水幕降塵系統霧滴分布受風流影響的數值模擬研究

曹建霞，張永亮，付翠翠，姚 奇

(青島理工大學機械與汽車工程學院，山東 青島 266520)

金屬礦山在采選生產過程中產生的大量粉塵若不及時處理，將會造成礦井下作業環境的嚴重污染，進而影響礦工的身體健康與生產的順利進行。許多研究者已針對這種現狀開展了一系列研究，在金屬礦山粉塵防治領域開發出了適合于金屬礦山粉塵治理的方法與技術，包括通風除塵、噴霧降塵、泡沫抑塵、抑塵劑抑塵等傳統或新型粉塵污染控制方法[1-4]，并通過軟件模擬或試驗研究等多種方法探究了金屬礦山井下作業面風流場分布、粉塵空間分布等一系列與粉塵運移相關聯的分布規律[5-6]。此外，研究者們更進一步地對影響降塵效率的因素展開了分析[7-9]，如張波等[10]對氣水噴霧的噴頭型號進行了優化試驗研究，得出半徑為1.5 mm可調廣角的噴頭霧化效果最好；聶文等[11]基于噴嘴霧化特性測定試驗裝置，通過對應用效果較優的實心圓錐霧場噴嘴施加不同壓力，得出噴霧壓力為8 MPa時噴嘴霧化降塵效果最優；王鵬飛等[12]基于自主研發的氣水噴霧降塵試驗平臺，對不同供水壓力下的氣水噴霧噴嘴流量、霧化特性參數及降塵效率進行了測定，結果表明礦山作業場所在采取氣水噴霧降塵方法時，供水壓力不能過高也不能過低；慧雙琳[13]利用Fluent數值模擬軟件對噴嘴噴霧特性參數進行了定量分析，通過分析不同風速、噴嘴壓力下霧滴質量濃度分布及霧滴速度，得到了橫向風速和噴嘴壓力對降塵噴霧特性的影響。

目前，針對水幕降塵效率影響因素的研究方向逐漸細化，礦山降塵體系已得到進一步完善[14-15]。然而，對于金屬礦山水幕降塵系統缺少專門的降塵效率影響因素分析。因此，本文將利用Fluent數值模擬軟件分析不同風速下巷道內形成的風流場以及水幕噴嘴產生的霧滴場分布特征，探究巷道風流對水幕降塵系統霧滴分布的擾動作用，以完善水幕降塵系統在金屬礦山領域的影響因素分析體系。

1 水幕降塵效率的影響因素分析及數值模擬的物理模型

1. 1 水幕降塵效率的影響因素分析

探究水幕降塵系統降塵效率的影響因素有利于完善和優化降塵體系，然而在金屬礦山領域對影響水幕降塵效率的研究較少，本文就此展開研究分析。分析水幕降塵效率的影響因素出發點在于探究水幕降塵系統中能夠引起霧化特征改變使得形成的霧滴場波動的因素，包括噴嘴自身屬性和外部條件。

1.1.1 噴嘴自身屬性

(1) 噴嘴選型。噴嘴的結構對于它所能生成的水霧起到至關重要的作用，不同類型的噴嘴結構不同，霧化效果各異。針對不同噴嘴類型的特點并結合我國金屬礦山降塵現場應用的具體情況可知，機械霧化噴嘴因種類眾多、適應性強等優點，在工礦企業的應用較為廣泛[16-17]。

(2) 噴嘴直徑。噴嘴直徑直接影響噴嘴的流量，在保證其他條件相同的基礎上，在一定范圍內噴嘴流量、霧化錐角隨著孔徑的增大而增大，有利于粉塵的捕獲。相關試驗證明，噴嘴霧化的霧滴粒徑越接近粉塵顆粒粒徑，粉塵的沉降效果越佳[18]。

2.1.2 外部條件

(1) 供水壓力。供水壓力即為噴霧霧化的外在動力，也是影響水幕除塵效率的關鍵因素。在噴嘴選定的情況下，噴霧壓力與霧化粒度成正相關性，所以高壓噴霧能夠很好地實現對呼吸性粉塵的捕集，但高壓噴霧又存在耗水量大、成本高的局限，這就要求可通過改變噴霧壓力觀測水滴霧化的粒徑分布，并綜合考慮除塵效率、用水量、成本等要素來確定最佳的噴霧壓力[19]。

(2) 巷道風流速度。巷道風流速度直接影響噴嘴的霧化、降塵效果。噴嘴噴霧形成的射流進入風流后，會發生一定程度的偏移，影響霧滴與塵粒碰撞時具有的速度，從而改變霧滴場的初始分布[20]。

1. 2 數值模擬的物理模型

本文通過數值模擬的方法探究水幕降塵效率影響因素之巷道風流速度產生的影響效果，主要利用Fluent流體分析軟件模擬礦井巷道的風流與水幕。模擬涉及到的主要物理模型有湍流模型、離散相模型和噴霧模型。

1.2.1 湍流模型

大多數流動都在湍流范疇內，巷道內的風流也不例外。針對不同的湍流流動問題，學者們提出了相應的湍流模型，考慮到巷道內流體流動特性及相關計算方面的要求，本文選取標準k-ε模型進行求解。標準k-ε雙方程假設流體流動為完全湍流且忽略分子黏性的影響，需要求解湍動能及其耗散率方程[21-22]。湍動能輸運方程通過精確的方程推導而來，其方程表達式如下：

(1)

耗散率方程則是通過物理推導，數學上模擬相似原型方程得到，其表達式如下：

(2)

上式中：k為湍動能(m2/s2);ε為耗散率(m2/s2);ρ為流體密度(kg/m3)；t為時間(s)；μ為湍流黏度(Pa·s)；μt為湍流黏性系數(Pa·s);Gk為平均速度梯度引起的湍動能產生項；Gb為浮力導致的湍動能產生項;YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散能的影響；σk=1.0，σε=1.2;C1ε、C2ε、C3ε為Fluent軟件默認值常數，分別為1.44、1.92、0.09。

1.2.2 離散相模型

離散相模型是以歐拉-拉格朗日方法為基礎建立的，該模型將氣體或液體看作連續介質，視另外一相是離散于背景流體中的顆?；蛄Ｗ樱脷W拉觀點描述連續相流場，離散相則通過求解拉格朗日坐標系下的顆粒作用力微分方程得到離散相顆粒的軌道[23-24]。離散相顆粒即粉塵軌道的計算需通過對拉格朗日坐標系下的顆粒作用力微分方程進行積分得到。顆粒的作用力平衡方程可簡單地表示為顆粒慣性等于作用在顆粒上的各種力，在笛卡爾坐標系下的形式(x方向)為

(3)

式中:up為顆粒速度(m/s);u為流體相速度(m/s);FD(u-up)為顆粒的單位質量曳力(N/kg);g為重力加速度(m/s2);rp為顆粒密度(kg/m3);r為流體密度(kg/m3);Fx為顆粒受到的其他作用力(N)，主要考慮粉塵顆粒受到的浮力，其他作用力可忽略不計。

1.2.3 噴霧模型

水幕是基于多個噴嘴噴出霧滴所形成的一道阻隔，Fluent軟件提供了多種復雜的噴霧模型，所有模型都是用選定噴嘴的物理及尺寸參數(噴口直徑、質量流率)來控制初始顆粒尺寸、速度、位置等指標。在本次模擬中選用壓力-旋流噴嘴模型，液滴破碎模型選定TAB模型。TAB模型是模擬液滴變形與破碎的經典方法，該方法源于在彈簧質量系統與液滴振蕩、變形之間的泰勒類比，認為液滴的破碎是由于液滴表面不斷增大的波動振幅。TAB模型中液滴的受力方程可表示如下：

(4)

其中：

(5)

(6)

(7)

上式中：Fa為氣動力(N)；Fσ為表面張力(N);Fμ為黏性力(N);ud為液滴的速度(m/s);σ為液滴的表面張力系數(N/m);μd為液滴的動力黏度[kg/(m·s)];r為液滴的半徑(m)；ρd為液滴的密度(kg/m3);ua為空氣的速度(m/s)；ρa為空氣的密度(kg/m3);CF、Ck和Cd為無量綱參數，Lamb[25]確定了CF、Ck和Cd的取值分別為1/3、8和5。

當y=1即位移量x為初始液滴半徑r的一半(x=0.5r)時，則認為液滴已經破碎。

2 數值模型的建立

2. 1 幾何模型的建立

為了有利于水幕噴嘴的設置，對建立的幾何模型進行了一定的簡化。玲瓏金礦大開頭-270 m西側掘進巷道斷面近似尺寸為4.8 m×3 m的矩形，截取巷道長度50 m?？紤]到金屬礦山掘進巷道的真實情況以及數值模擬分析的需要，對掘進巷道內的相關參數進行了一定的假設：①巷道內氣流為連續相，噴嘴噴射出的霧滴離散于流場，均滿足包括三大守恒定律在內的多種物理定律；②巷道內不涉及到溫度的轉變與傳遞，視巷道流場邊界與流體內部無熱源；③風速的改變影響噴嘴形成霧滴的分布，反之霧滴的運動對風流場產生擾動。

通過軟件SpaceClaim Design Modeler建立了巷道幾何模型,見圖1。

圖1 巷道幾何模型Fig.1 Tunnel geometry model

2. 2 幾何模型的網格劃分

將建立好的巷道幾何模型導入到ICEM網格劃分軟件中進行網格的劃分，本模型的幾何結構簡單規則，選用計算性強的六面體結構化網格，網格劃分方法為基于附加塊的網格劃分法，網格劃分后的網格數為31 229，網格質量良好，見圖2。

圖2 網格劃分結果Fig.2 Meshing results

2. 3 參數設置

將網格模型導入Fluent軟件中，結合流體動力學與數值模擬方法，確定相關參數。

2.3.1 基本求解設置

求解器類型選用基于壓力的求解器，采用絕對速度方程，關于求解器的時間類型選擇上采用先通過穩態流動計算連續相收斂，后在瞬態流動中計算離散相，追蹤顆粒相的運動軌跡。開啟湍流模型中的標準k-ε雙方程及離散相模型。模擬涉及到的材料有空氣及液態水，相應屬性采用默認值，無需改動。

2.3.2 邊界條件設置

依據《金屬非金屬礦山安全規程》(GB 16423—2020)和《金屬非金屬地下礦山通風技術規范 通風系統》(AQ 2013.1—2008)中相關的規定，巷道型采場和掘進巷道的排塵風速不得小于0.25 m/s，井巷斷面平均最高風速不得超過4.0 m/s，據此設定巷道內風速即模擬進口邊界的速度分別為0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s，分析不同風速下對應的水幕霧滴場質量濃度分布特征。具體的邊界條件設置見表1。

表1 邊界條件設置

開啟離散相模型后，進口和出口邊界為逃逸狀態，壁面為捕捉狀態。

2.3.3 水幕噴嘴設置

水幕噴嘴設置于距掘進面20 m處的巷道斷面，巷道頂板間隔0.8 m布設5個噴嘴，巷道兩側壁中央各設1個噴嘴。水幕噴嘴的參數設定值見表2。

表2 水幕噴嘴參數設定值

3 數值模擬結果與分析

為了研究巷道內不同風速對水幕降塵系統形成霧滴場的擾動影響，分析了不同風速v下掘進巷道內形成的風流場以及各風速下水幕噴嘴產生的霧滴場分布特征。

3. 1 風流場分布特征

在CFD-Post專用后處理軟件中分析模擬結果，得到不同風速下掘進巷道內水幕附近的流線，見圖3。由于風速為2.5 m/s和3.0 m/s時對應的流線大致與風速為2.0 m/s時的流線趨勢一致，故未在圖中標出。

圖3 不同風速下掘進巷道內水幕附近的流線分布Fig.3 Streamline of distribution near water curtain in tunneling roadway

由圖3可見，圖中明顯不同于其他流線的即風速為0.5 m/s時的流線，水幕附近的流線有明顯的渦流產生，且隨著風速的增大，渦流現象不再明顯并趨于消失。渦流的產生是由于水幕附近噴霧在高壓下噴出同樣具有一定的速度，而在設置的水幕下方形成一處看不見的風流阻礙，使數值較小的巷道風流經過此處時或從阻力較小的低處繼續向前或被阻隔只能繞道而行，即產生圖中所示的渦流現象，且風速越大，水幕噴霧形成的阻礙影響越小，流線走勢逐漸平穩。

為了更加直觀地認識到巷道內風速的分布，截取掘進巷道縱向中斷面的風速分布云圖，見圖4。

圖4 不同風速下掘進巷道縱向中斷面的風速分布云圖Fig.4 Airflow field distribution in longitudinal and middle section of tunneling roadway under different wind speeds

圖4更加直觀地展示了風流對水幕產生的影響隨著風速的增大而增大。由圖4可以明顯看到水幕下方形成的高于巷道其他位置速度的帶狀流場，隨著巷道風速的增加，帶狀流場持續向前延伸，橫向覆蓋的范圍越來越廣，但在風速的影響下，水幕流場由最初能抵達巷道底板轉至較為集中分布在巷道頂板。

3. 2 水幕霧滴場分布特征

開啟的隨機軌道模型可追蹤離散相即霧滴的運動軌跡，包括霧滴顆粒的直徑大小。由模擬結果分析可知，水幕霧滴粒徑范圍內最小值為8.16×10-6m，最大值為5.9×10-5m，即霧滴粒徑在8～59 μm之間，不同風速下模擬形成的對應的水幕霧滴顆粒數為20 499個、23 494個、27 708個、32 247個、30 531個，風速為3.0 m/s捕捉到的霧滴粒徑有一部分離開計算域，故數值相對較小，但對霧滴粒徑占比的影響較小。不同風速下各霧滴粒徑的顆粒數占比，見表3。

由表3可知，不同各風速下各霧滴粒徑的范圍及顆粒數占比差別不大，說明風速對霧滴粒徑的影響不明顯，且形成的霧滴粒徑多集中在30 μm左右。

表3 不同風速下各霧滴粒徑的顆粒數占比

由于水幕霧滴粒徑的分布無法判定噴霧效果，本文選取霧滴質量濃度分布進一步評判水幕降塵系統的霧化效果，因此選取人的呼吸帶高度橫向斷面即z=1.5 m平面、巷道縱向中截面即x=2.4 m平面作為參考平面，模擬得到不同風速下巷道各平面霧滴質量濃度分布云圖(見圖5)，并根據霧滴質量濃度的整體分布確定水幕降塵系統的霧化效果?？紤]到礦井粉塵對人體產生危害的主要途徑是經由呼吸道進入肺部，故將z向高度1.5 m命名為人的呼吸帶高度，該處的霧滴濃度應呈現分布上的優勢。

圖5 不同風速下巷道平面霧滴質量濃度分布云圖Fig.5 Mass concentration distribution of droplet field at different sections under different wind speeds

由圖5(a)可以看出：當巷道風速為0.5 m/s時，水幕形成的霧滴在整個巷道內能夠到達最遠的距離大致距水幕噴嘴安設處10 m左右，霧滴質量濃度最大接近0.09 kg/m3，霧滴質量濃度峰值集中在水幕附近；隨著風速的增加，霧滴在巷道內覆蓋的范圍擴大，霧滴逐漸占據整個巷道，當風速為3.0 m/s時，水幕產生的霧滴到達巷道出口處甚至逸出，與此同時，霧滴的最大質量濃度縮減至0.03 kg/m3左右，說明巷道風速越大，對水幕噴嘴霧化效果的影響越大，到達同一平面時的霧滴質量濃度越小。由圖5(b)可得到另一個方向上的霧滴分布：噴霧在遇到橫向風流時，隨著風速的增大，霧滴的偏移距離變大，由覆蓋整個截面到靠近巷道底板位置出現霧滴盲區，霧滴質量濃度峰值停留在風速為1.0 m/s、2.0 m/s條件下。

為了更好地探究水幕形成的霧滴在巷道內的運移特征，模擬得到水幕下方y=20 m、水幕后方5 m即y=25 m巷道截面的霧滴質量濃度分布云圖，見圖6。

圖6 不同風速下巷道截面霧滴質量濃度分布云圖Fig.6 Mass concentration distribution of droplet at tunnel cross-section under different wind speeds

由圖6(a)可以看出：當風速較小時，水幕形成的霧滴分布受風流擾動的影響較小，能夠保持自身的運動傾向，當風速達到1.5 m/s后，霧滴受風流的影響向后側移動，出現霧滴覆蓋率小的風流主導域，在巷道中部該現象明顯，水幕布設處考慮到的是在此處粉塵分布濃度較大，故設置水幕起到攔截粉塵的作用，但隨著風速的增大，在該處的霧滴質量濃度變小，所以巷道內的風速不宜過大。由圖6(b)可以看出：在水幕后方5 m范圍內霧滴的分布較為穩定，且在巷道內的覆蓋更為均勻；當風速為0.5 m/s時，霧滴的質量濃度進入衰退狀態，在呼吸帶高度上的霧滴分布較少；當風速為1.0 m/s時，霧滴分布集中在靠近巷道底板處，捕集到呼吸帶高度上粉塵的概率較低；當風速為1.5 m/s時，呼吸帶高度上的霧滴質量濃度平均為0.05 kg/m3且分布范圍較其他條件下更廣；隨著風速的繼續增加，呼吸帶高度上霧滴平均質量濃度維持在0.03～0.05 kg/m3之間，但霧滴分布覆蓋的范圍有所減小，當風速由2.0 m/s增至3 m/s時，在呼吸帶高度上的霧滴分布范圍縮減了一半以上。綜合考慮，當巷道風速為1.5 m/s左右時，霧滴分布受到風流擾動的影響能帶來更好的霧化效果，從而有利于提高水幕降塵系統的降塵效率。

4 工程應用效果驗證

玲瓏金礦由于礦床賦存條件極為復雜，再加上民采破壞、生產任務緊迫等原因，難以形成一個合理的通風系統，且礦井下作業的不確定因素過多，部分裝置對外界條件的要求較高，經過多次重復試驗，出于對各種因素的考慮決定采取水幕降塵技術。水幕的位置布設在距掘進面前端20 m處，噴嘴選用的參數同模擬設定一致，在多個掘進頭通過改變風筒通風量的方式實現巷道風速的設置，并在水幕后10 m處使用礦山現有的濾重式粉塵檢測儀測定了水幕開啟前、后的粉塵濃度，其測定結果見表4。

表4 水幕降塵試驗測定結果

由表4可知：水幕降塵系統能夠有效降低掘進面釋放的粉塵濃度，降塵率可達40%左右；當巷道風速為1.5 m/s時，降塵率較其他風速條件下高，可達到54.6%，與數值模擬得到的結果基本一致，從而驗證了數值模擬結果的可靠度。

5 結 論

根據本文對水幕降塵系統霧滴分布受巷道風流影響的數值模擬結果并結合工程應用效果驗證，可以得到以下結論：

(1) 巷道風流與水幕噴嘴所形成的霧滴之間相互影響，當巷道風速為1.0 m/s時水幕霧滴對風流的阻隔作用較明顯，且隨著風速的增大，橫向來風對噴嘴產生霧滴的擾動作用逐漸變大。

(2) 巷道風流對水幕霧滴粒徑的影響不大，霧滴粒徑多集中在30 μm左右，但其對霧滴質量濃度在巷道內整體分布的影響較大，當巷道風速為1.5 m/s左右時，風流對霧滴的偏移距離與分布位置產生的影響有利于實現水幕降塵系統較優的降塵效果。

(3) 現場工程應用效果驗證結果顯示，當巷道風速為1.5 m/s時水幕降塵系統的降塵率可達54.6%，與數值模擬結果基本一致，故水幕降塵巷道風速的選擇最好以1.5 m/s左右為宜。