負壓吸塵裝置吸塵口的仿真分析

張延軍，王春艷，孫 融，許 鵬

1太原科技大學機械工程學院 山西太原 030024

2重大裝備液壓基礎元件與智能制造工程研究中心 山西太原 030024

煤 礦粉塵是危害工人身體健康的首要因素，控制煤礦各個生產環節中的煤塵是防止煤塵污染的主要措施。煤層注水可以減少塵源的排塵量，噴霧降塵能有效控制采煤時產生的粉塵，通風除塵可以降低掘進工作面的粉塵體積濃度。上述方法雖然降低了煤礦井下生產過程中產生的煤塵，但從事一線作業的工人衣服上仍然附有煤塵，這些煤塵會跟隨工人進入井上的行人通道造成二次污染。筆者設計了一種負壓除塵裝置，可以及時除去工人衣服上的煤塵。吸塵口是除塵裝置的關鍵部件，其性能的優劣直接影響吸塵效率的高低。大量學者對吸塵口結構進行了研究，黃興華等人[1]設計了一種弧形控塵專用吸塵口；覃先云等人[2]提出了后置不起流道、主體空腔呈 Y 形結構的吸塵口；劉正先等人[3]研究了有一定傾角的雙吸式吸塵口；曾廣銀等人[4]設計了帶導流擋板的弧形吸塵口；吳強運等人[5]基于 Fluent 研究了純吸式和卷吸式吸塵口的流場特性；張洪軍等人[6]針對清掃車的吹吸風道流體流動情況進行了研究。上述研究對吸塵口的設計具有指導意義，但研究吸塵口各結構參數對吸塵效果的影響較少。

筆者以實體建模為基礎，運用計算流體力學，針對初始吸塵口進行流場分析，發現初始設計存在的問題，并研究了各結構參數對吸塵效果的影響規律，改進吸塵口結構，實現了吸塵口對煤塵的高效收集。除塵裝置通過吸塵口使工人身上的煤塵得到及時清理，既能保證煤礦工人的衣物清潔，又不影響煤礦井上的環境。

1 吸塵口結構

1.1 結構參數

吸塵系統工作時，通過集塵箱中風機運轉產生負壓，并由管道傳遞到吸塵口處，在負壓的作用下，附著在工作服表面的煤塵顆粒被吸入管道，進入除塵系統。吸塵口由梯形盒和排氣管組成，其結構如圖 1 所示。吸塵口長度為L，寬度為B，排氣管長度為H，直徑為D，吸塵口收縮角為α，排氣管傾斜角為β。具體結構參數如表 1 所列。

1.2 前置處理

圖1 吸塵口結構Fig.1 Structure of suction port

表1 結構參數Tab.1 Structural parameters

由于吸塵口內部的負壓和四周縫隙的壓力、流量、速度均未知，氣流運動比較復雜，所以在吸塵口外部區域建立擴展區，有利于計算。非結構化網格不受求解域拓撲結構及邊界形狀的限制，計算精確性更高。因此運用 ICEM 對簡化的吸塵口模型及擴展區域進行非結構化網格劃分。吸塵口的網格劃分如圖 2 所示。為得到吸塵口內流場穩定后的仿真，選擇基于壓力的求解器，時間模式設為 Steady，速度屬性設為Absolute，湍流模型選擇標準的κ-ε模型，離散方法采用有限體積法。設置邊界條件時，將擴展區域入口設為壓力入口邊界，邊界類型設置為逃逸，壓強為 0 Pa；將與梯形盒連通的排氣管出口表面設為壓強出口邊界，邊界類型設置為捕捉，相對入口壓差為 -5 000 Pa；將顆粒入射面和壁面邊界類型設置為捕捉。采用歐拉-拉格朗日離散相 DPM 模型分析顆粒的內部流場分布，其中氣體為連續相，固體顆粒為離散相。

圖2 吸塵口網格劃分Fig.2 Mesh division of suction port

1.3 數學模型

吸塵口工作時，會帶動入口附近的空氣流動，周圍的氣體將被吸入，同時吸塵口內部的負壓也會引導煤塵進入除塵系統，氣流和煤塵最終進入集塵箱，其遵循以下方程：

(1) 連續性方程

式中：ρ為流體密度；U為速度矢量。

(2) 動量方程

式中：p′為校正壓強；μeff為有效黏度系數；p為靜壓強；μ為層流黏度系數；ξ為體積黏性系數；μT為湍流黏度系數；k2為湍動能；ε為動能耗散系數。

(3)κ-ε雙方程

1.4 塵粒啟動理論

塵粒的啟動速度定義為：塵粒開始滑動、翻滾并即將懸浮的最小風速[7]。只有風速超過最小風速，塵粒才有可能發生移動。塵粒啟動時，作用在流體中粒子上的迎面阻力和重力應平衡，據此可得塵粒啟動的臨界速度

式中：ρp為塵粒的密度；ρ為氣流的密度；A為經驗系數。

根據朱伏龍[8]的試驗可知煤粉的密度為 1 600 kg/m3，代入式 (5) 可得煤塵啟動速度隨粒徑變化的曲線，如圖 3 所示。

2 參數分析

吸塵口各結構參數對吸塵效果的影響彼此相關，所以有必要對各結構參數進行優化，得出較佳參數。由塵粒啟動理論可知：當接近衣服的氣流速度大于塵粒的啟動速度時，吸塵口能將塵粒吸起。為保證塵粒從吸塵口進入排氣管，需保證排氣管入口處的真空度足夠大。因此，仿真分析時，取吸塵口入口截面、側進氣面以及排氣管入口截面處的速度作為前進氣面速度、側進氣面速度和排氣管入口速度，同時取排氣管入口的平均壓強作為排氣管入口壓強進行分析。

圖3 塵粒大小對啟動速度的影響Fig.3 Influence of dust particle size on startup speed

2.1 吸塵口寬度

吸塵口寬度增加代表著側進氣面進氣量變大。吸塵口寬度對進氣速度及入口壓強的影響如圖 4 所示。由圖 4 可知，隨著寬度的增加，前進氣面速度略有減小，側進氣面速度先增大后減小，排氣管入口速度變化幅度較大，排氣管入口壓強一直減小。

圖4 吸塵口寬度對進氣速度及入口壓強的影響Fig.4 Influence of width of suction port on air speed and pressure at inlet

當吸塵口寬度較小時，隨著寬度的增加，兩側進氣口的進氣面積增大，有利于氣流從兩側進入，因此側進氣面速度略有增大。當吸塵口寬度增大到 26 mm時，如果再繼續增大，側進氣面積對流場起主要影響作用，側進氣面速度開始減小；吸塵口寬度的增加使前進氣口的進氣量減小，故前進氣面速度有所減小；隨著吸塵口寬度的增加，前進氣面的氣流不順暢，排氣管入口處的壓強受大氣壓強的影響小，所以排氣管入口壓強明顯減小。前進氣口的速度是比較重要的，因此在保證前進氣口速度的前提下適當增大寬度可提高吸塵效率。

2.2 排氣管傾斜角

排氣管傾斜角是吸塵口的一個重要參數，直接影響吸塵口內攜塵氣流的壓強和速度分布。排氣管傾斜角對進氣速度及入口壓強的影響如圖 5 所示。由圖 5可知，當傾斜角小于 140°時，隨著傾斜角的增加，前進氣面速度、排氣管入口和出口速度均增大，排氣管入口壓強一直減小；當傾斜角大于 140°再繼續增大時，各種速度均開始減小，而排氣管入口壓強逐漸增大。這是因為傾斜角較小時，隨著角度的增大使得排氣管與入口的連接變得順暢，局部損失減小，吸塵功率增大，所以前進氣面、排氣管入口和出口速度均增大，排氣管入口壓強減小；當繼續增大傾斜角，進氣空間變得狹長，局部損失變大，吸塵功率減小，各進氣口速度減小，同時，由于排氣管與吸塵口連接處截面積增大，吸塵口內的壓強受出口負壓影響較小，所以排氣管入口壓強增大。

圖5 排氣管傾斜角對進氣速度及入口壓強的影響Fig.5 Influence of obliquity of suction port on air speed and pressure at inlet

2.3 排氣管直徑

排氣管直徑主要影響排氣管入口和出口速度。改變排氣管直徑進行流場仿真，吸塵口排氣管直徑對進氣速度及入口壓強的影響如圖 6 所示。由圖 6 可知，隨著排氣管直徑的增加，前進氣面速度、排氣管入口速度增大，當直徑大于 30 mm 時，速度的變化開始平緩；排氣管出口速度逐漸減小，而排氣管入口壓強一直增大。這是因為當直徑小于 30 mm 時，直徑增大，排氣管出口面積增大，在出口壓強一定的條件下，吸塵功率變大，同時攜塵氣流進入吸塵口變得順暢，局部損失小，所以前進氣面速度和排氣管入口速度增大，但出口流量增加的幅度小于排氣管出口橫截面面積增加的幅度，所以排氣管出口速度會減小；排氣管直徑增加，則排氣管進出口的沿程損失減小，故排氣管入口壓強變大；當直徑由 30 mm 繼續增大時，隨著吸塵功率的增大，氣流的流速增加，產生了很大的沿程損失，吸塵功率的增加程度與損失增加的程度比較接近。所以，前進氣面速度和排氣管入口速度的增加變緩，排氣口出口平均速度減小。

圖6 吸塵口排氣管直徑對進氣速度及入口壓強的影響Fig.6 Influence of diameter of exhaust pipe of suction port on air speed and pressure at inlet

3 流場分析

3.1 氣流相分析

初始吸塵口氣流速度如圖 7 所示。由圖 7 可知，顆粒入射面的氣流速度為 8.82～17.6 m/s，此時的氣流分布不均，有積聚現象；吸塵口左右對稱面入口區域氣流速度為 26.5～35.3 m/s，轉彎處由于采用收縮式結構，過流截面積變小，導致轉彎處的氣流積聚加速，速度增至 52.9～61.7 m/s。氣流速度過大不利于對顆粒的收集。

改進吸塵口的氣流速度如圖 8 所示。由圖 8 可知，吸塵口顆粒入射面的氣流速度為 11.6～23.1 m/s，氣流分布均勻；左右對稱面入口氣流速度為 34.7～46.2 m/s。相比于初始吸塵口，各氣流速度遠大于圖7 所示的顆粒啟動速度，顆粒能順利進入集塵室。

圖7 初始吸塵口氣流速度Fig.7 Air speed at original suction port

圖8 改進吸塵口的氣流速度Fig.8 Air speed at improved suction port

3.2 顆粒相分析

采用離散相模型得到煤塵顆粒的運動軌跡如圖 9所示。在評估吸塵口的吸塵性能時，通常將排氣管出口捕捉的顆粒數與顆粒入射面總量的百分比作為主要指標，吸塵口的吸塵效率

圖9 初始吸塵口煤塵顆粒的運動軌跡Fig.9 Motion trajectory of coal dust particle at original suction port

大多數的煤塵顆粒跟隨氣流運動到出口處，有一定的收集作用，但還有一部分顆粒在轉彎處產生渦流效應，不利于塵粒順利進入集塵室。查詢仿真結果，追蹤粒子數量為 2 229 個，其中捕捉 1 534個，逃逸 17 個，可以求得初始吸塵口的吸塵效率為68.8%。改進后可以看到，煤塵顆粒都隨氣流一起運動到排球管出口處，個別顆粒在轉彎后運動軌跡曲折，但最終也被收集，可見改進后的吸塵口收集效果良好。改進后共追蹤粒子數量為 2 094 個，捕捉 1 747個，逃逸了 44 個，改進后的吸塵效率為 83.4%，極大地提高了吸塵效率。

圖10 改進吸塵口煤塵顆粒的運動軌跡Fig.10 Motion trajectory of coal dust particle at improved suction port

4 結語

通過各結構參數分析研究，得出以下結論：

(1) 在保證前進氣口速度的前提下適當增大寬度，可提高吸塵效率。

(2) 排氣管傾斜角小于 140°時，增加傾斜角有利于進口速度的增加與排氣管入口壓強的減小，從而改善吸塵效果。

(3) 排氣管直徑小于 30 mm 時，前進氣面速度和排氣管入口速度增幅較大，有利于增強吸塵能力。

(4) 改進后的吸塵口各氣流速度明顯增大，內部無渦流，實現了吸塵口對煤塵顆粒的高效吸入。