(1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院 湖南 湘潭 411201)

(2.湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院 湖南 湘潭 411201)

機掘工作面附壁旋流通風(fēng)氣流特性與粉塵濃度數(shù)值模擬

舒威1劉榮華2王鵬飛2茍尚旭1

(1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院湖南湘潭411201)

(2.湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院湖南湘潭411201)

基于配有附壁式旋流通風(fēng)的矩形巷道，采用FLUENT軟件分別在不同吹吸比的條件下對巷道風(fēng)流流場和粉塵擴散規(guī)律進行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示，在吹吸比小于0.9時，附壁式旋流通風(fēng)可以很好的把回旋氣流控制在距掘進工作面5m之內(nèi)，防止粉塵向其他區(qū)域擴散。當吹吸比在0.7到0.8之間時抽風(fēng)筒的抽塵能力最好，附壁旋流通風(fēng)方式可以有效控制掘進面所產(chǎn)生的粉塵,并有效降低掘進機司機處和巷道后方的粉塵濃度。

旋流通風(fēng)；數(shù)值模擬；吹吸比；抽塵

一、引言

目前很多煤礦工作面粉塵濃度超標，嚴重危害井下作業(yè)人員的身體健康[1-3]。為了降低機掘工作面粉塵濃度,有些礦井使用附壁旋流式通風(fēng),利用除塵器將含塵氣流凈化處理并排出巷道,取得了一定的效果。但是為了正確評價掘進工作面作業(yè)環(huán)境和通風(fēng)效率，需要研究機掘工作面風(fēng)速分布和粉塵濃度分布[4]。本文通過CFD對巷道進行數(shù)值模擬,分析了不同吹吸比條件下風(fēng)流以及粉塵的運移規(guī)律。

二、物理模型及邊界條件

(一)物理模型

根據(jù)現(xiàn)場考察，建立一個長30m，寬4.5m，高3.2m的矩形巷道，其中壓風(fēng)筒為一距離工作面5m、長25米、直徑為800mm的圓柱體，風(fēng)筒中軸線距離地面2.7m高；壓入式風(fēng)筒的后半部分為附壁風(fēng)筒，附壁風(fēng)筒每5米處開一長1.6米、寬為0.03m的出風(fēng)條縫，出風(fēng)條縫共3條，壓入風(fēng)筒風(fēng)量為200m3/min；吸風(fēng)筒是直徑為800mm的圓柱體，前置吸風(fēng)口中心距離地面1.6m，距離掘進頭3m，抽風(fēng)量為250m3/min；運輸皮帶安裝在吸風(fēng)筒的下面，在距離掘進頭15m的地方為運輸皮帶中的轉(zhuǎn)載點。本模型共建立出風(fēng)條縫寬度為0.03m、0.04m、0.05m、0.06m共4種模型，模型垂直方向為y方向，如圖1所示。

圖1 附壁旋流通風(fēng)物理模型及側(cè)視圖

模型采用附壁旋流式通風(fēng)，新鮮空氣經(jīng)由壓風(fēng)筒從壓風(fēng)口和條縫風(fēng)口進入巷道，流經(jīng)工作面，稀釋掘進端頭的粉塵后，其中一部分含塵氣流被吸風(fēng)筒抽走，另一部分含塵氣流從吸風(fēng)筒與巷道之間排出。如圖2所示。

圖2 機掘工作面附壁旋流通風(fēng)主視圖

采用Gambit對所建的物理模型進行了網(wǎng)格劃分，本模型的網(wǎng)格Interval size取1.5，劃分為TGrid網(wǎng)格,如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

(二)邊界條件的設(shè)定

將Gambit中的物理模型導(dǎo)入到Fluent，并對邊界條件和顆粒源參數(shù)進行了設(shè)置，見表1.

表1 邊界條件和顆粒源參數(shù)

三、數(shù)學(xué)模型

采用基于歐拉-拉格朗日法的離散相模型研究巷道氣流特性和粉塵濃度分布，其中粉塵顆粒為離散相，空氣為連續(xù)相。本文假設(shè)通風(fēng)氣流為不可壓縮定常流體，并忽略熱量傳遞，在此基礎(chǔ)上采用Κ～ε雙方程模型，則其氣相控制方程如下[5-7]：

連續(xù)性方程：

(2.1)

動量守恒方程：

(2.2)

式中：p為靜壓；?τij為應(yīng)力張量；gi為i方向上的重力體積力，應(yīng)力張量由下式給出：

(2.3)

湍動能:

(2.4)

湍動能耗散率：

(2.5)

湍動能方程(k方程)：

(2.6)

湍動能耗散率方程(ε方程)：

(2.7)

固相控制方程如下：

(2.8)

式中，F(xiàn)D為顆粒單位質(zhì)量曳力，其具有如下形式

(2.9)

式中，Rep為相對雷諾數(shù)(顆粒雷諾數(shù))，定義為：

(2.10)

對于光滑球形顆粒，曳力系數(shù)CD的表達式為：

(2.11)

對于非球形顆粒，曳力系數(shù)表達式為：

(2.12)

式中，Resph:顆粒等體積粒徑對應(yīng)的雷諾數(shù)。

(2.13)

四、風(fēng)流擴散規(guī)律模擬結(jié)果分析

沿巷道呼吸帶高度(y=1.6m)和壓風(fēng)筒高度(y=2.7m)截面顯示不同吹吸比下風(fēng)速矢量的數(shù)值模擬對比結(jié)果，如圖4、圖5所示。

圖4 y=1.6m截面不同吹吸比速度矢量分布圖

由圖4可以看出在吹吸比越小的情況下掘進工作面風(fēng)速越小，由于吹吸比小，抽風(fēng)筒風(fēng)流占主導(dǎo)地位，更容易把掘進機司機前的氣流控制住，從而把掘進面產(chǎn)生的粉塵有效的卷吸進吸風(fēng)筒，在吹吸比變大的情況下，由于吹風(fēng)量越來越大，導(dǎo)致壓風(fēng)筒從前方出來的風(fēng)流經(jīng)由掘進面后會有相當一部分風(fēng)流吹向巷道后方，尤其在與條縫風(fēng)口出來的向前風(fēng)流相遇后會產(chǎn)生渦流，且吹吸比越大渦流會越向后方偏移，在吹吸比為0.9時回旋氣流到達了掘進機司機后方，當吹吸比大于0.9時距掘進工作面5m處開始出現(xiàn)明顯的向后氣流。

圖5 y=2.7m截面不同吹吸比速度矢量分布圖

由圖5可以看出，附壁風(fēng)筒徑向條縫所出風(fēng)流不僅向巷道壁面運動，而且還有一明顯指向掘進頭方向的分速度，這是由于從條縫口出來的風(fēng)本身就帶有軸向方向的正速度，在吹吸比小的情況下其更容易向掘進頭方向流動；從圖4和圖5可以得出結(jié)論，當吹吸比越大，從壓風(fēng)筒前方出來的經(jīng)由掘進面后吹向巷道后方的風(fēng)流就越多；在條縫風(fēng)口出來的風(fēng)流與風(fēng)流之間會形成旋流區(qū)，且吹吸比越大，旋流區(qū)中的旋渦越多，強度越大，其旋渦主要形成于條縫風(fēng)口的對側(cè)壁面區(qū)域，這是由于前一條縫出來的風(fēng)流會在其前方形成向前的旋流風(fēng)墻，從后一條縫出來的風(fēng)流在向前運動的過程中碰到風(fēng)墻時就會形成渦流。

五、粉塵擴散規(guī)律模擬結(jié)果分析

沿巷道X軸正方向、Z軸正方向每隔一定距離設(shè)置一顯示粉塵濃度的數(shù)值模擬結(jié)果剖面圖，如圖6所示。沿X軸正方向為0.2、1.5(掘進機司機處)、2.8、4.1m，沿Z軸正方向為15、18、21、23、25(掘進機司機處)、26.5、28、29.5m。為了能準確反映出不同吹吸比對掘進機司機處的粉塵濃度分布的影響，又單獨列出呼吸帶高度y=1.6m截面的粉塵濃度分布模擬結(jié)果，如圖7所示。

(a)x方向

(b)z方向

由圖6可以看出：

掘進面產(chǎn)生的粉塵在吹風(fēng)筒的作用下往吹風(fēng)筒對側(cè)壁面聚集，當吹吸比越大，從吹風(fēng)筒出來的風(fēng)流風(fēng)速越大，粉塵越容易被風(fēng)流帶著向巷道后側(cè)移動，從而使吸風(fēng)口后側(cè)的濃度越來越大。吹吸比越大，粉塵越不容易被吸風(fēng)管捕集排出巷道，巷道后側(cè)的濃度越來越大。由(a)可以看出當吹吸比從0.6到1.2變化時，掘進機司機處的平均粉塵濃度由大變小再變大，當吹吸比為0.9時出現(xiàn)最大值，最小值出現(xiàn)在0.8左右；由(b)可以看出，當吹吸比小于0.9時，粉塵主要聚集在吹風(fēng)筒對側(cè)和吸風(fēng)筒附近，吹吸比在0.7時有部分粉塵聚集在吹風(fēng)筒下側(cè)，當吹吸比在0.9時粉塵聚集點向后方轉(zhuǎn)移，當吹吸比大于0.9時，部分粉塵向巷道后方擴散。

圖7 呼吸帶高度y=1.6m處的粉塵濃度

從圖7可以看出當吹吸比為0.7時抽風(fēng)筒處的粉塵濃度達到最大值，表明其抽塵能力最好[]，但是掘進機司機處的粉塵濃度要比0.8時的要大，當吹吸比大于0.8時，掘進機司機后方的濃度變大。這說明當吹吸比在0.7到0.8之間時對于提高抽風(fēng)筒的抽塵能力和降低掘進機司機處和巷道后方的粉塵濃度有明顯的作用。

六、結(jié)論

(1)吹吸比越大由附壁風(fēng)筒所產(chǎn)生的回旋氣流會越向后方偏移，在吹吸比為0.9時回旋氣流到達了掘進機司機前方，所以在吹吸比小于0.9時，附壁式旋流通風(fēng)可以很好的把h回旋氣流控制在距掘進工作面5m之內(nèi)。

(2)當吹吸比在0.7到0.8之間時抽風(fēng)筒的抽塵能力最好，附壁旋流通風(fēng)方式可以有效控制掘進面所產(chǎn)生的粉塵。并降低掘進機司機處和巷道后方的粉塵濃度。

[1]程衛(wèi)民,聶文,姚玉靜等.綜掘工作面旋流氣幕抽吸控塵流場的數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報,2011,36(08):1342-1348.

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國家自然科學(xué)基金資助項目(51574123,U1361118)