綜掘工作面外噴霧噴嘴布置方式數值模擬研究

楊驍禹 ，王義亮

（太原理工大學 機械與運載工程學院，山西 太原 030024）

綜合機械化掘進是煤礦井下重要的生產工序，但隨著掘進機械化升級，掘進速度加快，掘進工作面產塵量也隨之激增[1-2]。外噴霧噴嘴是濕式除塵裝置高壓水射流除塵的核心元件，其布置于截割部架體前端的噴霧架上。目前針對綜掘面霧化除塵技術的研究，多針對噴嘴口徑、噴霧壓力、霧化擴散角等方面[3-9]。研究表明，噴嘴的布置方式也是影響噴霧降塵效果的主要因素之一[10]。聶文等[11]利用噴霧霧化粒度測量試驗系統，分析了噴嘴噴射壓力與距截割頭距離對噴嘴控塵效果的影響；LIU 等[12]通過對不同噴射壓力下噴嘴霧化特性的研究，得出隨噴霧壓力增大，液滴尺寸變化趨于小的結論；MA 等[13]通過探究濕式除塵機理對回風側粉塵降塵效果的影響，得出壓力型噴嘴的抑塵效率主要取決于供水壓力；QIAN 等[14]使用歐拉-拉格朗日法中的綜合模型對不同霧化液體下噴嘴性能進行了研究，得出在較小的液體密度、表面張力和黏度下有利于獲得更高的液滴霧化速度；周剛等[15]研究了理想條件下液滴與粉塵的相互作用關系；AYDIN 等[16]通過數值模擬噴嘴霧化特性，與實際工況對比得出CFD 軟件可較好預測噴嘴霧化特性的結論。盡管研究人員從理論和實驗等方面對噴嘴控塵效果進行了多角度分析，但由于作業條件復雜，外噴霧噴嘴之間噴霧連續性較差的問題仍未解決。為了使外噴霧控塵效率進一步提高，對噴嘴布置參數對霧滴濃度的影響進行研究。

1 數學模型

1.1 氣相流動模型

為更精確模擬風流在流場域中的擴散速度，使計算結果更符合真實情況，使用Realizablek-ε模型對控制方程求解[17]。

k方程：

式中：t為時間變量，s； ρ為氣體密度，kg/m3；k為紊流動能，m2/s2；xi、xj分別為x、y方向上的坐標，m；ui為連續相在i方向上的速度分量，m/s；μ為流體動力黏度系數； μ1為 湍動黏度系數； σk為與湍流動能對應的普朗特數；Gk為由層流剪切力變化所產生的湍流動能，m2/s2；Gb為由浮力產生的湍流動能，m2/s2； ε為紊流動能耗散率，m2/s3；YM為可壓湍流波動膨脹對總耗散率的影響；Sk為用戶自定義源相。

式中： σε為由于在可壓縮湍流中過渡的擴散產生的波動；C1ε、C2ε、C3ε為k方程的湍流普朗特數，分別取1.44、1.92、0.09。

1.2 霧滴離散相模型

利用DPM 模型對濕式除塵系統截割部外噴霧進行模擬，每個霧滴顆粒的運動軌跡可由拉格朗日坐標下各霧滴顆粒間的相互作用力進行積分的微分方程求解得到，霧滴顆粒的作用力平衡方程為[18]：

模擬忽略附加質量力、熱泳力、Saffman 升力、布朗力、Magnus 升力等對實驗結果的影響。

式中：Cd為 阻力系數；Cμ為動力形狀系數，取1；Sd為 霧滴的迎風面面積，m2；V為流體相速度，m/s；模擬假設霧滴為球形，在一定的雷諾數范圍內a1、a2、a3為 常數；dp為霧滴直徑，m。

2 幾何模型

2.1 幾何模型的建立

結合某礦綜掘工作面的實際工作環境，外噴嘴噴霧主要影響迎頭與截割頭附近霧滴濃度。司機位于距迎頭8 m 處，保證該處合理的霧滴濃度十分重要。為保證數值模擬結論嚴謹準確，將綜掘巷道簡化為總長22 m，寬5 m，高5 m，截割部簡化為3 m×1.2 m×1.2 m 的長方體、截割頭簡化為底面直徑0.8 m，頂部直徑0.6 m，高為0.8 m 的圓臺；壓風筒總長9 m，距離掘進迎頭8 m，直徑為0.8 m，中心線距巷道地面3.3 m；附壁風筒簡化為徑向出風條隙沿半圓周均勻分布的直徑為0.8 m 的圓柱，全長1.5 m，條隙間距0.1 m，單條隙寬度0.05 m；抽風筒簡化為長15 m，直徑為0.6 m 的圓柱，前端距掘進迎頭2 m，中心線距巷道地面2.6 m。綜掘巷道幾何模型如圖1。

圖1 綜掘巷道幾何模型Fig.1 Geometry model of fully mechanized tunnel

2.2 網格劃分

使用ANSYS Mesh 進行非結構化網格劃分，保證高適應性的同時，考慮到網格間距對求解結果的精度影響很大，對重要計算區域局部網格進行了合理細化。綜掘巷道網格模型圖如圖2。經檢驗最小網格質量高于0.3，平均網格質量高于0.8，網格最小正交質量高于0.2，達到完全屏蔽非物理解的要求，符合合理計算條件。

圖2 綜掘巷道網格模型圖Fig.2 Grid model diagram of fully mechanized tunnel

3 邊界條件及主要參數

將劃分好的網格的幾何模型文件導入Fluent 中，對該模型的邊界條件和主要參數進行設定。將壓風筒出口設定為速度入口1，附壁風筒的條隙處設定為速度入口2，抽風筒吸入端設定為速度出口，巷道模型尾部設定為壓力出口，巷道掘進迎頭及其他壁面設定為墻體，流體計算域為巷道模型除實體構件外的全部區域。邊界條件主要參數設定見表1。

表1 邊界條件主要參數設定Table 1 Main parameters of boundary conditions

考慮液滴破碎對霧滴運移狀態的影響，在Fluent 打開泰勒類比破碎（TAB）模型[19]；由于基于同一流體介質下模擬結果具有很好的對比性，將被研究的流體介質設定為液態水。噴霧離散相主要參數設定如下：質量流率0.3 kg/s；噴嘴內徑0.001 m；噴嘴錐角60°；噴霧壓力6 MPa；流束數量 50。

4 模擬結果

4.1 噴嘴數對霧滴特性的影響

將數個完全相同的壓力旋流霧化噴嘴平行布置于截割部噴霧架上端處，通過對巷道內風流-霧滴耦合流場的霧滴狀態進行分析，研究噴嘴數對控塵效率的影響。雙噴嘴位置與噴霧范圍示意圖如圖3。

圖3 雙噴嘴位置與噴霧范圍示意圖Fig.3 Schematic diagram of dual nozzle position and spray range

4.1.1 噴嘴數對霧滴粒徑的影響

用S表示噴嘴數，設定x方向為垂直巷道壁面方向，截割頭中心x方向坐標與x=0 位置重合，將單噴嘴中心線置于x=0 處，雙噴嘴中心線置于x=±0.05 m 處、三噴嘴中心線置于x=±0.1 m 處。單只噴嘴霧滴粒徑分布如圖4，垂直紙面向里方向為巷尾指向迎頭方向。分析可知，巷道壁面與噴嘴位置附近霧滴粒徑最小，噴嘴數變化對小粒徑霧滴在巷道內的分布影響很小。隨著噴嘴數的增加，大粒徑霧滴數目增加，部分粒徑大于80 μm 的霧滴在重力作用下沉積在巷道地面附近。

圖4 單只噴嘴霧滴粒徑分布Fig.4 Droplet size distribution of single nozzle

對單只噴嘴的霧滴粒子進行跟蹤統計，繪制不同時間內各粒子的直徑分布散點圖。散點在某一直徑范圍內分布越密集，代表分布在該范圍的霧滴數量越多。單只噴嘴霧滴粒徑隨時間分布散點圖如圖5。

圖5 單只噴嘴霧滴粒徑隨時間分布散點圖Fig.5 Scatter plot of droplet size distribution over time for a single nozzle

由圖5 可知：S=1 時，霧滴粒徑集中在0～10 μ m ，最大粒徑約為66 μ m，少數粒徑分布范圍為10～52 μ m ，寬幅42 μ m；S=2 時，霧粒直徑集中在0～20 μ m ，最大粒徑約為118 μ m，少數粒徑分布范圍為20～82 μ m ，寬幅62 μ m；S=3 時，霧粒直徑集中在0～52 μm ，最大粒徑約為360 μ m，少數粒徑分布范圍為50～150 μm ，寬幅100 μm。綜合來看，隨著噴嘴數目的增加，單個噴嘴的霧滴直徑增加，大粒徑霧滴分布寬幅增大。

造成這一現象原因是單噴嘴霧滴與風流相對速度差大，且不受干涉作用影響，其霧滴破碎更完全且小粒徑霧滴數量占比更高。隨噴嘴數量增加，多噴嘴之間的干涉作用，使得流場內的霧滴進一步碰撞、聚合和反射，大量小直徑液滴合并成大直徑液滴，直至合并后霧滴的韋伯數We降低至不支持進一步合并為止，并均勻分布在工作面附近。

4.1.2 噴嘴數對霧滴速度的影響

耦合流場內霧滴5 s 時，多噴嘴霧滴速度分布圖如圖6。

圖6 多噴嘴霧滴速度分布圖Fig.6 Multi-nozzle droplet velocity distribution

由圖6 可知，不同噴嘴數下霧滴最大速度皆在x=0 處取到，單噴嘴最大速度約為9.2 m/s，雙噴嘴與三噴嘴最大速度相差不大，約為7 m/s。單噴嘴噴霧動能最大，大于抽風筒負壓作用下風流的速度，霧滴粒子與風流速度差大，經計算此時We數為1 240，霧滴狀態極不穩定，會迅速破碎成數個細小霧滴，由于多噴嘴各個噴嘴出流速度小于單噴嘴時流速，使得多噴嘴霧滴發生破碎作用較單噴嘴時慢，因此單噴嘴霧滴速度衰減速率明顯較大。霧滴經過多次破碎后We數迅速降低，直至霧滴可穩定存在于巷道內，破碎后的霧滴向四周擴散， |x|>0.1 m處低速霧滴大量聚積，此時速度降幅變得平緩。雙噴嘴與三噴嘴中心線附近的干涉區內，其霧粒分布相對更為均勻，且在密集的霧粒碰撞與合并作用下，干涉區各霧粒速度差距非常小。因此當 |x|>0.1 m時，隨著噴嘴數量增加，霧滴速度曲線波動更平緩。

4.2 噴嘴布置方式對霧滴特性的影響

3 個噴嘴的位置關系簡圖如圖7，圖為外噴霧噴嘴在截割部噴霧架拐角處布置方式示意圖，為準確清晰表達位置關系，將截割頭截面外輪廓簡化為虛線圓弧，截割部架體前端面簡化為矩形。通過固定2 個噴嘴位置，改變頂角處噴嘴位置來確定3 個噴嘴間位置關系。噴霧架形狀根據噴嘴不同布置方式簡化為不同樣式。

圖7 3 個噴嘴的位置關系簡圖Fig.7 Schematic diagram of positional relationship of the three nozzles

4.2.1 噴霧架拐角處噴嘴布置對霧滴濃度的影響

噴嘴不同布置方式噴霧分布圖如圖8，圖為3個噴嘴在噴霧架拐角處不同布置方式時截割頭處霧滴濃度圖。

圖8 噴嘴不同布置方式噴霧分布圖Fig.8 Spray distribution diagrams of different nozzle arrangements

由圖8 可知，在風流作用下，部分霧滴脫離主流向巷道四周運動，在圖中表現為截面上有諸多塊狀霧滴濃度區出現，在迎頭附近的巷道壁面的風流處于回流區外圍，此處回流作用更強，塊狀霧滴在風流卷攜下多集中在此處，濃度約為0.01～0.06 kg/m3。造成不同位置下霧滴分布差異的主要原因是位置關系不同時，頂角噴嘴與其他噴嘴間距不同，頂角噴嘴霧滴運移狀態受抽風筒負壓影響的效果也不同，使得干涉作用發生的位置與效果不同，從而影響截割頭處霧滴分布。

耦合流場中，截割頭處霧滴分布受噴嘴位置影響明顯，等邊狀分布時高濃度霧滴分布集中，但面積較小且不均勻；圓弧狀分布時截割頭上側與壓風側處噴霧屏障不致密；直線狀分布時，截割頭附近霧滴分布較均勻，但截割頭附近霧滴濃度較低，高濃度霧滴分布位置較遠；直角狀分布時，霧滴分布均勻且在截割頭附近形成了致密的噴霧屏障，截割頭壓風側霧滴濃度約為0.12 kg/m3，上側霧滴濃度約為0.06 kg/m3，有利于高效捕集截割頭作業時的揚塵，防范粉塵逸散污染巷道后方作業環境。

4.2.2 噴霧架拐角處噴嘴間距對霧滴濃度的影響

在噴霧架上端兩側拐角處以直角狀分別布置3 個壓力旋流噴嘴，設置噴嘴間距L1分別為80、90、100、110、120 mm，截割頭霧滴濃度隨時間變化曲線如圖9，司機位霧滴濃度隨時間變化曲線如圖10。

圖9 截割頭霧滴濃度隨時間變化曲線Fig.9 Variation curves of droplet concentration of cutting head with time

圖10 司機位霧滴濃度隨時間變化曲線Fig.10 Curves of droplet concentration at driver’s position with time

由圖9 可知：噴嘴間距不同時，截割頭處霧滴濃度變化趨勢差別不大，隨時間在一定濃度范圍內呈波動變化；L1=80 mm 時，曲線波動較大，噴霧濃度浮動范圍約為0.35 kg/m3；L1=90 mm 時，曲線波動減小，噴霧濃度浮動范圍減小至0.125 kg/m3；L1=100 mm 時，曲線波動與L1=90 mm 相近，噴霧濃度浮動范圍約為0.15 kg/m3；L1=110 mm時，曲線較為平滑，噴霧濃度浮動范圍約為0.1 kg/m3；L1=120 mm 時，曲線波動加大，噴霧濃度浮動范圍約為0.22 kg/m3。由此可得，L1=110 mm時，霧滴在截割頭處分布最為均勻，霧滴濃度主要分布在0.1～0.15 kg/m3的區間內。

分析圖10 可知：從4.2 s 起司機位置霧滴濃度開始出現變化，在6 s 時，司機位置霧滴濃度發生突增，其中L1=100 mm 突增值最大，達到3 250 mg/m3；L1=80 mm 突增值最小，約為1 700 mg/m3。在8 s 時，L1=110 mm 時司機位置處最小霧滴濃度最大，約為2 490 mg/m3；L1=90 mm 時司機位置處最小霧滴濃度最小，約為500 mg/m3。L1=120 mm整體曲線波動較大，均勻性較差；L1=80 mm 時曲線波動較小，數據點連接平滑，但相比L1=110 mm 時霧滴濃度較低；L1=90 mm 與L1=100 mm 曲線變化規律相似，但霧滴濃度均遠低于L1=110 mm 時霧滴濃度。

綜合來看，當L1=110 mm 時有最優的霧滴濃度分布，截割頭處霧滴濃度適宜且霧化均勻，利于持續高效地抑制截割頭揚塵；司機處霧滴濃度曲線更平滑，曲線波動更小，利于均勻濕潤空氣，實現控塵效率的最大化。

4.2.3 噴霧架上端噴嘴間距對霧滴濃度的影響

三噴嘴在噴霧架上端平行分布，間距L2分別為60、70、75、80、90、100 mm 時，截割頭處霧滴濃度分布圖如圖11。

分析圖11 可知，噴嘴間距增加，噴嘴受抽風筒負壓作用影響減小，出流霧滴保存更完整，霧滴干涉作用增強，在目標面上留存更多霧滴。噴嘴間距增大使得霧滴在耦合流場作用下運移規律改變，L2＞80 mm 時，截割頭附近霧滴分布面積減小但霧滴濃度明顯升高。部分霧滴在風流作用下向巷道迎頭與巷道尾部運動，圖中表現為巷道沿墻位置有濃度各異的片狀霧滴區出現。綜合來看，噴嘴間距80 mm 時截割頭上端的霧滴分布最優，截割頭上側形成了分布均勻且范圍大的圓弧狀噴霧屏障，霧滴濃度約為0.07 kg/m3，利于取得理想的控塵效果。

5 結 論

1）噴嘴數變化對小粒徑的霧滴在巷道內的分布影響很小，小粒徑霧滴主要分布在巷道壁面與噴嘴位置附近。隨噴嘴數量增加，大粒徑霧滴數量明顯增多，但各噴嘴流量和霧滴動能降低，噴霧擴散距離更短。

2）噴嘴在截割部噴霧架拐角處直角狀布置時霧滴分布最優，間距為110 mm 時，截割頭能被較好包含在噴霧范圍中。

3）噴嘴在截割部噴霧架上端平行布置時，間距為80 mm 時截割頭上側形成了分布均勻且范圍大的圓弧狀噴霧屏障，霧滴分布最優。