氣動旋轉射流風幕風速空間分布與控塵性能研究

陳景序，滕 婷，荊德吉，智栐凱，陳麗林，李延續

(1.內蒙古科技大學礦業與煤炭學院，內蒙古 包頭 014010；2.遼寧工程技術大學安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

由于掘進工作面狹長的結構特性，掘進工作面工程作業過程中產生大量粉塵,隨風流蔓延整條巷道，且不易排出，局部最高粉塵濃度可達3.0 g/m3[1-3]。尤其是堆積在機械、電氣設備上的粉塵，不僅嚴重影響井下人員安全與應急疏散，而且會因為機械高溫存在潛在火災的威脅[4-5]。為了有效控制由煤塵擴散引起的環境污染，本文針對新型除塵裝置的外部旋轉風幕形成過程進行研究，該裝置可在掘進機前段形成一股強有力的旋轉射流風幕[6]。因而，本文所提出的旋轉射流風幕速度空間分布研究具有重要意義。

目前，國內學者不斷開展新興技術研發，風幕除塵技術得到不斷進步[7-8]。MA等[9]設計了一種安裝在掘進機上的風幕控塵系統，可在不影響車輛工程作業的同時形成完整風幕，且具有較好的捕塵性能。劉榮華等[10]基于CFD軟件對掘進工作面的旋轉射流屏蔽通風技術進行研究分析，獲得了不同吹吸流量下的最佳控塵效果。聶文等[11]和YIN等[12]深入分析研究多向渦流風幕發生裝置的阻塵性能，采用多方法結合的方式對綜采工作面氣幕風流場、粉塵場耦合過程和控制能力進行分析。荊德吉等[13]依據氣固兩相流理論構建并修正了粉塵濃度擴散二流體數值計算模型及顆粒軌道計算模型，結合工程實踐對不同曳力模型下的粉塵顆粒逸散規律進行了分析。王冬輝等[14]基于風幕封閉控塵技術，利用FLUENT軟件探究掘進面壓抽混合式通風方式下風-塵擴散規律進行分析，并優化設計掘進工作面綜合控除塵系統。

本文對內環旋轉射流風幕形成機理進行了分析，并利用CFD軟件建立掘進機及設備布置模型，對旋轉射流氣相流場進行模擬；并通過相似實驗，確定同等射流風速條件下的風速衰減與空間分布，為氣動旋轉射流風幕的分級行為提供理論依據。

1 裝置結構及工作原理

氣動旋轉射流風幕是通過利用均勻布置在環狀風筒的高壓風流引射器的疊加效果而形成的氣動旋轉風幕。其工作原理是以壓力風流作為渦旋風幕發生裝置的工作流體，利用均勻布置在環狀風筒上的高壓風流引射器噴孔出口位置噴射而出的高壓風流干涉作用。從“圓環裝置”內環噴孔出口處多股射流附近發生堆疊向外沖擊。因此，在掘進機頭處形成了疊加，并旋轉指向工作方向的高速旋轉螺旋網狀風幕墻，內環旋轉的沖擊射流是旋轉射流風幕的主要能量來源。所設計的旋動風幕裝置根據掘進工作面掘進機工作情況設置，風速出口為高壓風流引射器，所設計出風口均勻分布在設備內傾壁面上，高壓風流引射器出風口軸線指向水平切線方向。通過合理的工況參數，便可形成一個有效的旋轉射流風幕，所繪制的裝置結構安裝三維實景圖如圖1所示，旋轉射流風幕干涉示意圖如圖2所示。

圖1 裝置結構安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of device structure installation

2 數學模型與實驗方案設計

2.1 模型建立

2.1.1 數學模型

以氣動旋轉射流風幕旋轉作業時作為研究對象，因氣相流體流動時速度較低，為不可壓縮運動，各參數變化量較小，為減少計算量，降低計算成本，將流場簡化為不可壓縮、絕熱的定常流動，因此采用不可壓縮k-ε湍流模型對旋轉裝置射流風速場進行計算。湍流動能方程(k方程)和湍流能量耗散率方程(ε)計算見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

2.1.2 物理模型

根據地下礦井掘進工作面實際應用現狀設定為寬4.5 m、高3.5 m、長30.0 m的模擬掘進巷道，并繪制實物掘進機模型。形環形風筒外環徑1.1 m，內環徑0.9 m，寬0.3 m。建立與實物幾何尺寸比為C=L∶L′=10∶1，采用三維軟件繪制掘進機外裝置的物理模型，建立長方體掘進巷計算域，尺寸為長×寬×高=2.00 m×0.45 m×0.35 m；簡化計算域內設施，假設環狀風筒為圓環體，高壓風流引射器與換裝風筒無空隙，高壓風流引射器出口為出風口，掘進機比例模型長度為0.93 m[6]。計算域物理模型如圖3所示。

圖3 計算域物理模型Fig.3 Computing domain physical model

2.2 實驗方案設計

2.2.1 實驗方案設計

基于相似理論建立10∶1相似實驗裝置平臺，當無風實驗室內實驗區域流體流動處于完全紊流狀態，只需滿足動力相似，可對設備流體運動特性進行充分的實驗測定[6]。確保系統各連接件結合處密閉，風幕空間分布實驗需保證實驗工況風速輸出強度穩定，選取射流出口風速分別為20 m/s、25 m/s、30 m/s的實驗風速進行風速分布條件測定。依據射流風速參數依次采用紅色飄帶和風速儀(GM-8903)進行風幕運動方向和速度空間分布模擬實驗測測定記錄，數值單位為m/s。半封閉實驗箱如圖4所示。

圖4 半封閉相似實驗箱Fig.4 Semi-closed similar experiment box

依據設定的射流風速參數依次進行模擬實驗，數值單位為m/s；隔塵效果實驗在半封閉實驗箱壁面設置自制發塵器作為發塵源，實驗步驟為：①單獨開啟發塵裝置(采用CCZ-1000激光粉塵濃度采樣器)；②開啟壓風風機，射流風速分別為20 m/s、25 m/s、30 m/s時對測點1和測點2處粉塵濃度進行測量，即分別在掘進機司機位、掘進機機體后方0.5 m處布置兩個測塵點，測點1為司機位0.75 m、呼吸帶高度0.15 m處；測點2為掘進機組后回風側1.5 m、呼吸帶高度0.15 m處，對粉塵濃度進行測量。

2.2.2 測點坐標布置

根據上述掘進巷XZ斷面平均布置9個測點坐標，測點坐標分別設置為Ⅰ(0.10，0.35)、Ⅱ(0.225，0.350)、Ⅲ(0.35，0.35)、Ⅳ(0.100，0.175)、Ⅴ(0.225，0.175)、Ⅵ(0.350，0.175)、Ⅶ(0.1，0.1)、Ⅷ(0.225，0.100)、Ⅸ(0.35，0.10)，數值單位為m。設備與掘進機迎頭避免每隔0.1 m對風速流場的速度方向及速度空間分布進行測量。測點坐標布置如圖5所示。

圖5 測點坐標示意圖Fig.5 Schematic diagram of setting wind location

3 結果分析

3.1 模擬結果分析

依據CFD模擬軟件中k-ε湍流模型對射流場空間分布進行模擬計算，選擇出口處射流風速出口處由20 m/s增大至30 m/s時進行旋轉風幕空間分布進行數值模擬分析[5]。獲得出口風速30 m/s時掘進巷XZ截面速度空間分布圖如圖6所示。獲得的X軸不同風速測點坐標處射流風速分布如圖7所示。

圖6 XZ截面速度空間分布Fig.6 XZ section simulation results of different jet wind speed

圖7 不同測點射流風速分布Fig.7 Jet velocity distribution of different measuring points

由圖6和圖7可知，風筒指向掘進壁面，旋轉的風流沿掘進巷計算域X軸負方向運動，由于風筒出風口處堆疊導致風速各向動量瞬間發生改變，產生大量誘導動量，風速由出風口處向四周壁面擴散環狀旋轉風流場(旋轉氣幕)；受速旋轉氣流受場中壓力梯度、沿程阻力及空氣自身的黏滯性影響，氣體流速快速衰減降低；由射流出口最高風速30 m/s快速衰減至15 m/s，且旋轉氣幕向X軸負方向有效前進距離較小。由圖7可知，測點Ⅱ、測點Ⅷ處在引射風流出風口附近獲得風速最高點，測點Ⅴ在模型中設有掘進機模型，因此風速被截斷。

3.2 相似實驗結果分析

根據上述實驗設計方案獲得的不同測點風速空間分布結果見表1。表1中風速空間分布方向用以下圖標表示：“⊙”表示指向迎頭，“¤”表示逆向迎頭，“↑”表示由底板指向頂板，“↓”表示由頂板指向底板，“←→”指向壁面。獲得不同斷面測點的風速及風速方向。其中，測點坐標X為距掘進壁面距離，氣流方向選用彩帶進行測量。

由表1旋轉風幕與迎頭方向不同射流風速時各測點風速可知：①測點坐標X=0.3 m，此處由高壓風流引射器出口方向的強制作用形成了旋轉風幕風流場，致使各測點處的風流方向發生變化，說明出風口處高速風流此時形成了指向巷道斷面徑向壁面的旋轉風流；②隨著測點坐標X指向迎頭由0.3 m至0.1 m推移過程中，風速逐漸降至0.1 m/s，說明出風口處高速風流軸向旋轉風流場受到阻礙逐漸減弱，在迎頭處，風速大小和方向基本已無變化；③測定坐標X=0.3 m風速最大測點為測點Ⅱ、測點Ⅷ處，這與模擬結果具有一定的相似性，保證了實驗的準確性。

表1 不同測點風速Table 1 Wind speeds at different measuring points

3.3 單風幕控塵效果分析

表2為粉塵濃度測定表。由表2可知，單風幕控塵效果受旋轉射流風速影響較大，控塵效果隨射流風速的上升而增大，最大射流風速時得到最優控塵性能，全塵濃度由測點Ⅰ司機位置處的433.9 mg/m3下降至161.4 mg/m3，呼吸性粉塵由135.5 mg/m3下降至55.3 mg/m3；測點Ⅱ的全塵濃度和呼吸性粉塵則分別降至121.4 mg/m3和30.3 mg/m3。測點Ⅰ、測點Ⅱ控塵效果較低，當更低射流低風速時，控塵效果則更加不足，說明了該系統單獨風幕條件下雖有一定的控塵性能但整體效果不佳。該系統單獨旋轉風幕僅可用于低濃度粉塵工作面，利用單獨旋轉風幕集塵除塵系統控塵效率較低，不可完全控制掘進工作面粉塵污染。

表2 粉塵濃度測定表Table 2 Determination form of dust concentration

4 結 論

本文通過數值模擬結合相似實驗對氣動旋轉射流風幕的外紊動射流流動特性進行對比分析，得到結論如下所述。

1) 通過對旋轉風幕的形成進行論述，表明該設備可形成指向巷道斷面徑向壁面的旋轉風流，氣相旋轉射流隨射流風速的增大疊加耦合作用增強，各測點處的風速也隨之增大，形成更加強有力、更穩定且旋轉速度更強的風幕墻。旋轉射流風速空間分布受場中壓力梯度、沿程阻力及空氣自身的黏滯性影響，出口處29.8 m/s的高速射流風速快速衰減至15.0 m/s，所形成的旋轉氣幕有效工作距離較小，相似實驗與數值模擬的結果之間具有很好的一致性。

2) 單風幕控塵效果實驗表明：該系統在旋轉風幕條件下也可單獨用于低濃度粉塵工作面，但不可完全控制掘進工作面粉塵的逸散，說明新型控塵裝置單一風幕的局限，以后需將其與風霧進一步結合。