擬 離散相模型

礦井粉塵災(zāi)害一直以來威脅著煤礦安全高效生產(chǎn)和井下工作人員的身體健康。采煤工作面、掘進(jìn)面、錨噴支護(hù)以及轉(zhuǎn)載運(yùn)煤是煤礦生產(chǎn)中的主要產(chǎn)塵地點(diǎn)。掘進(jìn)面的粉塵量大、空間相對狹小，煤礦工人尤其是掘進(jìn)機(jī)司機(jī)距離掘進(jìn)面產(chǎn)塵地點(diǎn)最近，大量的粉塵會對工人的身體健康造成極大危害；同時(shí)由于粉塵會阻擋視線，妨礙司機(jī)觀察前方的掘進(jìn)頭，極易造成安全事故。目前對掘進(jìn)工作面粉塵運(yùn)移規(guī)律的模擬主要采用定常解算模擬，運(yùn)用Fluent中的離散相模型 （DPM）得出粉塵在巷道中的分布規(guī)律。這種定常模擬得出的結(jié)果可以認(rèn)為是進(jìn)行了長時(shí)間掘進(jìn)工作后，粉塵在理想狀態(tài)下的穩(wěn)定分布情況。這對于工作面粉塵防治工作有一定的指導(dǎo)意義，但是從原理上并不是粉塵實(shí)時(shí)運(yùn)移情況的反映。粉塵隨風(fēng)流運(yùn)移是一個(gè)實(shí)時(shí)變化的過程，如果考慮粉塵與風(fēng)流的實(shí)時(shí)耦合狀態(tài)，就能更加貼近粉塵真實(shí)的運(yùn)移情況。

本文運(yùn)用Ansys Fluent模擬軟件，依據(jù)實(shí)際尺寸建立了壓入式通風(fēng)條件下掘進(jìn)面巷道模型，采用以時(shí)間為步長的非定常解算，給出了粉塵從產(chǎn)生到擴(kuò)散至后部巷道的全過程。本文以掘進(jìn)開始后300 s內(nèi)粉塵實(shí)時(shí)分布圖像為例，分析了其運(yùn)移規(guī)律。

1 CFD模型構(gòu)建

1.1 網(wǎng)格模型構(gòu)建

在CFD建模軟件Ansys mesh中依照掘進(jìn)面真實(shí)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(jìn)機(jī)位簡化為長方體，尺寸為10 m×3.6 m×1.8 m （長×寬×高），掘進(jìn)機(jī)前段距掘進(jìn)斷面1 m。風(fēng)筒直徑為0.8 m，位于掘進(jìn)機(jī)司機(jī)側(cè)上方，距巷道頂板和側(cè)壁均為0.2 m，出風(fēng)口距掘進(jìn)斷面4 m。以四面體填充方式生成整體網(wǎng)格模型。圖1（a）所示為模型整體網(wǎng)格，圖1（b）所示為豎直刨面后展示的內(nèi)部網(wǎng)格。

圖1 巷道網(wǎng)格模型

1.2 非定常DPM模型設(shè)置

在計(jì)算流體動力學(xué)中，根據(jù)流體流動的物理量（如速度v、壓力p、溫度T等）是否隨時(shí)間t變化，分為定常流動 （steady）與非定長流動 （unsteady）兩大類。當(dāng)流動的物理量不隨時(shí)間變化，即=0時(shí)，為定常流動；當(dāng)流動的物理量隨時(shí)間變化，即時(shí)，則為非定長流動。非定長時(shí)間設(shè)定體現(xiàn)在計(jì)算流體力學(xué)控制學(xué)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(shí)間，s；

p——流體壓力，Pa；

Su、Sv和Sw——動量守恒方程的廣義源項(xiàng)。

在掘進(jìn)工作中，粉塵隨風(fēng)流運(yùn)移是非定常流動狀態(tài)，其運(yùn)動要素時(shí)刻變化。粉塵從鉆頭處不斷產(chǎn)生，隨風(fēng)流逐漸向巷道后方擴(kuò)散，其運(yùn)動狀態(tài)、濃度分布等隨時(shí)間變化而變化。該模型中對粉塵顆粒有如下簡化假設(shè)：風(fēng)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(nèi)溫度場變化對流場的影響。

在非定常流動迭代計(jì)算時(shí)，設(shè)定重力加速度為9.8 m／s2，時(shí)間步長為0.5 s，時(shí)間步數(shù)為600步，最大迭代次數(shù)為100次，在解算動畫設(shè)置面板中設(shè)置每2步即輸出粉塵濃度分布云圖。粉塵材質(zhì)自定義密度為 1.450×103kg／m3，質(zhì)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(shí)間設(shè)為0～300 s，風(fēng)筒出口風(fēng)速為4.52 m／s。

2 模擬結(jié)果及分析

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

2.1 粉塵沿巷道實(shí)時(shí)運(yùn)移規(guī)律分析

（1）在掘進(jìn)機(jī)附近，粉塵主要從回風(fēng)一側(cè)向后擴(kuò)散。由于受單側(cè)壓入式通風(fēng)影響，粉塵主要運(yùn)移路徑集中在掘進(jìn)機(jī)旁回風(fēng)一側(cè)前15 m左右的范圍內(nèi)，且這一特點(diǎn)不隨時(shí)間改變。掘進(jìn)巷道50 m粉塵濃度實(shí)時(shí)分布云圖見圖2。從圖2可以看出，在30 s、50 s、177 s、245 s時(shí)，本例掘進(jìn)機(jī)左側(cè)狹長的區(qū)域內(nèi)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(yùn)移而來的。故在此通風(fēng)條件下，在回風(fēng)一側(cè)前部加強(qiáng)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(jìn)巷道50 m粉塵濃度實(shí)時(shí)分布云圖（距底板1.85 m處切面，俯視）

（2）在掘進(jìn)巷道25～30 m處，粉塵開始由回風(fēng)側(cè)向整個(gè)巷道擴(kuò)散。從圖2可以看出，50 s、177 s、245 s的粉塵在25～30 m處擴(kuò)散至整個(gè)巷道斷面，隨風(fēng)流向后擴(kuò)散，巷道中心區(qū)域濃度相對較高。這是由于風(fēng)流在貼近壁面處受摩擦等因素影響，風(fēng)速降低，攜帶粉塵的能力也降低，故粉塵在從風(fēng)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(fēng)流速度較快，攜帶粉塵能力較強(qiáng)。因此形成了巷道中心粉塵濃度高、兩側(cè)粉塵濃度低的現(xiàn)象。

（3）本模擬中粉塵沿巷道方向運(yùn)移速度是由快到慢的。在掘進(jìn)機(jī)附近的粉塵運(yùn)動速度相對較快，從圖2可以看出，在30 s時(shí)，粉塵就已經(jīng)擴(kuò)散至巷道25 m處。而后粉塵運(yùn)移速度迅速降低，在177 s為粉塵剛剛擴(kuò)散至巷道50 m處的時(shí)刻。粉塵運(yùn)移速度主要受風(fēng)流速度影響，前部風(fēng)流速度較大，粉塵擴(kuò)散速度也較大，在巷道后方，受摩擦、紊流等因素影響，風(fēng)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(yùn)移的速度和粉塵濃度均降低。

2.2 粉塵在渦流區(qū)域?qū)崟r(shí)運(yùn)移規(guī)律分析

風(fēng)流從風(fēng)筒流出后在前部沖洗掘進(jìn)面，然后從回風(fēng)側(cè)流向掘進(jìn)面后部巷道，在此過程中明顯存在兩個(gè)風(fēng)流渦流區(qū)域，對粉塵運(yùn)移有明顯影響。在本模擬通風(fēng)條件下，從圖3中連續(xù)4 s的粉塵濃度分布圖以及圖4中對應(yīng)區(qū)域的風(fēng)速矢量圖可以明顯看出，在掘進(jìn)機(jī)上方前部存在風(fēng)流渦流區(qū)域，粉塵從掘進(jìn)機(jī)右側(cè)沿風(fēng)流回到風(fēng)筒下方，圍繞渦流做環(huán)狀運(yùn)移。同理，對比圖5中連續(xù)7 s的粉塵濃度分布圖和圖6對應(yīng)區(qū)域的風(fēng)速矢量圖可以看出，從掘進(jìn)機(jī)后方約10 m處開始至風(fēng)筒出口下方這一區(qū)域也存在渦流，粉塵從掘進(jìn)機(jī)后方右側(cè)運(yùn)移至左側(cè)并順著風(fēng)筒下方風(fēng)流回到掘進(jìn)頭前部。這兩個(gè)渦流造成粉塵不斷從后方通過掘進(jìn)機(jī)左側(cè)和風(fēng)筒下方區(qū)域，而掘進(jìn)機(jī)司機(jī)位置一般在此區(qū)域內(nèi)，造成司機(jī)位置粉塵濃度較大。如圖5和圖6中所示，未與風(fēng)流混合均勻的粉塵團(tuán)濃度較高，平均在500～800 mg／m3，這對掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的健康造成危害。由此也可體現(xiàn)出CFD運(yùn)用在粉塵研究時(shí)，非定長解算比定長解算能更為客觀地反映粉塵運(yùn)移的路徑、濃度等，利用Fluent中Report-Surface Integrals面積分項(xiàng)，還可實(shí)時(shí)監(jiān)測模型中某個(gè)面的粉塵凈通量。

圖3 第一處渦流區(qū)域粉塵實(shí)時(shí)運(yùn)移圖像（距底板1.85 m處切面，俯視）

考慮到司機(jī)位置的粉塵主要來自于后方，可以在其位置后方及右側(cè)面加設(shè)阻擋粉塵或者捕捉粉塵的設(shè)施，以減小經(jīng)過該處的粉塵量。

3 結(jié)論

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

（2）在掘進(jìn)機(jī)附近，粉塵主要從回風(fēng)一側(cè)向后擴(kuò)散。故在此通風(fēng)條件下，在回風(fēng)一側(cè)前部加強(qiáng)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(jìn)巷道25～30 m處，粉塵開始由回風(fēng)側(cè)向整個(gè)巷道擴(kuò)散，且巷道中心粉塵濃度高、兩側(cè)粉塵濃度低。

（4）本模擬中在掘進(jìn)機(jī)附近的粉塵運(yùn)動速度相對較快，而擴(kuò)散至掘進(jìn)機(jī)后方時(shí)粉塵運(yùn)移速度迅速降低，同時(shí)濃度也因沉降、與壁面碰撞等因素而降低。

（5）掘進(jìn)頭前部存在兩個(gè)渦流區(qū)域，使得粉塵從后方和側(cè)面通過司機(jī)位置?？梢钥紤]在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)后方和右側(cè)增設(shè)阻擋、捕獲粉塵設(shè)施，以減少通過該處的粉塵量，降低粉塵對掘進(jìn)機(jī)司機(jī)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(shù)值模擬分析綜掘工作面粉塵遷移規(guī)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(yùn)移規(guī)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(fēng)掘進(jìn)工作面粉塵分布規(guī)律研究 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，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(xué)出版社，2011

［6］韓占忠，王敬，蘭小平 .FLUENT-流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用 ［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004

［7］王福軍 .計(jì)算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004

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

［9］姚玉靜，程衛(wèi)民，聶文等 .綜掘工作面粉塵濃度分布的數(shù)值模擬 ［J］.礦業(yè)安全與環(huán)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(xué)基金資助 （51134020，51104153）

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

（責(zé)任編輯 張艷華）