基于CFD的二次負(fù)壓降塵裝置仿真研究*

郝英豪，李鋒鋒，張巖峰，孫孝華，薛景輝，王亮

(1.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯市 017010；2.山東科技大學(xué)， 山東 青島市 266590)

0 引言

采煤機(jī)在進(jìn)行工作時不可避免地會產(chǎn)生大量的粉塵，當(dāng)粉塵達(dá)到一定濃度時會發(fā)生爆炸，從而危及生命安全，所以研究高效的降塵方法，解決粉塵帶來的危害，是煤礦開采的重中之重。目前國內(nèi)煤礦主要采用噴霧降塵，水流經(jīng)過噴嘴，由高壓噴嘴噴出的水流與空氣相互作用而破裂形成水霧，水霧和空氣中的粉塵顆粒吸附融合后，由于重力變大而沉降，從而達(dá)到降塵的效果，其優(yōu)點是操作簡單、制造成本低，但耗水量大。而二次負(fù)壓降塵裝置是通過該裝置中的高壓噴嘴噴射出的水霧，在高速運動過程中受到管道的約束形成水霧活塞，裝置中的空氣被水霧推出而形成負(fù)壓，從而卷吸粉塵進(jìn)入裝置與水霧結(jié)合，使粉塵進(jìn)一步被凈化，該裝置可以實現(xiàn)二次降塵，并且捕塵降塵效果好。本文通過Fluent仿真軟件對二次負(fù)壓裝置的噴管結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，主要研究漸縮管角度、漸縮管長度、喉管半徑以及噴嘴安裝位置對二次負(fù)壓降塵裝置產(chǎn)生的負(fù)壓影響，從而提高降塵效果。

1 建立模型

1.1 物理模型建立

利用3D繪圖軟件SolidWorks對二次負(fù)壓降塵裝置的噴管進(jìn)行三維建模，該噴管由形狀為錐形的漸縮管、擴(kuò)散管以及形狀為直管的喉管組成。噴管模型如圖1所示。

圖1 二次負(fù)壓降塵裝置噴管模型

1.2 數(shù)學(xué)模型建立

本次研究的二次負(fù)壓降塵裝置內(nèi)部有噴霧流場，介質(zhì)為水，該裝置中產(chǎn)生的負(fù)壓卷吸含塵氣流進(jìn)入噴霧場，形成氣霧兩相流場，氣霧兩相流在該裝置中以湍流形式流動，采用k-εRNG方程模型，相比于標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型做出了改進(jìn)，提高了高速流動的準(zhǔn)確性以及計算精度，使計算結(jié)果更加準(zhǔn)確。

連續(xù)性方程：

式中，ρ為流體密度，kg/m3；μi為流體速度，m/s。

N-S動量守恒方程：

式中，P為壓力，Pa。

2 對模型進(jìn)行有限元仿真

2.1 網(wǎng)格劃分

將畫好的二次負(fù)壓降塵裝置噴管模型導(dǎo)入Workbench Mesh中，然后在Mesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及各個面的命名選擇，選擇左端面為速度入口，右端面為速度出口，其余面設(shè)置為壁面。網(wǎng)格劃分過粗會造成仿真的結(jié)果誤差比較大，網(wǎng)格劃分過細(xì)會導(dǎo)致計算機(jī)生成網(wǎng)格時困難以及在Fluent進(jìn)行求解時計算難度大。該模型網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸3 mm（見圖2），網(wǎng)格質(zhì)量經(jīng)過Fluent檢查符合要求。

圖2 噴管模型計算網(wǎng)絡(luò)

2.2 參數(shù)設(shè)置

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，求解器類型選擇基于壓力的；速度公式選擇絕對；時間設(shè)置為穩(wěn)態(tài)；模型選擇k-εRNG模型；時間步長設(shè)置為1 s；迭代步數(shù)設(shè)置為300步；打開離散相模型，設(shè)置噴嘴的一些相關(guān)參數(shù)，見表1。

表1 噴嘴相關(guān)參數(shù)設(shè)置

3 .仿真結(jié)果分析

在CFD-Post中對得到的仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，得到粒子軌跡圖和速度矢量圖，如圖3所示。從圖3明顯可以看出水流噴出后受到管壁的約束，沿管壁運動，水流離開漸縮管進(jìn)入喉管后速度急劇增加，并且從擴(kuò)散管噴出時依然保持高速；同時由于噴管中的壓力小于外界壓力，空氣中的粉塵被卷吸進(jìn)入管中實現(xiàn)二次降塵，并且被卷吸的粉塵速度很小。

圖3 粒子軌跡以及速度矢量

3.1 漸縮管角度α的A影響

保持二次負(fù)壓降塵裝置噴管模型總長度 200 mm、漸縮管長度120 mm、喉管半徑30 mm、喉管長度40 mm以及漸擴(kuò)管長度為40 mm不變，改變漸縮管的角度α，分別對漸縮管角度為 0°、10°、20°、25°的情況下進(jìn)行仿真分析，得到不同漸縮管角度下二次負(fù)壓降塵裝置中心軸上壓力變化，如圖4所示。

圖4 不同漸縮管角度下的壓力變化

從圖4可以看出，同一漸縮管角度下，該裝置中的負(fù)壓從漸縮管到擴(kuò)散管先增大后減小，并且在喉管處的負(fù)壓最大，當(dāng)漸縮管角度為 25°時，喉管處的最大負(fù)壓可以達(dá)到-9000 Pa，可以很好卷吸周圍含塵氣流進(jìn)入裝置中。同時隨著漸縮管角度的增加，該裝置中的壓力逐漸增大，并且增大幅度越來越明顯，該裝置的體積也逐漸增大，考慮到煤礦下工作環(huán)境狹小，選擇漸縮管角度為25°。

3.2 漸縮管長度L的負(fù)壓影響

在漸縮管角度為 25°的情況下，其他參數(shù)、邊界條件以及模型設(shè)置保持不變，分別對不同漸縮管長度L的二次負(fù)壓降塵裝置進(jìn)行模擬，取漸縮管的長度為60，80，100，120 mm，得到不同漸縮管長度下的壓力云圖，如圖5至圖8所示。

圖5 漸縮管長度60 mm壓力云圖

從圖5至圖8可以看出，隨著漸縮管長度的增加，二次負(fù)壓降塵裝置中的負(fù)壓也隨之增加，負(fù)壓越大，越利于卷吸粉塵。當(dāng)漸縮管角度一定時，漸縮管長度越大，入口端的面積越大，負(fù)壓吸塵的面積范圍也會增大，單位時間內(nèi)卷吸含塵氣流越多，漸縮管內(nèi)正壓范圍越大，綜合考慮選擇漸縮管長度為120 mm。

圖6 漸縮管長度80 mm壓力云圖

圖7 漸縮管長度100 mm壓力云圖

圖8 漸縮管長度120 mm壓力云圖

3.3 喉管半徑r負(fù)壓影響

選擇漸縮管角度為 25°、漸縮管長度為 120 mm，其他條件保持不變，改變喉管的半徑r，分別對喉管半徑為25，30，35 mm的情況進(jìn)行仿真分析，得到不同喉管半徑下二次負(fù)壓降塵裝置中心軸線上的壓力變化，如圖9所示。

從圖9可以看出，同一喉管半徑下，該裝置中的負(fù)壓先增大后減小。隨著喉管半徑的增加，從入口端到距入口端100 mm范圍內(nèi)，二次負(fù)壓降塵裝置中的負(fù)壓大小很接近，從距入口端120 mm位置到出口端范圍內(nèi)，二次負(fù)壓降塵裝置中的負(fù)壓逐漸增大，并且增大幅度明顯。同時噴嘴的噴射角影響喉管的半徑，當(dāng)喉管半徑大于噴射半徑時該裝置內(nèi)不能形成負(fù)壓，而喉管半徑越小，單位時間內(nèi)噴出的水霧越少。綜合考慮，在噴嘴的噴射半角為 20°的情況下，選擇喉管半徑為25 mm。

圖9 不同喉管半徑下的壓力變化

3.4 噴嘴安裝位置的負(fù)壓影響

在漸縮管角度為25°、漸縮管長度為120 mm、喉管半徑為25 mm，其他條件及參數(shù)不變的情況下，改變噴嘴的安裝位置，依次對噴嘴距離入口處120，90，60 mm處進(jìn)行仿真分析，得到不同噴嘴安裝位置下的壓力變化，如圖10所示。

圖10 不同噴嘴安裝位置時的壓力變化

從圖10可以看出，隨著噴嘴安裝位置的改變，二次負(fù)壓降塵裝置中的負(fù)壓變化較小，而二次負(fù)壓降塵裝置中喉管處的負(fù)壓最大，卷吸粉塵能力最強(qiáng)。因此，為了發(fā)揮喉管處負(fù)壓最大的優(yōu)勢，將噴嘴安裝在距離入口處120 mm的位置。

4 結(jié)語

（1）從仿真結(jié)果可以得出漸縮管角度、漸縮管長度、喉管半徑對二次負(fù)壓降塵裝置中的負(fù)壓有影響，并且對該裝置中的負(fù)壓影響大小依次是漸縮管角度、喉管半徑、漸縮管長度。

（2）通過仿真結(jié)果可以分析出漸縮管角度25°、漸縮管長度120 mm、喉管半徑25 mm、噴嘴安裝位置距離二次負(fù)壓降塵裝置120 mm組合最優(yōu)。

（3）噴嘴的不同安裝位置對管中的負(fù)壓影響較小，而管中的負(fù)壓在喉管處產(chǎn)生的負(fù)壓最大，為了使粉塵與水霧結(jié)合時可以更好地從管中噴出，減少管中殘留，最好把噴嘴放置在漸縮管與喉管的交界處。