液壓支架負壓除塵器引射筒內部流場特性研究

翟國棟，楊 幸

(中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院，北京 100083)

煤礦井下進行掘進、采煤、運輸等操作都會產生大量的粉塵，嚴重影響礦井的生產環境，有效降低粉塵濃度是井下安全作業的重要環節[1，2]。當前礦井內應用較多的為煤層注水、噴霧降塵、泡沫除塵及除塵器除塵等多種除塵技術[3，4]。目前國內安裝于液壓支架上的降塵設備主要以噴霧降塵為主，其存在噴水裝置流量偏低，除塵效率低的問題[5]。為提高除塵效率，提出了一種安裝于液壓支架的引射流負壓除塵器[6]。本文針對負壓除塵器引射筒內部的流場特性問題，基于FLUENT軟件建立了負壓除塵器內部流體仿真模型，得到了不同參數下的流場云圖，通過仿真分析對比，優化了負壓除塵器的關鍵參數，為提高負壓除塵器的除塵效率提供了基礎。

1 負壓除塵器的工作原理

為了提高空間利用率和除塵效率，將負壓除塵器安裝于液壓支架尾梁處[7]。負壓除塵器主要由集氣罩、噴水裝置、引射筒和折流分離器四個部分組成。

負壓除塵器的工作原理如圖1所示，經過井下泵站加壓的水通過管道輸送到噴水裝置時，特制的噴嘴將水的壓力能轉化為動能，噴出時形成霧化的高速水射流。由伯努利定律可知流速的增大伴隨壓力的降低，在噴嘴出口處，高速流動的水射流附近會產生低壓區，在壓差作用下形成吸附作用[8]。同時由于存在霧化角，水流呈傘霧狀布滿整個引射筒并高速前進，形成活塞效應，產生二次負壓。含有煤塵的空氣在負壓作用下從集氣筒處被吸入，由于集氣筒呈收縮狀，由文丘里效應知，含有煤塵的空氣經過縮小的截面時，流速增大。含煤塵的空氣在引射筒內前進的過程中，粗大的煤塵顆粒在重力和慣性碰撞的作用下沉降，而微細的煤塵與水霧混合被捕捉，向前高速推進，在折流分離器作用下被處理過的空氣和含塵廢水分別從折流分離器的上部和下部排出。

圖1 負壓除塵器的工作原理示意圖

2 負壓除塵器引射筒內影響除塵的因素

高壓水從噴水裝置的噴嘴噴出，噴嘴處卷吸作用所形成的負壓流場對整個裝置的除塵效率起著極其重要的影響。為了有效地降低整個工作面的煤塵濃度，必須盡可能地增強射流噴嘴處的卷吸干擾作用，這可通過以下兩個途徑來達到[9]：①增大噴管噴射端出口的霧氣射流的出口速率；②控制合理的氣液比，在盡可能大的水流量下，增大出口處水射流的動壓。

噴嘴的結構模型如圖2(a)所示，噴嘴的內部結構為內旋子式旋芯，旋芯的外表面為螺旋槽形狀，中心開有直通孔[4]。當外部高壓水進入噴嘴時，分成多股水流，一股沿直通孔前進，其它幾股水沿著螺旋溝槽旋轉前進，從而增加水流的紊流度。多股水流在噴嘴出口處的錐形混合區內相遇并混合，由于水流內部湍流作用以及外部氣體的擾動，加之液體表面的張力等作用下使水流破碎、變形，形成圓錐形水霧的初次霧化；高速水霧由噴嘴噴出后，會在噴嘴周圍形成負壓而吸入周圍的空氣，形成引射流，同時，高速水霧與低速空氣之間存在很大的速度差，從而形成高速水霧與低速空氣之間的復合渦流運動，完成液體的第二次霧化。噴嘴的簡化模型如圖2 (b)所示，P1、v1分別為進口液體的壓強和流速，P2、v2為出口液體的壓強和流速。在忽略高壓水的粘度和壓縮性的情況下，可根據伯努利方程：

圖2 噴嘴模型

式中，ρ為液體的密度；h1為進口液體高度；h2為出口液體高度。

由于進口和出口在同一軸線上，由式(1)有：

式中，ΔP為液體進口和出口的壓力差。

由進口和出口的液體流量相同，有：

Q=ρv1A1=ρv2A2

(3)

式中，A1為進口截面面積；A2為出口截面面積。

將式(3)帶入式(2)可得：

式中，D1、D2分別為進口和出口截面圓直徑。

由式(4)可知，在噴嘴進口管徑D1和進口流體壓強一定的情況下，出口流量Q與噴嘴出口管徑D2和出口流體壓強有關。

噴水壓力影響霧流的有效射程及形狀，低壓噴射時，其初期噴出的霧流由于空氣阻力分散成具有很高噴射速度的霧滴，水霧密集，重力影響較小，距離噴嘴口一段距離時，由于空氣阻力作用，速度減慢，開始沉降，此時的霧滴已經沒有足夠的能量捕集粉塵，降塵效率極低。根據霧滴降塵能力將靠近噴嘴口處的區域稱為有效作用區，遠離一段距離的區域稱為衰減作用區，如圖3(a)所示。

圖3 不同噴霧壓力下的霧流狀

高壓噴射時，從噴水裝置噴出的高壓水射流經過很短的圓錐段距離就形成霧滴并產生具有卷吸作用的氣流，能夠把含煤塵空氣卷吸進入霧滴區內，并使其沉降。霧流在高壓作用下快速前進，其速度遠大于沉降速度，不會出現明顯的衰減區，且高流速帶走了周圍大量的含塵氣流，霧流附近空氣缺失，邊界負壓值增高，進而產生較為強烈的卷吸作用。如圖3(b)所示，圓錐段霧流縮短，后面由圓柱段霧流取代，噴霧壓力的增大提高了霧化程度，增加了圓柱段的長度，延長了粉塵與霧流的相互作用距離，有利于噴霧的降塵效果。

此外，由于負壓除塵器安裝在液壓支架上，工作空間有限，負壓除塵器引射筒的長度和直徑都受到一定的限制。因此，當除塵器引射筒的長度和直徑因空位問題取極限值時，噴嘴安裝位置影響流場有效的“圓柱段”長度(圖3(b))，除塵器的除塵效果與噴嘴的安裝位置有關。綜上，整個引射筒內的降塵效果與噴嘴出口管徑、噴嘴出口處流體壓強和噴嘴安裝位置有關。

3 FLUENT流場模擬分析

3.1 FLUENT模型建立

負壓除塵器的三維結構如圖4所示。將模型導入FLUENT軟件，網格劃分時去掉在整個模型中存在對分析結果影響小或者影響結果可忽略的部分，保留集氣筒、引射筒和折流分離器這三個能影響流場變化的計算區域。本文在多相流模型中選擇VOF模型，在湍流模型上選用RNGk-ε模型。

圖4 負壓除塵器結構示意圖

3.1.1 氣相流場的邊界條件

對于壁面邊界條件，取引射筒內端面為固定壁面，并設置為無速度滑移和無質量滲透的條件，即設置相對于引射筒壁面的氣流的切向分速度和法向分速度為零。對于入口邊界條件，將集氣罩入口設置為氣流速度進口，參數為3.7m/s，出口處考慮回流的影響，設為壓力出口。

3.1.2 離散相流場的邊界條件

對于壁面邊界條件，在引射筒內壁面采用反射(reflect)邊界條件，煤塵和霧滴在此處反彈而發生動量變化，變化量由彈性恢復系數確定。法向恢復系數en和切向恢復系數et分別為顆粒與邊界碰撞后法向動量和切向動量保留的比例：

式中，v1，n、v2，n分別為碰撞前后顆粒的法向速度分量；v1，t、v2，t分別為碰撞前后顆粒的切向速度分量。壁面的離散相邊界條件為reflect，恢復系數默認為1.0。

對于入口邊界條件，在DPM模型中選擇breakup破碎模型，建立injection，設置射流源的相關參數，具體情況見表1。

表1 仿真參數設置

對于出口邊界模型，在除塵器出口取escape邊界，即顆粒保持原來的速度移動到計算區域以外，其顆粒軌跡計算在邊界處終止。

3.2 模擬結果分析

負壓除塵器的自變量有三個：一個是水壓，將壓力模擬值分別設置為8MPa、10MPa、12MPa；一個是噴嘴直徑，將噴嘴直徑分別設置為1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm；另一個是噴嘴位置，將噴嘴位置距集塵罩左端面的距離分別設置為400mm、500mm、600mm、700mm。

3.2.1 水壓對噴霧濃度的影響

改變水壓參數，得到負壓除塵器噴霧濃度分布如圖5所示。從圖5可以看出，水自噴嘴噴出以后形成了一個近似錐形的噴霧，由于引射筒直徑較小，噴霧與壁面碰撞后反彈，在噴嘴右側斷面內整體濃度逐漸增大，水霧在引射筒內的分布面積也逐漸增大。

圖5 不同水壓的噴霧濃度云圖

引射筒出口處橫向直線的噴霧濃度分布如圖6所示，水壓為8MPa時，引射筒出口處最大霧滴濃度相對于10MPa和12MPa時較低，且負向末端的霧滴濃度高于正向末端的濃度，出現明顯的沉降現象。壓力為10MPa時，最大霧滴濃度顯著增加，且正負兩個方向末端位置的噴霧濃度相差不大，說明其水平方向的運動速度遠大于沉降速度，不會出現明顯的衰減區。水的入射壓力增加到12MPa時，噴霧的分布面積增大，靠近壁面處的霧滴濃度有所增加，加強了水霧的活塞作用。

圖6 不同水壓引射筒出口處橫向的噴霧濃度分布圖

不同水壓軸線處壓力的變化如圖7所示，對比分析可以發現，隨著水射流噴射壓力的增加，集氣罩入口處的氣體壓力減小，在噴嘴附近形成逐漸增強的負壓，負壓越大，其卷吸含塵空氣的能力越強，除塵效果越好。

圖7 不同水壓軸線處壓力變化

因此，為了增加霧滴降塵能力，縮短噴霧的衰減作用區，應適當增加水的噴射壓力，考慮到水的排放問題，水壓不能過大，噴射壓力12MPa為最佳噴嘴入射壓力。

3.2.2 噴嘴直徑對噴霧濃度的影響

壓力相同時，不同直徑噴嘴霧滴粒徑分布如圖8所示。由圖8可知，在相同的水壓下，隨著噴嘴直徑的增加，水射流形成的霧滴粒徑也逐漸增加。噴嘴直徑為1.0mm時霧滴粒徑整體都比較小，當噴嘴直徑為1.5mm、2.0mm、2.5mm時，粒徑分布范圍相似，且粒徑比較均勻。霧滴粒徑越細，越有利于呼吸性粉塵的捕集[10]。因此在噴霧降塵時，為保證呼吸性粉塵的降塵效果，噴嘴直徑不能過大。

圖8 不同噴嘴直徑對應的霧滴粒徑分布圖

霧滴濃度分布如圖9所示，噴嘴直徑為1.0mm時霧滴濃度最小，噴嘴直徑為1.5mm的霧滴濃度能夠達到的最大值接近噴嘴直徑為2.5mm時的霧滴濃度。在實際操作中，考慮到蒸發現象，霧滴直徑不能太小，濃度越大含塵氣體與霧流接觸面積越大，降塵效率越好[11]，因此噴嘴直徑為1.5mm更符合噴霧降塵的需要。

圖9 不同直徑噴嘴霧滴濃度云圖

3.2.3 噴嘴位置對含塵氣流速度的影響

不同噴嘴位置軸線處氣體速度變化如圖10所示，由圖10可知，當氣體進入引射筒時，由于氣流運動的橫截面積減小，速度急劇增大，并在引射筒左端面的位置達到一個暫時的穩定值，氣體速度為29.83m/s，氣流繼續向右運動，速度略有降低，在噴嘴處受負壓影響，速度再次增加，達到最大值，根據噴嘴位置(距離集塵罩斷面的距離分別為400mm、500mm、600mm和700mm)的不同，氣流的最大速度分別為34.73m/s、35.43m/s、34.94m/s和35.07m/s。到達噴嘴處后，由于噴霧的卷吸作用，氣流水平速度再次迅速增加，達到流場內的最大速度。當氣流與噴霧流接觸時，因液體速度小于氣體速度，且在液體的霧化作用下使氣體的動能轉化為液滴的動能，氣體速度將會有所減小，氣液間進行更充分地相互作用，近似于同質流動，速度趨于穩定。

圖10 不同噴嘴位置軸線處氣體速度變化

當噴嘴處于前部分時，合適的氣液速度差使氣液間更充分地相互作用，引射筒處的速度場分布更加均勻[12-15]。當噴嘴在400mm處時，霧滴與含塵氣體混合后能更快進入穩定狀態，因此最佳噴嘴位置為距離集氣罩斷面400mm處。

4 結 論

本文通過分析負壓除塵器引射筒內部影響除塵效率的主要因素，在FLUENT軟件中搭建了負壓除塵器內部流體模型。得到不同條件下除塵器內部流場的分布情況和物理數據。結論如下：

1)引射筒出口處的DPM濃度明顯大于出口兩側的DPM濃度。隨著噴嘴水壓增加，噴霧的分布面積增大，靠近壁面處的霧滴濃度增加，水霧的活塞作用得到加強。

2)噴嘴水壓越大，集氣罩入口處的氣體壓力減小，在噴嘴附近形成逐漸增強的負壓，其卷吸含塵空氣的能力增強，除塵效果越好。但考慮到能耗和水的排放問題，水壓不能過大。

3)在相同的水壓下，隨著噴嘴直徑的增加，水射流形成的霧滴粒徑也逐漸增加。但霧滴粒徑越大，除塵效果越差。為保證呼吸性粉塵的降塵效果，結合水的蒸發現象，噴嘴直徑應在避免蒸發現象的情況下盡可能選小。

4)含塵氣流在進入引射筒后速度逐漸增加，并在引射筒左端面的位置達到一個暫時的穩定值，由于噴霧的卷吸作用，在噴嘴處氣流速度達到最大值，隨后經過氣液間的相互作用，速度下降并趨于穩定。

通過分析對比，得到負壓除塵器的最佳參數是水壓12MPa，噴嘴直徑為1.5mm，最佳噴嘴位置為距離集氣罩斷面400mm處。在最佳參數下，噴嘴出口處的負壓效果最好，引射筒內的霧滴徑粒細，捕塵效果好，有效捕塵作用區增大，增強了負壓除塵器的除塵效果。相關參數的優化為負壓除塵器的參數設定和結構設計提供依據。