機掘工作面附壁旋流通風氣流特性與粉塵濃度數值模擬

(1.湖南科技大學土木工程學院 湖南 湘潭 411201)

(2.湖南科技大學資源環境與安全工程學院 湖南 湘潭 411201)

機掘工作面附壁旋流通風氣流特性與粉塵濃度數值模擬

舒威1劉榮華2王鵬飛2茍尚旭1

(1.湖南科技大學土木工程學院湖南湘潭411201)

(2.湖南科技大學資源環境與安全工程學院湖南湘潭411201)

基于配有附壁式旋流通風的矩形巷道，采用FLUENT軟件分別在不同吹吸比的條件下對巷道風流流場和粉塵擴散規律進行了數值模擬。模擬結果顯示，在吹吸比小于0.9時，附壁式旋流通風可以很好的把回旋氣流控制在距掘進工作面5m之內，防止粉塵向其他區域擴散。當吹吸比在0.7到0.8之間時抽風筒的抽塵能力最好，附壁旋流通風方式可以有效控制掘進面所產生的粉塵,并有效降低掘進機司機處和巷道后方的粉塵濃度。

旋流通風；數值模擬；吹吸比；抽塵

一、引言

目前很多煤礦工作面粉塵濃度超標，嚴重危害井下作業人員的身體健康[1-3]。為了降低機掘工作面粉塵濃度,有些礦井使用附壁旋流式通風,利用除塵器將含塵氣流凈化處理并排出巷道,取得了一定的效果。但是為了正確評價掘進工作面作業環境和通風效率，需要研究機掘工作面風速分布和粉塵濃度分布[4]。本文通過CFD對巷道進行數值模擬,分析了不同吹吸比條件下風流以及粉塵的運移規律。

二、物理模型及邊界條件

(一)物理模型

根據現場考察，建立一個長30m，寬4.5m，高3.2m的矩形巷道，其中壓風筒為一距離工作面5m、長25米、直徑為800mm的圓柱體，風筒中軸線距離地面2.7m高；壓入式風筒的后半部分為附壁風筒，附壁風筒每5米處開一長1.6米、寬為0.03m的出風條縫，出風條縫共3條，壓入風筒風量為200m3/min；吸風筒是直徑為800mm的圓柱體，前置吸風口中心距離地面1.6m，距離掘進頭3m，抽風量為250m3/min；運輸皮帶安裝在吸風筒的下面，在距離掘進頭15m的地方為運輸皮帶中的轉載點。本模型共建立出風條縫寬度為0.03m、0.04m、0.05m、0.06m共4種模型，模型垂直方向為y方向，如圖1所示。

圖1 附壁旋流通風物理模型及側視圖

模型采用附壁旋流式通風，新鮮空氣經由壓風筒從壓風口和條縫風口進入巷道，流經工作面，稀釋掘進端頭的粉塵后，其中一部分含塵氣流被吸風筒抽走，另一部分含塵氣流從吸風筒與巷道之間排出。如圖2所示。

圖2 機掘工作面附壁旋流通風主視圖

采用Gambit對所建的物理模型進行了網格劃分，本模型的網格Interval size取1.5，劃分為TGrid網格,如圖3所示。

圖3 網格劃分

(二)邊界條件的設定

將Gambit中的物理模型導入到Fluent，并對邊界條件和顆粒源參數進行了設置，見表1.

表1 邊界條件和顆粒源參數

三、數學模型

采用基于歐拉-拉格朗日法的離散相模型研究巷道氣流特性和粉塵濃度分布，其中粉塵顆粒為離散相，空氣為連續相。本文假設通風氣流為不可壓縮定常流體，并忽略熱量傳遞，在此基礎上采用Κ～ε雙方程模型，則其氣相控制方程如下[5-7]：

連續性方程：

(2.1)

動量守恒方程：

(2.2)

式中：p為靜壓；?τij為應力張量；gi為i方向上的重力體積力，應力張量由下式給出：

(2.3)

湍動能:

(2.4)

湍動能耗散率：

(2.5)

湍動能方程(k方程)：

(2.6)

湍動能耗散率方程(ε方程)：

(2.7)

固相控制方程如下：

(2.8)

式中，FD為顆粒單位質量曳力，其具有如下形式

(2.9)

式中，Rep為相對雷諾數(顆粒雷諾數)，定義為：

(2.10)

對于光滑球形顆粒，曳力系數CD的表達式為：

(2.11)

對于非球形顆粒，曳力系數表達式為：

(2.12)

式中，Resph:顆粒等體積粒徑對應的雷諾數。

(2.13)

四、風流擴散規律模擬結果分析

沿巷道呼吸帶高度(y=1.6m)和壓風筒高度(y=2.7m)截面顯示不同吹吸比下風速矢量的數值模擬對比結果，如圖4、圖5所示。

圖4 y=1.6m截面不同吹吸比速度矢量分布圖

由圖4可以看出在吹吸比越小的情況下掘進工作面風速越小，由于吹吸比小，抽風筒風流占主導地位，更容易把掘進機司機前的氣流控制住，從而把掘進面產生的粉塵有效的卷吸進吸風筒，在吹吸比變大的情況下，由于吹風量越來越大，導致壓風筒從前方出來的風流經由掘進面后會有相當一部分風流吹向巷道后方，尤其在與條縫風口出來的向前風流相遇后會產生渦流，且吹吸比越大渦流會越向后方偏移，在吹吸比為0.9時回旋氣流到達了掘進機司機后方，當吹吸比大于0.9時距掘進工作面5m處開始出現明顯的向后氣流。

圖5 y=2.7m截面不同吹吸比速度矢量分布圖

由圖5可以看出，附壁風筒徑向條縫所出風流不僅向巷道壁面運動，而且還有一明顯指向掘進頭方向的分速度，這是由于從條縫口出來的風本身就帶有軸向方向的正速度，在吹吸比小的情況下其更容易向掘進頭方向流動；從圖4和圖5可以得出結論，當吹吸比越大，從壓風筒前方出來的經由掘進面后吹向巷道后方的風流就越多；在條縫風口出來的風流與風流之間會形成旋流區，且吹吸比越大，旋流區中的旋渦越多，強度越大，其旋渦主要形成于條縫風口的對側壁面區域，這是由于前一條縫出來的風流會在其前方形成向前的旋流風墻，從后一條縫出來的風流在向前運動的過程中碰到風墻時就會形成渦流。

五、粉塵擴散規律模擬結果分析

沿巷道X軸正方向、Z軸正方向每隔一定距離設置一顯示粉塵濃度的數值模擬結果剖面圖，如圖6所示。沿X軸正方向為0.2、1.5(掘進機司機處)、2.8、4.1m，沿Z軸正方向為15、18、21、23、25(掘進機司機處)、26.5、28、29.5m。為了能準確反映出不同吹吸比對掘進機司機處的粉塵濃度分布的影響，又單獨列出呼吸帶高度y=1.6m截面的粉塵濃度分布模擬結果，如圖7所示。

(a)x方向

(b)z方向

由圖6可以看出：

掘進面產生的粉塵在吹風筒的作用下往吹風筒對側壁面聚集，當吹吸比越大，從吹風筒出來的風流風速越大，粉塵越容易被風流帶著向巷道后側移動，從而使吸風口后側的濃度越來越大。吹吸比越大，粉塵越不容易被吸風管捕集排出巷道，巷道后側的濃度越來越大。由(a)可以看出當吹吸比從0.6到1.2變化時，掘進機司機處的平均粉塵濃度由大變小再變大，當吹吸比為0.9時出現最大值，最小值出現在0.8左右；由(b)可以看出，當吹吸比小于0.9時，粉塵主要聚集在吹風筒對側和吸風筒附近，吹吸比在0.7時有部分粉塵聚集在吹風筒下側，當吹吸比在0.9時粉塵聚集點向后方轉移，當吹吸比大于0.9時，部分粉塵向巷道后方擴散。

圖7 呼吸帶高度y=1.6m處的粉塵濃度

從圖7可以看出當吹吸比為0.7時抽風筒處的粉塵濃度達到最大值，表明其抽塵能力最好[]，但是掘進機司機處的粉塵濃度要比0.8時的要大，當吹吸比大于0.8時，掘進機司機后方的濃度變大。這說明當吹吸比在0.7到0.8之間時對于提高抽風筒的抽塵能力和降低掘進機司機處和巷道后方的粉塵濃度有明顯的作用。

六、結論

(1)吹吸比越大由附壁風筒所產生的回旋氣流會越向后方偏移，在吹吸比為0.9時回旋氣流到達了掘進機司機前方，所以在吹吸比小于0.9時，附壁式旋流通風可以很好的把h回旋氣流控制在距掘進工作面5m之內。

(2)當吹吸比在0.7到0.8之間時抽風筒的抽塵能力最好，附壁旋流通風方式可以有效控制掘進面所產生的粉塵。并降低掘進機司機處和巷道后方的粉塵濃度。

[1]程衛民,聶文,姚玉靜等.綜掘工作面旋流氣幕抽吸控塵流場的數值模擬[J].煤炭學報,2011,36(08):1342-1348.

[2]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,(03):233-236.

[3]劉毅,蔣仲安,蔡衛等.綜采工作面粉塵濃度分布的現場實測與數值模擬[J].煤炭科學技術,2006,(04):80-82.

[4]駱偉,劉榮華,崔海蛟等.機掘工作面氣流特性與粉塵濃度數值模擬[J].礦業工程研究,2013,28(04):18-22.

[5]張惠,康士廷.FLUENT14流場分析自學手冊[M].北京：人民郵電出版社，2014.7.

[6]周俊杰,徐國權,張華俊.FLUENT工程技術與實例分析：全2冊[M].北京：中國水利水電出版社,2013.4.

[7]王德明.礦井通風與安全[M].徐州：中國礦業大學出版社,2007.10

國家自然科學基金資助項目(51574123,U1361118)