CN106157791A - 一种粉尘产生及降尘模拟实验方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粉尘产生及降尘模拟实验方法及其设备，选取巷道模型的相似准则数，将选取的相似准则数进行量化；根据量化的相似准则数建立巷道模型；根据巷道模型设置喷雾降尘装置、粉尘发生装置、通风装置和尾气处理装置。因此，本发明所述的粉尘产生及降尘模拟实验方法及其设备能够建立研究粉尘治理的实验模型，分析了粉尘在某一空间上的运移分布规律，以及能够实现试验各类防尘措施的效果。

Description

一种粉尘产生及降尘模拟实验方法及其设备

技术领域

本发明涉及模拟实验技术领域，特别是指一种粉尘产生及降尘模拟实验方法及其设备。

背景技术

目前，粉尘研究是热点，但各高校实验室缺少相应的硐室或巷道粉尘产生及降尘模拟实验设备。

在现有技术中，例如谭聪、蒋仲安等根据相似原理，设计综放工作面实验模型来研究各类尘源粉尘的分布规律：模拟风速为1.0m/s，1.5m/s，2.0m/s，2.5m/s，粉尘含水率为1.69％，2.63％，3.83％，4.87％的情况下，割煤、移架、放煤、转载和多工序作业时粉尘的运移规律。考虑的相似准则数包括：斯托克斯数、流体雷诺数、颗粒雷诺数、相对粗糙度以及几何准则数。其中，雷诺数＞2300。几何系数为原型：模型＝10，其余准则数取值参考资料中没提及。模型长12m，高0.4m，宽0.6m，如图1所示。模型内不搭设降尘措施，基本符合综放工作面无防尘措施时的产尘状况。

另外，周刚、程卫民等搭建封闭实验箱，研究喷雾降尘，如图2所示。模型不考虑相似准则，其内搭设喷雾设施可研究引起雾滴场属性(粒度分布，形状和体积等)变化的各种因素(供水压力、添加剂、喷嘴型号和风速等)以及雾滴场和粉尘场的耦合关系。

可以看出，两个模型均无设计尾气处理装置，对粉尘发生装置以及发尘形式也无详细描述。也就是说，在现有的技术中既没有量化相似准则数而搭设实验模型，模型与实体之间也难以保持力学相似或近似关系，从而极大影响实验结果。同时，现行粉尘发生装置多为负压式抽尘直筒喷射，吸尘口极易堵塞，且发尘集中于一条直线，与井下尘源发尘形式不符，且缺少出口尾气处理装置。而且，按相似原理搭建实验模型和在模型里布置降尘措施这两个要素未能同时实现。还有，不能根据实验要求灵活调整巷道模型的断面大小和长度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种粉尘产生及降尘模拟实验方法及其设备，解决了上述实验设备构建和使用存在的问题，建立了实验模型来研究粉尘治理。

基于上述目的本发明提供的粉尘产生及降尘模拟实验方法，包括步骤：

选取巷道模型的相似准则数，将选取的相似准则数进行量化；

根据量化的相似准则数建立巷道模型；

根据巷道模型设置喷雾降尘装置、粉尘发生装置、通风装置和尾气处理装置。

在本发明的一些实施例中，所述选取巷道模型的相似准则数，包括：

根据三大前提条件建立巷道模型：

第一：研究粉尘颗粒在巷道流体介质中运动时，只考虑气流与其相对运动引起的作用力及其自身重力，而忽略其他作用力；

第二：忽略巷道实体与巷道模型气流介质的差异性，视空气流体介质为不可压缩粘性气体，流动为定常流；

第三：粉尘颗粒均视为固体球形；

因此，用气流运动方程和固体球形颗粒运动方程描述粉尘在空气中的运动，气流运动方程为：

${\mathrm{\ρ}}_g(\frac{{\mathrm{dU}}_g}{dt}+U_g\·\▿U_g)=F-\▿p+\mathrm{\μ}g\·{\mathrm{\ΔU}}_g$

式中：ρ_g—气流密度，kg/m³；Ug—气流速度矢量，m/s；t—时间，s；

F—单位体积气流质量力矢量，N/m³；P—气流压力矢量，pa；

μ_g—气流动力粘性系数，pa·s；

以及气流连续性方程为：

由上述两式，气流运动方程简化为：

${\mathrm{\ρ}}_g\frac{{\mathrm{dU}}_g}{dt}=F-\▿p-\mathrm{\μ}\·{\mathrm{\ΔU}}_g$

以及粉尘颗粒运动方程为：

$\frac{\mathrm{\π}}{6}{d}_p^3{\mathrm{\ρ}}_p\frac{{\mathrm{dU}}_p}{dt}=\frac{\mathrm{\π}}{8}{C}_p{d}_p^2{\mathrm{\ρ}}_g{U}_r\left|U_r\right|$

式中：d_p—粉尘颗粒直径，m；ρ_p—粉尘颗粒密度，kg/m³；U_p—粉尘颗粒速度矢量，m/s；C_p—阻力系数；U_r—气流与尘粒的相对速度U_r＝Ug-U_p，m/s；

由此，在气流和尘粒两大运动方程中，有量纲且独立的物理量有10个：ρ_g、ρ_p、Ug、Up、μ_g、d_p、g、l、P、t；

根据上面所述的10个物理量，由量纲分析中的π定理得到10个相似准则数：气流雷诺准则Re_g＝lρ_gU_g/μ_g、颗粒雷诺准则Re_p＝d_pρ_g(U_g-U_p)/μ_g、均时性准则H_o＝U_gt/l、弗劳德准则斯托克斯准则欧拉准则密度准则ρ_g/ρ_g、运动准则U_p/U_g、几何准则l/L、相对粗糙度准则ε/l；

同时，粉尘颗粒运动速度在短时间内能与气流达到一致，故U_p/U_g近似取1，运动准则满足；而颗粒雷诺准则Re_p，由于(U_g-U_p)趋于0故可忽略；巷道模型与实体气体流场均处稳定状态，均时性准则H₀不考虑；粉尘颗粒粒径不大，惯性力与重力比值可忽略不计，弗劳德准则F_r不考虑；由于欧拉数E_u＝f(H₀，Re，F_r)不独立，故不考虑；另外，粉尘采集于现场，巷道模型的气流与实体巷道的气流属同一流体介质，密度准则ρ_p/ρ_g满足；因此，建立模型需考虑的相似准则数有4个：Re_g、S_tk、l/L和ε/l。

在本发明的一些实施例中，所述将选取的相似准则数进行量化，包括：由几何系数＝巷道实体:巷道模型＝n，要满足斯托克斯准则 实际现场准则数/模型准则数＝1，即实际现场相似准则数＝模型相似准则数，得

$S_{tk}=S_{tk}^{\′}\⇔d_p^2/{d_p^{\′}}^2=l/l^{\′}=n\⇔d_p/d_p^{\′}=\sqrt{n}$

故实验所用粉尘直径应是现场的其中，d_p表示现场粉尘，d'_p表示实验用粉尘。

在本发明的一些实施例中，所述根据量化的相似准则数建立巷道模型，包括：

所述巷道模型设计为由至少两节两端无面的空心长方体巷道连接而成；在每节所述空心长方体巷道的顶部布置有测量孔，并且在每节所述空心长方体巷道的内部安装有与测量孔相对应的框架；另外，用4根L型金属片分别将每个框架的4个角连接起来，即每个框架的左上角、右上角、左下角、右下角分别依次通过1根L型金属片连接起来。

在本发明的一些实施例中，所述根据量化的相似准则数建立巷道模型之后，包括：

为满足巷道模型与巷道实体几何相似，通过设计移动挡板对建立的巷道模型进行调整。

在本发明的一些实施例中，所述巷道模型内设置有粉尘发生装置，并且外接喷雾降尘装置。而且，巷道模型的出口通过通风装置与尾气处理装置连接。

在本发明的一些实施例中，所述的粉尘发生装置包括风机、装尘盒、粉尘扩散器、收缩腔以及长方体空腔；其中，在所述长方体空腔的一端与所述风机连接，且另一端通过所述收缩腔与所述粉尘扩散器连接；而且，在所述长方体空腔的上端与所述装尘盒连通；

另外，粉尘从所述装尘盒中下落到所述长方体空腔，跟随所述风机风流通过所述收缩腔、所述粉尘扩散器喷射而出；所述收缩腔进口大出口小，且进口与所述长方体空腔连通，出口与所述粉尘扩散器的进口连通；还有，所述粉尘扩散器进口小出口大。

在本发明的一些实施例中，所述的喷雾降尘装置包括水箱、加压泵、流量调节阀、高压管路以及喷嘴；其中，所述高压管路穿过巷道模型固定在其内部的框架上，所述高压管路在巷道模型内部的端口上连接有所述喷嘴；同时，所述置于巷道模型外部的高压管路依次通过所述流量调节阀和所述加压泵与所述水箱连接。

在本发明的一些实施例中，所述通风装置包括抽风机、抽风机支架和调风阀；其中，所述抽风机的进口与巷道模型连接，并且所述抽风机的出口与所述尾气处理装置连接；而且，通过所述抽风机支架将该抽风机支撑在地面之上，在所述抽风机的上端还设置了对所述抽风机的风速进行调节的调风阀。

在本发明的一些实施例中，所述尾气处理装置包括铁皮腔、喷雾装置、纤维栅、集尘盘和吸尘罩；其中，所述吸尘罩与其余部件不连接，悬挂于所述铁皮腔上方，吸排漏溢的尾气；所述集尘盘与其余部件不连接，置于所述铁皮腔尾气出口处接水接尘；并且，在所述铁皮腔内部安装有所述喷雾装置，所述纤维栅安装在由L型金属片搭设的框架上，放在所述集尘盘中。

从上面所述可以看出，本发明提供的粉尘产生及降尘模拟实验方法及其设备，通过选取巷道模型的相似准则数，将选取的相似准则数进行量化；根据量化的相似准则数建立巷道模型；根据巷道模型设置喷雾降尘装置、粉尘发生装置、通风装置和尾气处理装置。从而，本发明所述的粉尘产生及降尘模拟实验方法及其设备能够建立研究粉尘治理的实验模型，分析了粉尘在某一空间上的运移分布规律，以及能够实现试验各类防尘措施的效果。

附图说明

图1为现有技术根据相似原理设计综放工作面的实验模型的结构示意图；

图2为现有技术搭建封闭实验箱来研究喷雾降尘的结构示意图；

图3为本发明实施例中粉尘产生及降尘模拟实验方法的流程示意图；

图4为本发明实施例中粉尘产生及降尘模拟实验的巷道模型结构示意图；

图5为本发明实施例中的每节巷道测试孔的结构示意图；

图6为本发明实施例中的移动挡板的主视图；

图7为本发明实施例中的移动挡板的侧视图；

图8为本发明实施例中巷道模型宽度调节示意图；

图9为本发明实施例中巷道模型高度调节示意图；

图10为本发明实施例中正方连接盘的结构示意图；

图11为本发明实施例中喷雾降尘装置的结构示意图；

图12为本发明实施例中粉尘发生装置的结构示意图；

图13为本发明实施例中防堵器的结构示意图；

图14为本发明实施例中松尘环与马达连接处的局部放大图；

图15为本发明实施例中滤尘器的结构示意图；

图16为本发明实施例中旋转曲杆与滤尘器、马达的连接结构示意图；

图17为本发明实施例中落尘量调节器的结构示意图；

图18为本发明实施例中挡尘片的三视图；

图19为本发明实施例中调节旋钮的三视图；

图20为本发明实施例中连接螺钉的三视图；

图21为本发明实施例中通风装置的结构示意图；

图22为本发明实施例中的尾气处理装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明一个实施例，如图3所示，为本发明实施例中粉尘产生及降尘模拟实验方法的流程示意图。所述的粉尘产生及降尘模拟实验方法包括步骤：

步骤301，选取巷道模型的相似准则数。

在实施例中，根据三大前提条件建立巷道模型：

第一：研究粉尘颗粒在巷道流体介质中运动时，只考虑气流与其相对运动引起的作用力及其自身重力，而忽略其他作用力。

第二：忽略巷道实体与巷道模型气流介质的差异性，视空气流体介质为不可压缩粘性气体，流动为定常流。

第三：粉尘颗粒均视为固体球形。

因此，用气流运动方程和固体球形颗粒运动方程描述粉尘在空气中的运动，气流运动方程为：

${\mathrm{\ρ}}_g(\frac{{\mathrm{dU}}_g}{dt}+U_g\·\▿U_g)=F-\▿p+\mathrm{\μ}g\·{\mathrm{\ΔU}}_g$

式中：ρ_g—气流密度，kg/m³；Ug—气流速度矢量，m/s；t—时间，s；

F—单位体积气流质量力矢量，N/m³；P—气流压力矢量，pa；

μ_g—气流动力粘性系数，pa·s；

以及气流连续性方程为：

由上述两式，气流运动方程简化为：

${\mathrm{\ρ}}_g\frac{{\mathrm{dU}}_g}{dt}=F-\▿p-\mathrm{\μ}\·{\mathrm{\ΔU}}_g$

以及粉尘颗粒运动方程为：

$\frac{\mathrm{\π}}{6}{d}_p^3{\mathrm{\ρ}}_p\frac{{\mathrm{dU}}_p}{dt}=\frac{\mathrm{\π}}{8}{C}_p{d}_p^2{\mathrm{\ρ}}_g{U}_r\left|U_r\right|$

式中：d_p—粉尘颗粒直径，m；ρ_p—粉尘颗粒密度，kg/m³；U_p—粉尘颗粒速度矢量，m/s；C_p—阻力系数；U_r—气流与尘粒的相对速度U_r＝Ug-U_p，m/s。

由此，在气流和尘粒两大运动方程中，有量纲且独立的物理量有10个：ρ_g、ρ_p、Ug(Ug的下标表示气体gas)、Up(Up的下标表示颗粒particle)、μ_g、d_p、g(g为重力加速度)、l(巷道断面当量直径，l＝4S/U，S为断面面积，U为断面周长)、P、t。

其中，质量[M]，时间[T]，长度[L]为三个基本物理量纲，按国际单位算分别对应kg(千克)，s(秒)，m(米)。由这三个物理量纲可以组成上述10个物理量的单位。

根据上面所述的10个物理量，由量纲分析中的π定理得到10个相似准则数：气流雷诺准则Re_g＝lρ_gU_g/μ_g、颗粒雷诺准则Re_p＝d_pρ_g(U_g-U_p)/μ_g、均时性准则H_o＝U_gt/l、弗劳德准则斯托克斯准则欧拉准则密度准则ρ_g/ρ_g、运动准则U_p/U_g、几何准则l/L(L为巷道长度)、相对粗糙度准则ε/l(ε为绝对粗糙度)。

需要说明的是，粉尘颗粒运动速度在短时间内能与气流达到一致，故U_p/U_g近似取1，运动准则满足。而颗粒雷诺准则Re_p，由于(U_g-U_p)趋于0故可忽略。巷道模型与实体气体流场均处稳定状态，均时性准则H₀不考虑。粉尘颗粒粒径不大，惯性力与重力比值可忽略不计，弗劳德准则F_r不考虑。由于欧拉数E_u＝f(H₀，Re，F_r)不独立，故不考虑。另外，粉尘采集于现场，巷道模型的气流与实体巷道的气流属同一流体介质(由前提可得)，密度准则ρ_p/ρ_g满足。因此，建立模型需考虑的相似准则数有4个：Re_g、S_tk、l/L和ε/l。

步骤302，将选取的相似准则数进行量化。

在实施例中，在粉尘产生及降尘模拟实验中，流动的单值条件有4个：几何条件、物理条件、边界条件和初始条件。其中，井下两大产尘场所采煤面和掘进面都可以近似为长方体，故模型建成按实体尺寸缩小n倍的长方体以满足几何条件和几何准则数l/L。然后，根据假设巷道模型与实体巷道的气流属同一流体介质，物理条件满足。以及巷道模型与实体巷道的粘性流体流动边界都是气固边界，且粘性流体在巷道中流动不管进出口速度如何分布，经过一段距离速度分布都会稳定下来，故边界条件满足。另外，定常流动不考虑初始条件。具体的实施过程包括：

由几何系数＝巷道实体:巷道模型＝n，要满足斯托克斯准则 实际现场准则数/模型准则数＝1，即实际现场相似准则数＝模型相似准则数，得

$S_{tk}=S_{tk}^{\′}\⇔d_p^2/{d_p^{\′}}^2=l/l^{\′}=n\⇔d_p/d_p^{\′}=\sqrt{n}$

故实验所用粉尘直径应是现场的其中，d_p表示现场粉尘，d'_p表示实验用粉尘。

还有，由于巷道环境复杂，矿井中大多数巷道尤其是采煤和掘进等产尘场所，风流的Re_g值已进入阻力平方区(第二自模区)。因此，只要巷道模型流动进入阻力平方区，巷道模型的建立就可以不考虑雷诺准则数。

根据现场设计实验风速为1～4m/s，气流介质运动粘度系数υ_g＝μ_g/ρ_g＝15.3×10^-6～16.6×10^-6m²/s(T＝20～30℃)。取风速为1m/s，υ_g＝16.6×10^-6m²/s，则雷诺数最小值为Re_g＝l/(16.6×10^-6)。模型进入第二自模区的判据是Re_g＞1000/(ε/l)，因此巷道模型管壁绝对粗糙度ε要大于 16.6mm。

步骤303，根据量化的相似准则数建立巷道模型。

较佳地，由于采煤面和掘进面等主要产尘场所可近似为长方体，如图4所示，故巷道模型设计为由至少两节两端无面的空心长方体巷道1连接而成。并且，在每节巷道1的下端分别安装了带轮子的移动支架2。在一个优选地实施例中，巷道1管壁材料是厚度6mm的亚克力有机玻璃板，内侧尺寸为长1200mm，宽800mm，高800mm。每节巷道1由600mm×800mm×300mm的带轮移动支架2支撑。

值得说明的是，在每节巷道1的顶部布置有测量孔。较佳地，在巷道1的顶部布置具有一定间隔的4列测量孔。优选地，每列测量孔相距300mm，第1列距长方体巷道1的左顶边100mm，第4列距右顶边200mm。并且，第2列和第4列有7行测量孔，每行相距100mm。第1行距上顶边100mm，第7行距下顶边100mm。第1列和第3列有1个测量孔且位置居中。每个测量孔直径为18mm，如图5所示。

作为另一个实施例，在每节巷道1的内部安装有与测量孔相对应的框架。较佳地，安装有4道框架分别与4列测量孔相对应，每道框架在相对应的测量孔列的右侧5mm处。优选地，每道框架由L型金属片搭设而成，外围面积等于巷道1的断面面积。并且，用4根930mm的L型金属片分别将每个框架的4个角连接起来，即每个框架的左上角、右上角、左下角、右下角分别依次通过1根L型金属片连接起来。因此，本巷道模型在实验条件下难以发生形变。

在具体的实施例中，每个L型金属片的厚度为1mm，高度和宽度均是30mm(可以满足巷道模型管壁绝对粗糙度ε大于16.6mm的要求，所述绝对粗糙度是指粗糙突出的平均高度。)，另外，L型金属片上每隔10mm就有一个直径10mm的圆孔，以便L型金属片之间用螺丝连接固定。而且，实验室配备的L型金属片长度有300mm，400mm，500mm，930mm和100mm以下(用以微调)，该性质决定了框架尺寸调整的灵活性。

步骤304，对建立的巷道模型进行调整。

在该实施例中，为满足巷道模型与巷道实体几何相似，设计了移动挡板。较佳地，所述的移动挡板(如图6所示)包括有机玻璃板、金属框架以及橡胶海绵密封条。优选地，有机玻璃板为长1200mm，宽796mm，厚度6mm。 金属框架长1200mm，宽796mm的。橡胶海绵密封条长1200mm，宽16mm，厚5mm的。并且，金属框架由L型金属片组成，在有机玻璃板上四个角打直径6mm的小孔，通过螺丝将金属框架固定在有机玻璃板背面上(如图7所示)。将长1200mm的橡胶海绵条对齐有机玻璃板正面，粘贴在有机玻璃板的两条长边上。因此，当移动挡板放入巷道模型中，橡胶海绵密封条受巷道模型壁面压缩而反弹，增强气密性。

还有，通过上面所述的移动挡板可以调节巷道模型的断面大小。假设巷道实体长宽高为(x,y,z)，巷道模型长宽高为(a,b,c)，单位均为m。当y＜z时，b<c，则令c＝0.8(即高不变)(本实施例巷道模型的初始断面设计为0.8mX0.8m的正方形)，以n＝z/c为几何系数来确定巷道模型的尺寸，通过减小宽度和增加长度，即可满足几何相似，此时a＝x/n，b＝y/n。同理，当y＞z时，令b＝0.8(即宽不变)，以n＝y/b为几何系数，通过减小高度和增加长度可满足几何相似，此时a＝x/n，c＝z/n。特殊的，当y＝z时，令b＝c＝0.8，以n＝y/b＝z/c为几何系数，只需增加长度，此时a＝x/n。

作为另一个优选地实施例，所述的巷道模型都可以进行宽度或高度的调节。其中，以单节巷道1为例：

调节宽度时，将移动挡板竖直放入巷道1预设的垂直位置上(如图8所示)，由于巷道1上下壁面压缩橡胶海绵密封条从而达到密封的效果。另外，由于巷道1是负压通风，移动挡板受力指向巷道1的内侧，巷道1断面调节好后还需搭设金属框架，故调节宽度时移动挡板不需在背侧搭设支撑架。

调节高度时，将移动挡板水平放入巷道1的预设水平位置上(如图9所示)，由于巷道模型两侧壁面压缩橡胶海绵密封条从而达到密封的效果，且在移动挡板底部四个角架设L型金属片用以支撑。另外，可以在每节巷道1的空余部分在进风口处用防风布粘实。

与此同时，巷道模型的长度通过多个巷道1连接来调节，以两节巷道1连接为例，具体的实施过程包括：单节巷道1进出口处设有正方的连接盘，如图10所示。较佳地，内边长812mm，外边长872mm，材料是厚6mm的亚克力有机玻璃板。连接盘上均匀分布13个直径为6mm的连接孔，相邻两孔之间的距离为210mm。优选地，两节巷道1连接处的两个连接盘中间放置厚度5mm，内边800mm，外边832mm的正方框橡胶海绵密封条，用螺丝上紧后实现密封。

步骤305，根据调整后的巷道模型，设置喷雾降尘装置、粉尘发生装置、通风装置和尾气处理装置。

在实施例中，在调整后的巷道模型内设置有粉尘发生装置，并且外接喷雾降尘装置。而且，巷道模型的出口通过通风装置与尾气处理装置连接。

其中，所述的喷雾降尘装置包括水箱、加压泵、流量调节阀、高压管路以及喷嘴(如图11所示)。高压管路穿过巷道模型固定在其内部的框架上，较佳地，可以通过钢丝进行固定。并且，高压管路在巷道模型内部的端口上连接有喷嘴。同时，所述置于巷道模型外部的高压管路依次通过流量调节阀和加压泵与水箱连接。

较佳地，采用可调角度式喷嘴，即喷嘴的喷射角度可以改变。优选地，通过在框架中水平位置安设L型金属叶片，还可以实现喷嘴安装高度的调整。具体的设计为：在框架的水平位置安设L型金属叶片，是指在该框架中某一水平位置再连接一个L型金属叶片，连接方式也是螺丝连接。因此，框架中某一水平位置再连接一个L型金属叶片，可以实现喷嘴安装高度的调整，喷雾设施布置十分灵活。

另外，在巷道模型外部两边布置激光粒度仪对雾滴粒度进行测量，当粉尘较多时，可以喷雾降尘。还有，由于巷道模型中安放了金属框架，还能在该金属框架上布置隔尘帘和纤维栅等降尘措施。

所述的粉尘发生装置包括风机、装尘盒、粉尘扩散器、收缩腔以及长方体空腔(如图12所示)。其中，在长方体空腔的一端与风机连接，且另一端通过收缩腔与粉尘扩散器连接。而且，在长方体空腔的上端与装尘盒连通。较佳地，装尘盒采用漏斗式结构。优选地，装尘盒上设计有塑料帽，防止粉尘溢出。

同时，粉尘从装尘盒中下落到长方体空腔，跟随风机风流通过收缩腔、粉尘扩散器喷射而出。另外，收缩腔进口大出口小，且进口与长方体空腔连通，出口与粉尘扩散器的进口连通。还有，粉尘扩散器进口小出口大，使粉尘随风流喷出时有个向上和向下的分速度，从而实现粉尘迅速扩散到巷道模型之中，其扩散角可根据实验需求制定。

所述的粉尘发生装置还包括防堵器，所述防堵器设置在所述装尘盒右侧，包括松尘环、马达机箱以及设置在马达机箱中的马达支架、马达、转轴曲杆以及滤尘器(如图13所示)。其中，松尘环的下端正对装尘盒底部的落尘口， 松尘环的下端大小为20mm×20mm。马达开启时，转轴曲杆带动松尘环上下移动从而松动粉尘，起到防止粉尘堵塞的作用。优选地，粉尘发生装置还包括控制板，该控制板上设计有旋钮和开关，旋钮与风机相连用于调控风机转速，开关于防堵器相连用以控制防堵器。

较佳地，如图14所示，所述的旋转曲杆设计为一个连续的凹凸结构，在旋转曲杆凹结构或者凸结构上套接有松尘环上端的圆柱筒，相应的在旋转曲杆的凸结构或者凹结构穿过安设在滤尘器上。

还有，所述的滤尘器包括外螺纹空心圆柱筒和内螺纹空心圆柱筒(如图15所示)，所述外螺纹空心圆柱筒可以旋入到所述内螺纹空心圆柱筒中。较佳地，滤尘器中充填了密封海绵，防止滤尘器中的粉尘外溢。

优选地，马达通过螺钉固定在马达支架上，马达支架通过螺钉固定在马达机箱中。还有，如图16所示，旋转曲杆穿过所述滤尘器，并且在旋转曲杆穿入滤尘器的位置上设置有金属片，用于防止旋转曲杆向外脱落。同时，通过传动轴套将穿入所述滤尘器的旋转曲杆端部和马达转轴连接起来，马达转轴的另一端连接马达。另外，安装旋转曲杆时，先将滤尘器部分旋开，放入旋转曲杆使传动轴套与马达转轴接合，再将滤尘器旋转接合。

还值得说明的是，所述的粉尘发生装置还包括落尘量调节器，如图17所示，其包括挡尘片(图18)、连接螺钉(图20)、调节旋钮(图19)和固定螺母。具体的结构为：将挡尘片套入连接螺钉底部，从长方形空腔顶部圆洞伸出，较佳地，圆洞半径为5mm。并且，所述挡尘片置于装尘盒底部与所述长方形空腔连接的落尘口下端。优选地，所述挡尘片紧贴于落尘口下端。还有，将调节旋钮套入伸出部分的连接螺钉，用螺母固定连接螺钉，并将螺母旋至贴紧调节旋钮，使调节旋钮贴紧长方形空腔即可。从而，顺时针转动调节旋钮可以逐渐关闭落尘口，逆时针转动调节旋钮可以逐渐打开落尘口。

优选地，挡尘片是直径为30mm的圆形金属片，面积大于落尘口。

在另一个实施例中，通风装置包括抽风机、抽风机支架和调风阀(如图21所示)。抽风机的进口与巷道模型连接，并且抽风机的出口与尾气处理装置连接。而且，通过抽风机支架将该抽风机支撑在地面之上，在该抽风机的上端还设置了可以对抽风机的风速进行调节的调风阀。较佳地，抽风机的进口、出口的连接处均用防风布密封。优选地，所述的抽风机型号是SFG5-4，调风阀的角度分别为0°、18°、36°、54°、72°、90°，其中0°为风门 全闭，90°为风门全开。调风阀角度从小到大变换，风速也从小到大变化。

另外，尾气处理装置(如图22所示)包括铁皮腔、喷雾装置、纤维栅、集尘盘和吸尘罩。其中，吸尘罩与其余部件不连接，悬挂于铁皮腔上方，吸排漏溢的尾气。集尘盘与其余部件不连接，置于铁皮腔尾气出口处接水接尘。并且，在铁皮腔内部安装有喷雾装置。纤维栅安装在由L型金属片搭设的框架上，放在集尘盘中。优选地，框架顶部塞进铁皮腔出口约30mm。金属框架周围，以及金属框架与铁皮腔接口处用防风布包裹3层密封，并用螺钉固定。

另外，通风装置与铁皮腔连接处设置有圆形连接盘。并且，将防风布与圆形连接盘对其连接，在防风布上开6个小孔使得防风布与圆形连接盘能用螺丝固定，并在防风布与圆形连接盘的接合处用玻璃胶密封。将通风装置与铁皮腔对接，让防风布展开覆盖连接的空隙，最后将余出50mm宽的防风布钉装在铁皮腔上，并用橡胶绳箍住密封。

实验时，含尘气流进入铁皮腔后，先受到喷雾降尘，同时喷雾润湿了纤维栅，当含尘气流通过纤维栅时，再次降尘。此时气流中的粉尘浓度已经大大降低，通过吸尘罩将净化后的含尘气流排出窗外即可。在铁皮腔内布置三个喷嘴，顶部一个，喷射方向与地面垂直即喷向纤维栅。纤维栅层数可根据实验需求布置，一般5层以上，安装在L型金属框架上，金属框架周围用防风布包裹密封，顶部与铁皮腔出口相接。集尘盘的作用是收集沉降的粉尘和积水。

综上所述，本发明提供的粉尘产生及降尘模拟实验方法及其设备，创造性地基于相似准则的、以一节巷道为基本单元实现巷道断面便利调节和组装的并在单元中设计和布置阻隔和喷雾等防降尘实验手段的巷道模型，可开展巷道作业中多种场景的降尘模拟实验；并且可以在实验室条件下设置产尘设备和尾气处理设备；还有，根据相似原理设计实验模型，使实验条件和实体条件更相近，使得到的实验数据以及从实验数据分析得来的结果和规律更具有代表性，以往的巷道模型降尘实验未能在保持模型与实体力学相似或近似的情况下进行，即模型与实体力学相似或近似和搭设防尘设施这两个条件无法同时满足，得到的实验结果也必然有误差，从而本发明则解决了这一问题。

与此同时，本发明通过设计移动挡板减小宽度或高度来调节巷道模型的断面大小和增减节数来改变巷道长度，以满足模型与实体的几何相似关系； 模型几何尺寸灵活的可调性极大地拓宽了模型模拟实体的范围，增强了发明的实用性；另外，本发明包含的粉尘发生装置设有防堵器和粉尘扩散器，解决了普通粉尘发生装置堵塞和发尘不均匀的问题；此外，还设有落尘量调节器可对发尘量进行调节，而且调节风机转速还能改变粉尘扩散初速度；本发明设计了尾气处理装置，使风机出口含尘气流受到喷雾和湿式纤维栅的降尘作用，粉尘浓度大大降低，最后通过吸尘罩将净化后的含尘气流排出窗外，保障良好的实验室工作环境以及实验人员的安全和健康。

另外，除了煤矿巷道，其他受限巷道空间(一个入口一个出口、只有入口和封闭空间)的粉尘相关实验本发明都可以应用到，具有广泛、重大的推广意义；本发明有效地完成了降尘模拟实验各子设备的集成，适合实验室用的粉尘产生和降尘模拟实验设备，为实验室环境下开展相关研究提供支持；最后，整个所述的粉尘产生及降尘模拟实验方法及其设备紧凑，易于实现。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于控制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种粉尘产生及降尘模拟实验方法，其特征在于，包括步骤：

选取巷道模型的相似准则数，将选取的相似准则数进行量化；

根据量化的相似准则数建立巷道模型；

根据巷道模型设置喷雾降尘装置、粉尘发生装置、通风装置和尾气处理装置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选取巷道模型的相似准则数，包括：

根据三大前提条件建立巷道模型：

第一：研究粉尘颗粒在巷道流体介质中运动时，只考虑气流与其相对运动引起的作用力及其自身重力，而忽略其他作用力；

第二：忽略巷道实体与巷道模型气流介质的差异性，视空气流体介质为不可压缩粘性气体，流动为定常流；

第三：粉尘颗粒均视为固体球形；

因此，用气流运动方程和固体球形颗粒运动方程描述粉尘在空气中的运动，气流运动方程为：

式中：ρ_g—气流密度，kg/m³；Ug—气流速度矢量，m/s；t—时间，s；

F—单位体积气流质量力矢量，N/m³；P—气流压力矢量，pa；

μ_g—气流动力粘性系数，pa·s；

以及气流连续性方程为：▽U_g＝0；

由上述两式，气流运动方程简化为：

以及粉尘颗粒运动方程为：

式中：d_p—粉尘颗粒直径，m；ρ_p—粉尘颗粒密度，kg/m³；U_p—粉尘颗粒速度矢量，m/s；C_p—阻力系数；U_r—气流与尘粒的相对速度U_r＝Ug-U_p，m/s；

由此，在气流和尘粒两大运动方程中，有量纲且独立的物理量有10个：ρ_g、ρ_p、Ug、Up、μ_g、d_p、g、l、P、t；

根据上面所述的10个物理量，由量纲分析中的π定理得到10个相似准则数：气流雷诺准则Re_g＝lρ_gU_g/μ_g、颗粒雷诺准则Re_p＝d_pρ_g(U_g-U_p)/μ_g、均时性准则H_o＝U_gt/l、弗劳德准则斯托克斯准则欧拉准则密度准则ρ_p/ρ_g、运动准则U_p/U_g、几何准则l/L、相对粗糙度准则ε/l；

同时，粉尘颗粒运动速度在短时间内能与气流达到一致，故U_p/U_g近似取1，运动准则满足；而颗粒雷诺准则Re_p，由于(U_g-U_p)趋于0故可忽略；巷道模型与实体气体流场均处稳定状态，均时性准则H₀不考虑；粉尘颗粒粒径不大，惯性力与重力比值可忽略不计，弗劳德准则F_r不考虑；由于欧拉数E_u＝f(H₀，Re，F_r)不独立，故不考虑；另外，粉尘采集于现场，巷道模型的气流与实体巷道的气流属同一流体介质，密度准则ρ_p/ρ_g满足；因此，建立模型需考虑的相似准则数有4个：Re_g、S_tk、l/L和ε/l。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将选取的相似准则数进行量化，包括：

由几何系数＝巷道实体:巷道模型＝n，要满足斯托克斯准则 实际现场准则数/模型准则数＝1，即实际现场相似准则数＝模型相似准则数，得

故实验所用粉尘直径应是现场的其中，d_p表示现场粉尘，d'_p表示实验用粉尘。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据量化的相似准则 数建立巷道模型，包括：

所述巷道模型设计为由至少两节两端无面的空心长方体巷道连接而成；在每节所述空心长方体巷道的顶部布置有测量孔，并且在每节所述空心长方体巷道的内部安装有与测量孔相对应的框架；另外，用4根L型金属片分别将每个框架的4个角连接起来，即每个框架的左上角、右上角、左下角、右下角分别依次通过1根L型金属片连接起来。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据量化的相似准则数建立巷道模型之后，包括：

为满足巷道模型与巷道实体几何相似，通过设计移动挡板对建立的巷道模型进行调整。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述巷道模型内设置有粉尘发生装置，并且外接喷雾降尘装置。而且，巷道模型的出口通过通风装置与尾气处理装置连接。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的粉尘发生装置包括风机、装尘盒、粉尘扩散器、收缩腔以及长方体空腔；其中，在所述长方体空腔的一端与所述风机连接，且另一端通过所述收缩腔与所述粉尘扩散器连接；而且，在所述长方体空腔的上端与所述装尘盒连通；

另外，粉尘从所述装尘盒中下落到所述长方体空腔，跟随所述风机风流通过所述收缩腔、所述粉尘扩散器喷射而出；所述收缩腔进口大出口小，且进口与所述长方体空腔连通，出口与所述粉尘扩散器的进口连通；还有，所述粉尘扩散器进口小出口大。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的喷雾降尘装置包括水箱、加压泵、流量调节阀、高压管路以及喷嘴；其中，所述高压管路穿过巷道模型固定在其内部的框架上，所述高压管路在巷道模型内部的端口上连接有所述喷嘴；同时，所述置于巷道模型外部的高压管路依次通过所述流量调节阀和所述加压泵与所述水箱连接。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述通风装置包括抽风机、抽风机支架和调风阀；其中，所述抽风机的进口与巷道模型连接，并且所述抽风机的出口与所述尾气处理装置连接；而且，通过所述抽风机支架将该抽风机支撑在地面之上，在所述抽风机的上端还设置了对所述抽风机的风速进行调节的调风阀。

10.根据权利要求6至9任意一项所述的方法，其特征在于，所述尾气处理装置包括铁皮腔、喷雾装置、纤维栅、集尘盘和吸尘罩；其中，所述吸尘罩与其余部件不连接，悬挂于所述铁皮腔上方，吸排漏溢的尾气；所述集尘盘与其余部件不连接，置于所述铁皮腔尾气出口处接水接尘；并且，在所述铁皮腔内部安装有所述喷雾装置，所述纤维栅安装在由L型金属片搭设的框架上，放在所述集尘盘中。