噴嘴角度對(duì)礦用引射除塵器的性能影響研究

張子鵬 楊小彬 周 杰 陳希昂

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

隨著現(xiàn)代礦井機(jī)械化程度的不斷提高，礦井粉塵一直以來(lái)嚴(yán)重威脅著煤礦安全高效生產(chǎn)和井下工人的身體健康。現(xiàn)代除塵方式主要有通風(fēng)除塵、濕式除塵、密閉抽塵和引射除塵器除塵等，引射除塵器作為一種新型的除塵設(shè)備，可以在不直接消耗機(jī)械能的情況下利用高壓流體來(lái)引射低壓流體進(jìn)而提高低壓流體的壓力，由于其具有成本低廉、連接方式簡(jiǎn)便以及不使用電力作為動(dòng)力源等特點(diǎn)，因此將引射除塵器應(yīng)用于井下除塵對(duì)礦山除塵的發(fā)展具有重要意義。

各部段的結(jié)構(gòu)參數(shù)、引射壓力大小、噴嘴位置、噴嘴尺寸和噴嘴傾斜角度變化等都能影響引射除塵器的引射性能，其中噴嘴的傾斜角度是非常重要的一個(gè)因素，探究噴嘴角度的最佳范圍可以有效提高引射除塵器的工作效率，減少能量損耗。國(guó)內(nèi)大多是針對(duì)燃燒器、制冷、供暖等方面的小型引射除塵器參數(shù)研究，對(duì)于應(yīng)用于礦山的大型引射除塵器噴嘴角度涉及甚少。CFD相當(dāng)于“虛擬”地在計(jì)算機(jī)做實(shí)驗(yàn)，在研究流動(dòng)現(xiàn)象、解決流體工程實(shí)際問(wèn)題等方面發(fā)揮著重要作用，利用CFD模擬軟件對(duì)不同噴嘴角度下的引射面的壓力分布進(jìn)行模擬分析，可以清楚地對(duì)比引射效果，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全可靠性，對(duì)后期實(shí)驗(yàn)也有較大的指導(dǎo)意義。

1 引射除塵器構(gòu)造

引射除塵器的主要結(jié)構(gòu)部件包括工作噴嘴、接受段、漸縮段、混合段、擴(kuò)壓段。高壓氣體(引射氣流)經(jīng)噴嘴高速?lài)姵觯灰錃饬髟谝錃饬鞯募羟凶饔孟卤痪砦M(jìn)入混合段，并與引射氣流發(fā)生動(dòng)量和能量交換，逐漸形成單一均勻的混合氣流。礦用引射除塵器基于此原理，井下高壓氣體經(jīng)小孔噴嘴把含塵的低壓氣體從大孔引射口引射至接受段，經(jīng)混合段氣流混合均勻，通過(guò)擴(kuò)壓段來(lái)升高靜壓，使得大部分動(dòng)能被回收，同時(shí)收集含塵氣體進(jìn)行濾塵處理。礦用引射除塵器示意圖如圖1所示。

1-接受段；2-漸縮段；3-噴嘴；4-混合段；5-擴(kuò)壓段圖1 礦用引射除塵器示意圖

2 模型構(gòu)建

2.1 網(wǎng)格模型構(gòu)建

在Gambit軟件中依照礦用引射除塵器的真實(shí)尺寸建立模型，本文主要研究噴嘴角度對(duì)引射性能的影響，擴(kuò)壓段不是本項(xiàng)研究的重點(diǎn)，因此模型只建立工作噴嘴、接受段、漸縮段和混合段。噴嘴直徑D1為28 mm，引射口直徑D2為600 mm，混合段直徑D3為200 mm,接受段長(zhǎng)度L1為600 mm，漸縮段長(zhǎng)度L2為200 mm，混合段長(zhǎng)度L3為2900 mm。噴嘴軸向位置沿引射除塵器的中軸線，徑向位置在引射除塵器徑向線的中點(diǎn)，噴嘴出口與混合段入口截面平齊，在此位置處來(lái)改變噴嘴的傾斜角度。礦用引射除塵器Gambit模型圖如圖2所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

在Gambit軟件中對(duì)所建模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，注意劃分網(wǎng)格距離精度不能太大，否則會(huì)使后期Fluent計(jì)算不精確，殘差不容易收斂，從而影響模擬效果。

圖2 礦用引射除塵器Gambit模型圖

利用Gambit網(wǎng)格劃分體網(wǎng)格時(shí)，有Hex(六面體)Hex/Wedge(六面體/契形)和Tet/Hybrid(四面體/混合)網(wǎng)格3種類(lèi)型。為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，增加劃分的網(wǎng)格數(shù)量，采用四面體混合網(wǎng)格劃分方式，劃分網(wǎng)格數(shù)量均在40萬(wàn)以上。

2.3 塵源構(gòu)建

不同礦井由于煤、巖地質(zhì)條件和物理性質(zhì)的不同，以及采掘方法、作業(yè)方式、通風(fēng)狀況和機(jī)械化程度的不同，礦塵的生成量有較大的差異。模擬過(guò)程中設(shè)置一個(gè)通用粉塵參數(shù)比較困難，因此只選取某一礦井粉塵參數(shù)。設(shè)置塵源初速度為零，動(dòng)力只有引射壓力。將模型文件導(dǎo)入Fluent中后，進(jìn)行的塵源參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 噴射源參數(shù)設(shè)置

2.4 邊界環(huán)境

井下氣泵壓力為0.5 MPa，但是某些礦井由于管路沿程較長(zhǎng)，能量損失較多，實(shí)際壓力往往較小，故較低壓力下進(jìn)行引射模擬對(duì)多數(shù)礦井更有實(shí)際意義，本次模擬設(shè)定噴嘴壓力為0.2 MPa，其余壓力面的壓力均為大氣壓。不同角度下的壓力面參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 不同角度下邊界環(huán)境參數(shù)設(shè)置

2.5 控制方程和湍流模型

模擬流體對(duì)象為氣-固混合流體，在引射除塵器內(nèi)部運(yùn)移為湍流模型。采用κ-ε兩方程模型來(lái)求解湍流擴(kuò)散問(wèn)題時(shí), 控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、組分運(yùn)輸方程和κ-ε方程。選擇Discrete Phase Model(離散相)模型模擬粉塵在氣體中的流動(dòng)。模擬過(guò)程中為計(jì)算方便，將流體對(duì)象視為不可壓縮、不計(jì)粘性的理想流體，并忽略管壁摩擦。

3 模擬結(jié)果

本研究主要探討噴嘴角度的一個(gè)最佳范圍，在引射除塵器管壁模型不變的情況下，噴嘴分別設(shè)置0°、15°、30°、45°、60°和75°這6個(gè)角度來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬。本次模擬綜合引射除塵器內(nèi)部流線走向、引射面壓力分布、引射面壓力與外部大氣壓壓差變化曲線、引射風(fēng)量變化4個(gè)指標(biāo)，來(lái)評(píng)判引射除塵器性能的優(yōu)良，使得分析結(jié)果更為準(zhǔn)確。

3.1 射除塵器內(nèi)部流線分析

不同噴嘴傾斜角度下引射除塵器內(nèi)部流線圖如圖3所示。

從圖3的模擬結(jié)果可以看出，噴嘴角度為0°和15°時(shí)，引射除塵器的接受段流線圖比較平滑；噴嘴角度在15°～75°過(guò)程中，接受段流線出現(xiàn)旋渦，隨著噴嘴角度的增大，旋渦范圍逐漸增大，噴嘴角度在60°和75°時(shí)甚至出現(xiàn)了回流。

3.2 引射面壓力分布分析

不同噴嘴傾斜角度下引射面壓力分布云圖如圖4所示。

從圖4的模擬結(jié)果可以看出，噴嘴角度為0°和15°時(shí)，引射面壓力分布比較均勻，噴嘴角度15°時(shí)引射面絕對(duì)壓力較小；噴嘴角度在15°～75°過(guò)程中，隨著噴嘴角度的增大，引射面絕對(duì)壓力分布越來(lái)越不均勻，且引射面絕對(duì)壓力逐漸升高。

圖4 不同噴嘴傾斜角度下引射面壓力分布云圖

3.3 引射壓差大小分析

對(duì)引射效果進(jìn)行直觀的定性分析后，通過(guò)對(duì)噴嘴不同角度下的引射壓差的大小比較進(jìn)行定量分析，引射壓差是引射面絕對(duì)壓力與外部環(huán)境(大氣壓)的壓差，引射壓差越大，則說(shuō)明引射效果越好。不同噴嘴角度下的引射壓差折線圖如圖5所示。

圖5 不同噴嘴角度下的引射壓差折線圖

從圖5可以看出，各角度下引射面壓力與外部大氣壓壓差均較小。隨著噴嘴傾斜角度逐漸變大，引射面與大氣壓的壓差先增大后減小，尤其在0～15°引射壓差變化速率較快。在噴嘴角度為15°時(shí)存在壓差最大值，此時(shí)引射效果最好。

3.4 引射風(fēng)量分析

本次模擬中采用的性能指標(biāo)為引射風(fēng)量計(jì)算公式見(jiàn)式(1)：

Q=S×V×60

(1)

式中：Q——引射風(fēng)量，m3/min；

S——引射面面積，m2；

V——引射速度，m/s。

根據(jù)井下的實(shí)際情況，引射式除塵器的引射風(fēng)量約為500～600 m3/min。

不同噴嘴角度下的引射風(fēng)量折線圖如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著噴嘴傾斜角度逐漸變大，引射風(fēng)量先增大后減小，其變化趨勢(shì)與引射壓差一致。在噴嘴角度為15°左右時(shí)達(dá)到最大值，引射風(fēng)量最大，滿(mǎn)足井下引射風(fēng)量需求。

綜上所述，噴嘴在傾斜15°時(shí)，引射除塵器的引射面壓差最大，引射風(fēng)量最大，壓力分布均勻。

圖6 不同噴嘴角度下的引射風(fēng)量折線圖

4 結(jié)論

本文利用CFD模擬噴嘴不同角度下引射除塵器的引射性能可以得出，噴嘴傾斜角度過(guò)小或者過(guò)大以及引射除塵器內(nèi)部流線不光滑容易出現(xiàn)旋渦或回流；引射面壓力分布不均容易導(dǎo)致引射氣流紊亂；引射壓差達(dá)不到理想最大值，引射風(fēng)量較小。經(jīng)模擬分析結(jié)果可以看出，噴嘴角度在15°時(shí)，其引射壓差達(dá)到最大值，獲得最大的引射風(fēng)量。如此，可在最佳角度值下對(duì)引射除塵器進(jìn)行設(shè)計(jì)來(lái)提高除塵效率，減少能量損失，對(duì)以后的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也有較大的指導(dǎo)意義。