旋轉噴霧降塵機理分析及數值模擬研究

馬慧波

（晉煤集團澤州天安恒源煤業有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

煤礦井下綜采、掘進等工序作業時會產生大量粉塵，粉塵濃度過高嚴重危害井下人員的身體健康，甚至導致粉塵爆炸事故的發生[1,2]。因此，降低粉塵濃度對于礦井的安全生產十分必要。

馬素平等[3]通過對回風巷中影響粉塵沉降效率的因素進行分析，結果表明水霧粒徑越小降塵效率越高，降塵效率主要取決于供水壓力大小；周剛等[4]基于動力學理論推導出顆粒相應力的表達式，并采用數值模擬的方法對工作面粉塵濃度的分布規律進行分析，其結果用于液壓支架噴霧降塵裝置的優化設計；程衛民等[5]對高壓噴霧降塵機理進行分析，并推導出霧化捕捉最小粉塵粒度的解析式，并通過實驗的方法對不同壓力下霧化粒度進行測定，得出粒徑隨壓力增大霧化粒度變小的結論。

雖然目前一些學者對煤礦噴霧降塵技術做了一定的研究，但由于煤礦對于改善作業環境、確保安全生產的迫切要求，仍有諸多問題需要研究。本文以恒源煤業151209巷為工程背景，采用理論分析和數值模擬的方法對旋轉噴霧降塵方法進行研究，研究結果具有一定的應用價值。

1 工程概況

恒源煤業隸屬于晉煤集團，井田位于澤州縣東北，井田面積5.32km2，主采15#煤層，核定生產能力60萬t/a。151305工作面推進長度270m，煤層平均厚度2.75m，平均傾角8°，采用綜采一次采全高采煤法。151209巷（運輸順槽）采用矩形斷面，寬4.0m，高2.8m，運輸皮帶在運煤過程中產生大量粉煤塵，并隨風流四處飄散充滿整條巷道，因此急需采取噴霧降塵措施。

2 旋轉噴霧降塵機理分析

依據旋轉理論[6]，旋轉噴霧的狀態與旋轉初始速度及旋轉方式有極大的關系。旋轉速度的差異導致流場內壓強分布不同，使得噴霧在做螺旋運動時還向四周擴散形成紊流作用，因此其擴散角相對較大，增大了噴霧的擴散范圍，同時噴霧吸附粉塵的性能相應提高。旋轉切向速度較大，使得流場中心壓力降低形成低壓區，低壓區導致場內流體的回流現象，并且其離心力吸引周圍小顆粒粉塵。

旋轉噴霧的霧化過程是不同相態間相互耦合的過程，霧化本質是霧化介質在離開噴嘴后受到空氣剪切力與表面張力的作用，使其破碎形成細小液滴的過程，包括兩次霧化過程：第一次霧化為霧化介質離開噴嘴形成細小顆粒成霧的過程，第二次霧化為噴霧與環境介質繼續作用，形成超細化噴霧的過程。

旋轉噴霧降塵包括：①碰撞捕捉：小粒徑粉塵在原運動慣性的作用下與旋轉噴霧發生碰撞被捕捉；②截留作用：當旋轉噴霧與小粒徑粉塵群間距極小時，由于噴霧間的引力和表面力作用，使得粉塵群被阻礙截留；③擴散作用：小粒徑粉塵受空氣流場作用相互碰撞，做不規則的布朗運動，與旋轉噴霧發生碰撞被捕捉。

3 旋轉噴霧降塵模擬研究

3.1 模型的建立

采用ANSYS軟件對旋轉噴霧降塵進行建模，建立模型時依據含有粉塵的空氣流在巷道中不同的運動分布情況以及風流場與噴射源的耦合作用。為更好地模擬噴霧降塵過程，作如下假設：

1）風流為不可壓縮的理想狀態；

2）巷道側壁摩擦系數相同；

3）忽略溫度的影響，不考慮風流間的熱交換作用；

4）忽略除重力以外其它作用力對環境場的影響。

建立的旋轉噴霧降塵模型主體包含粉塵源、噴嘴及巷道三部分，其中粉塵源為圓錐臺，根據151209巷情況，建立巷道模型長30.0m，寬4.0m，高2.8m，模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

將建立的模型代入Fluent計算流體力學軟件中，考慮重力的影響g=9.8m/s2，其中湍流模型選擇k-ε雙方程模型，進口邊界類型為Velocity Inlet，出口邊界類型為Outflow，巷道壁設置為不捕捉粉塵Reflect，并進行相關參數的設定，見表1。

表1 參數設定

根據旋轉噴霧降塵模擬系統設置要求，在巷道端部設置粉塵源，參數設定見表2。

表2 粉塵源參數設定

3.2 巷道風流場分布特征

在巷道掘進時，風流場的分布特征對于粉塵的運動規律十分重要，對模型結果進行分析，圖2為穩流時的速度矢量圖。分析可知，當風從端部流入巷道后，風速發生突變，從5m/s降低到1.1m/s，從而使得風流變化較復雜發生紊亂；在巷道前部風速逐漸減小并產生分層現象，且巷道下部風速明顯較大；巷道中部風流在頂部噴嘴噴射旋轉噴霧后發生擾動，風流場的風速急劇增大，之后巷道后部風流逐漸趨于穩定。

圖2 流速矢量圖

為分析風流場在巷道斷面的分布情況，分別選定x=-2m、0m和2m三個斷面，圖3為三個斷面的風速云圖。可以看出，在巷道豎直方向風流以一定角度流入，并迅速分成上下兩層，在在巷道前部風速較小，經過中間頂部噴嘴噴射旋轉噴霧后，形成低速渦流低壓區，且風流方向發生偏移。在x=-2m處，巷道上部風速較大，且由于初始穩流的回流影響使得該處風速在三個斷面處最大；在x=0m處，受中部噴霧作用的影響，風速呈先增大后減小的規律，先由穩流時的3.4m/s降至噴霧阻礙作用時0.7m/s，后又升至6.1m/s；在x=2m處，巷道前部穩流段風速擴散較紊亂，之后風流分布均勻，風速保持在2.0m/s附近。

圖3 風速云圖

3.3 粉塵濃度分布特征

在巷道掘進時，粉塵顆粒隨風流四處運動，圖4為巷道粉塵分布云圖。可以看出，沿巷道走向粉塵濃度分布有較明顯的分布差異，按其濃度可以劃分為高濃度、中濃度、低濃度三段。高濃度段發生在巷道端部粉塵源發射區域，在粉塵源發射后，粉塵濃度極高，在巷道端部迅速擴散濃度略微降低，因受風流壓力和速度的影響，使其在巷道端頭局部產生渦流現象，同時由于重力作用使得粒徑較大的粉塵向巷道底板側偏移，濃度最大約為1000mg/m3。中濃度段發生在巷道前中部區域，該區域粉塵濃度逐漸減小，分布較均勻，同時由于巷道中間頂部噴霧的阻礙作用，使得前中部粉塵較難繼續向巷道后部擴散形成繞流。低濃度段發生在巷道后部區域，經噴射旋轉噴霧影響，使得原小粒徑粉塵的運動路線發生較大偏移形成紊流，致使巷道后部粉塵濃度較小，低至約100mg/m3，表明旋轉噴霧可以有效降低粉塵濃度。

圖4 粉塵濃度分布圖

3.4 旋轉噴霧粒徑分布特征

旋轉噴霧的粒徑分布特征與噴射壓力、速度及噴嘴設計有很大關系，較好的霧化過程可以提高噴霧覆蓋范圍及分散度。為分析旋轉噴霧的粒徑分布特征，選定噴嘴壓力2MPa時的霧化效果進行模擬分析，粒徑分布如圖5所示。可以看出，在旋轉噴霧后，水霧沿噴射嘴呈放射性分布，距離噴嘴越近壓力越大霧化擾動越明顯，噴霧分布較均勻，粒徑尺寸范圍為60μm～448μm，其中200μm～300μm尺寸的水霧最多，且水霧的覆蓋面積廣、粒徑較小。

4 結論

1）受巷道中部旋轉噴霧的作用，風流場發生擾動，風速急劇增大，之后在巷道后部風速趨于穩定；

2）沿巷道走向粉塵濃度分布有較明顯的分布差異，按其濃度可以劃分為高濃度、中濃度、低濃度三段；

3）旋轉噴霧覆蓋面積廣、粒徑較小，可以有效降低粉塵濃度。

圖5 噴霧粒徑分布圖