CN107515984A

CN107515984A - 一种风幕控尘气固两相流数值模拟方法

Info

Publication number: CN107515984A
Application number: CN201710728464.8A
Authority: CN
Inventors: 荣河海; 屈年华; 王丽敏; 宋欣; 唐保存; 赵国智; 元永国
Original assignee: Heilongjiang University of Science and Technology
Current assignee: Heilongjiang University of Science and Technology
Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2017-12-26

Abstract

本发明属于煤矿技术领域，公开了一种风幕控尘气固两相流数值模拟方法，所方法包括：有风幕的巷道内粉尘运动的数值模型建立；有风幕的巷道内粉尘运动的数值模型参数设置；有风幕的巷道内粉尘运动的数值模型利用Gambit软件进行网格划分；进行边界条件设定。本发明在原有综掘面供风和除尘系统上，为合理地加装风幕，封住综掘自由面，通过合理地调整流场风速和风量，控制粉尘不向巷道扩散，不影响人员的工作、通行和观察。风幕将尘源封住后，由除尘设备把含尘气流抽出，进而完成含尘气流除尘净化过程，这样就能有效达到粉尘治理目的，提供了理论支持。

Description

一种风幕控尘气固两相流数值模拟方法

技术领域

本发明属于煤矿技术领域，尤其涉及一种风幕控尘气固两相流数值模拟方法。

背景技术

综掘工作面的除尘系统必须是高效集尘与高效除尘的统一，而首先要解决的是集尘效率问题，有效控制流场尘源，防止扩散，继而除尘。针对传统防尘技术在掘进生产应用的优点和不足点，国内外专家进行了风幕集尘除尘技术的研究，以求得更好地除尘效果。风幕是使空气以一定的风速从条缝口吹出而形成的隔断气帘。当出风窄缝长边与短边比超过10:1时，称为条缝射流。利用条缝射流原理，用压风机提供动力并通过风筒与风幕射流装置相连，将风幕射流装置安装在综掘面的综掘机上并位于综掘机司机的操作前方，利用射流装置喷射出的气流形成一道“无形透明屏障”，将掘进面产生的粉尘与人员工作的区域隔离开来，风幕起到的作用就是隔离粉尘也是风幕控尘的原理，风幕幕控尘原理中，然后利用长压短抽的抽出式风筒将控制处的粉尘抽出通过除尘风机净化，净化后的风流再流入掘进巷道，最后进入掘进巷道的回风系统，这样保证了掘进巷道的清洁和工作区域的卫生条件。风幕不像固体墙壁那样阻挡尘粒穿透，它的作用是利用射流气流将司机与煤壁侧分离开来，射流射向巷道的顶板和两壁，这道“无形透明屏障”使综掘机截煤时产生的粉尘不向掘进机司机方向扩散。另外在条缝射流的影响及压入和抽出风筒的作用下，射流卷携周围空气冲向顶板和巷道两壁，这样司机位置上方的粉尘折转向上，司机位两侧的粉尘被压入风流带入掘进工作面，污染区域的粉尘被阻隔在煤壁侧，阻止粉尘向掘进巷道内扩散，尤其是阻止粒径小于5μm的呼吸性粉尘向司机处扩散。实际上在风幕的卷吸作用下，只有少数尘粒在气流的横向脉动作用下穿过风幕，大部分粉尘粒子被隔绝在污染区域内，从而保证司机呼吸带空气的清洁以达到粉尘防治的目的。

风幕隔尘作用实际上相当于在综掘司机前方增加一个附加阻力层，形成一个无形屏障以阻止粉尘从煤壁侧向司机处扩散。因此，影响风幕隔尘效果的因素主要有两个：一个是风幕卷吸两侧空气的能力；另一个是风幕的抗扩散能力。为了提高风幕的隔尘效果，总希望风幕的卷吸能力越小越好，风幕下部卷吸的空气量越少，则从风幕上部卷出又进入防尘区的含尘空气量也就少，相应可降低防尘区的粉尘浓度，提高风幕的隔尘效率；同时又希望风幕的抗扩散能力越强越好，这样有利于阻挡粉尘从煤壁侧扩散到司机侧，然而风幕在实际应用中，这两个方面的作用又是相互牵制的，要使风幕的抗扩散能力增强，必须要求风幕具有较宽的厚度和较大的风速。风幕出口宽度越大，喷口风速越高，它的抗扩散能力越强，但同时风幕的卷吸作用也越大。如何来合理选取风幕的有关设计参数，保证风幕既能有效的阻止粉尘向防尘区扩散，又能使风幕卷吸空气量较小，这是实验研究的关键。

经过反复的现场实测得出，一般情况下，风流风速在综掘面巷道中较低，粉尘随着风流的运动呈现一定的分布规律，当距离工作面端头比较远时，其呼吸性粉尘或全尘的浓度都在迅速减小，此时离开发尘源的各种粒级都在纷纷沉降，一般远离工作面20～30m后沉降速度逐渐减慢，浓度也逐渐稳定。细微粒子、可呼吸性粉尘浓度变化更微弱，而距工作面3～4m范围内是高浓度粉尘最集中的地方，在此距离内大颗粒或相对大些粒子沉降速度很快，剩下的近乎于飘尘，随着风流飘动，通常情况下，风速在0.15m/s以上就可以进行排尘。所以，即使叠加流场边界流速很低，只要控制住尘源内的空气流场，并且风速达到0.3m/s，一般飘尘都会被驱赶、混扰进而排出。那么，如何控制含尘气流不向巷道内逸散便成为主要研究问题。通过实验表明，风幕技术可以较好地控制综掘面粉尘的扩散，尤其是控制呼吸性粉尘向司机处扩散。

综上所述，现有技术存在的问题是：

对于在原有综掘面供风和除尘系统上，如何合理地加装风幕，封住综掘自由面，如何通过合理地调整流场风速和风量，控制粉尘不向巷道扩散，在不影响人员的工作、通行和观察，有效达到粉尘治理目的，缺乏指导意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种风幕控尘气固两相流数值模拟方法。

本发明是这样实现的，一种风幕控尘气固两相流数值模拟方法，所述风幕控尘气固两相流数值模拟方法包括：

有风幕的巷道内粉尘运动的数值模型建立；

有风幕的巷道内粉尘运动的数值模型参数设置；

有风幕的巷道内粉尘运动的数值模型利用Gambit软件进行网格划分；

进行边界条件设定：通过采用离散相模型，对给定的压入风筒和风幕射流的进口为速度入口边界条件，巷道出口和抽出风筒、风幕风机入口为出流边界条件；巷道的壁面为reflect边界条件，并设定弹性恢复系数，出口设为escape边界条件。

进一步，所述有风幕的巷道内粉尘运动的数值模型建立的方法，包括：采用矩形巷道模型；流体连续相为空气，离散相粉尘颗粒从巷道掘进工作面顶端射出，压入式风机风量256m³/min，除尘风机出口风流量为156m³/min，从巷道出口返回的风流量为100m³/min；分别对6mm风幕窄缝宽度时风幕射流速度为v＝20m/s，15mm风幕窄缝宽度时风幕射流速度为v＝15m/s，20mm风幕窄缝宽度时风幕射流速度为v＝10m/s，15mm风幕窄缝宽度时风幕射流速度为v＝0m/s；进行气固两相流数值模拟。

进一步，所述有风幕的巷道内粉尘运动的数值模型参数设置包括：

1)根据雷诺数设置，公式为：

式中：

D_H——巷道的水力直径，m；

ρ——空气的密度，kg/m³；

v——风流的速度，m/s；

μ——风流的粘性系数，m/s；

其中，对有压圆管，水力直径为其直径；对非圆管，水力直径为：

湍流强度用经验公式计算：

I＝0.16(Re)^-1/8；

2)各边界流量设置：

压入式风机入口流量：

除尘风机出口流量：

巷道出口返回流量：

风幕风机入口流量与风幕射流流量相同；

3)各边界速度设置：

①压入式风筒速度入口

②粉尘速度

式中：

r——掘进机截割头半径，m，r优选250mm；

w——截割头角速度，m/s；

n——截割头转速，r/min，n优选50r/min；

4)气体流场数学模型的设置；

5)颗粒相数学模型的设置；

6)粉尘运移沉降的数值求解特征设置。

进一步，所述气体流场数学模型的设置中，具体包括：

在井下正常工作状态下，风流是匀速稳态，忽略机械设备运行、一些风门开关、人员走动的情况对风流造成的影响；

在进行气体分析时，如果在巷道内压强和温度变化不大，压缩性及温度对气体的影响被忽略；分析粉尘的的重力影响。

进一步，所述颗粒相数学模型的设置中，采用欧拉一拉格朗日法，流体相视为连续相，并且求解N-S方程，而离散相则通过计算流场中大量粒子的运动得到。

进一步，所述粉尘运移沉降的数值求解特征设置，包括：

使用3D分离式求解器，对流动按稳态问题进行处理；

使用standard k-ε湍流模型；

不考虑热交换，即屏蔽能量方程；

压力-速度耦合方式采用SIMPLE解法，使用默认的欠松弛因子；

各控制方程的离散格式均用二阶迎风格式；

启动所有求解变量的参差监视功能，收敛判据均为0.001；

后处理环节显示速度矢量图、颗粒轨迹图。

本发明的优点及积极效果为：

本发明在原有综掘面供风和除尘系统上，为合理地加装风幕，封住综掘自由面，通过合理地调整流场风速和风量，控制粉尘不向巷道扩散，不影响人员的工作、通行和观察。风幕将尘源封住后，由除尘设备把含尘气流抽出，进而完成含尘气流除尘净化过程，这样就能有效达到粉尘治理目的，提供了理论支持。

本发明的理论指导意义有：

(1)在无风幕时，粉尘一直沿巷道扩散运动，粉尘充满整个巷道，

(2)在有风幕时，6mm窄缝宽度(风幕射流速度v＝20m/s)时，粉尘比较集中地被抽风机抽走；在15mm窄缝宽度(风幕射流速度v＝15m/s)和20mm窄缝宽度(风幕射流速度v＝10m/s)时，粉尘风幕内分布比较离散，而巷道内基本没有粉尘，且风幕射流速度越大，粉尘越趋向于向抽风筒运动，粉尘越不易在巷道中扩散，越易集中被抽风机抽走。

(3)综合有风幕和无风幕模拟情况可以看出，风幕射流装置起到了集尘作用且作用效果明显。

由于风幕出口宽度越大，喷口风速越高，它的抗扩散能力越强，但同时风幕的卷吸作用也越大。因此在设计风幕时，风幕的出口可以设计成可调节的，这样就有利于现场的实际应用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的风幕控尘气固两相流数值模拟方法流程图。

图2是本发明实施例提供的有风幕的巷道数值模型示意图。

图3是本发明实施例提供的有风幕的巷道数值模型边界设置图。

图中：1、第一巷道流量出口；2、第二巷道流量出口；3、第三巷道流量出口；4、压入式风机速度入口；5、风幕风机流量出口；6、第一风幕射流速度入口；7、第二风幕射流速度入口；8、尘源颗粒射流入口；9、抽风机流量出口。

图4是本发明实施例提供的无风幕的巷道数值模型图。

图5是本发明实施例提供的无风幕的巷道数值模型边界设置图。

图中：10、压入式风机速度入口；11、尘源颗粒射流入口；12、抽风机流量出口；13、第四巷道流量出口；14、第五巷道流量出口；15、第六巷道流量出口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

目前，对于在原有综掘面供风和除尘系统上，如何合理地加装风幕，封住综掘自由面，如何通过合理地调整流场风速和风量，控制粉尘不向巷道扩散，在不影响人员的工作、通行和观察，有效达到粉尘治理目的，缺乏指导意义。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的风幕控尘气固两相流数值模拟方法，包括：

S101：有风幕的巷道内粉尘运动的数值模型建立。

S102：有风幕的巷道内粉尘运动的数值模型参数设置。

S103：有风幕的巷道内粉尘运动的数值模型利用Gambit软件进行网格划分。

S104：进行边界条件设定：通过采用离散相模型，对给定的压入风筒和风幕射流的进口为速度入口边界条件，巷道出口和抽出风筒、风幕风机入口为出流边界条件；巷道的壁面为reflect边界条件，并设定弹性恢复系数，出口设为escape边界条件。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明实施例提供的风幕控尘气固两相流数值模拟方法，包括：

一、数值模型建立

(1)有风幕的巷道内粉尘运动的数值模型

根据风幕形成条件和掘进实际风量的需要，本发明采用矩形巷道模型，基本数据为：巷道长度25m，宽度4.5m，高度3.2m，流体连续相为空气，其密度为1.225kg/m.s，温度为300k，粘性系数为1.7894×10.5kg/m.s，离散相粉尘颗粒从巷道掘进工作面顶端射出，粉尘颗粒直径分别为5μm，密度为1200kg/m³，质量流速0.0003kg/s。压入式风机风量256m³/min，除尘风机出口风流量为156m³/min，从巷道出口返回的风流量为100m³/min。分别对6mm风幕窄缝宽度时风幕射流速度为v＝20m/s，15mm风幕窄缝宽度时风幕射流速度为v＝15m/s，20mm风幕窄缝宽度时风幕射流速度为v＝10m/s，15mm风幕窄缝宽度时风幕射流速度为v＝0m/s。

模型如图2和图3所示。图3包括第一巷道流量出口1、第二巷道流量出口2、第三巷道流量出口3、压入式风机速度入口4、风幕风机流量出口5、第一风幕射流速度入口6、第二风幕射流速度入口7、尘源颗粒射流入口8、抽风机流量出口9。

(2)无风幕的巷道内粉尘运动的数值模型，如图4和图5所示。图5中，

包括：压入式风机速度入口10、尘源颗粒射流入口11、抽风机流量

出口12、第四巷道流量出口13、第五巷道流量出口14、第六巷道流量出口15。其余设置为避面。

二、参数设置

(1)雷诺数

式中：

D_H——巷道的水力直径，m；

ρ——空气的密度，kg/m³；

v——风流的速度，m/s；

μ——风流的粘性系数，m/s。

湍流强度可以用下面的经验公式计算：

I＝0.16(Re)^-1/8

(2)各边界流量

压入式风机入口流量：

除尘风机出口流量：

巷道出口返回流量：

风幕风机入口流量与风幕射流流量相同。

(3)各边界速度

①压入式风筒速度入口

②粉尘速度

式中：

r——掘进机截割头半径(r＝250mm)，m；

w——截割头角速度，m/s；

n——截割头转速(n＝50r/min)，r/min。

(4)气体流场数学模型的假设

在建立流体相数学模型时，需对气体流动做如下的假设：

①在井下正常工作状态下，只研究巷道内风流稳定流过时的状态，忽略机械设备运行、一些风门开关、人员走动等情况对风流造成的影响，因此假定风流是匀速稳态的。

②在进行气体研究的时，需要考虑温度与压强对气体的体积和密度的影响，如果在巷道内压强和温度变化不大，可压缩性及温度对气体的影响可被忽略，所以，为了简化计算，假设流体为不可压缩流体来处理，其结果也是足够精确的。

③考虑粉尘的的重力影响。

(5)颗粒相数学模型的假设

本发明采用的是欧拉一拉格朗日法，流体相视为连续相，并且求解N-S方程，而离散相则通过计算流场中大量粒子的运动得到。在计算流场内颗粒运动时做如下假设：

①流场中的所有的粉尘颗粒被视为具有相同密度的球体。

②气体的密度远小于粉尘颗粒密度。

③将计算颗粒相视为为稀相，考虑尘粒与巷道壁面的碰撞，但尘粒与尘粒之间的碰撞可被忽略。

④将巷道视为定常等温场，因为巷道内流场边界与流体内部无强大热源，空气温度变化不大，热交换被忽略。

(6)粉尘运移沉降的数值求解特征

对于巷道内输煤系统粉尘运移沉降的数值模拟，具体求解特征设置如下：

①使用3D分离式求解器，流动按稳态问题处理。

②使用standard k-ε湍流模型。

③不考虑热交换，即屏蔽能量方程。

④压力——速度耦合方式采用SIMPLE解法，使用默认的欠松弛因子。

⑤各控制方程的离散格式均用二阶迎风格式。

⑥启动所有求解变量的参差监视功能，收敛判据均为0.001。

⑦后处理环节显示速度矢量图、颗粒轨迹图等。

三、模型网格划分及边界条件设定

(1)几何模型的建立与网格划分

在建立了几何模型之后，需要进行网格划分。本发明利用Gambit软件对分析对象进行网格划分。

(2)边界条件与模拟参数的设定

本发明给定了压入风筒和风幕射流的进口为速度入口(velocity-inlet)边界条件，巷道出口和抽出风筒、风幕风机入口为出流(outflow)边界条件；巷道的壁面为“reflect”边界条件，并设定弹性恢复系数，出口设为“escape”边界条件。本发明采用的是离散相模型，具体参数设置见表4-1。

表4-1模拟参数设置表

四、数值模拟结果分析

(1)无风幕情况下模拟结果

在无风幕情况下，根据以上所设边界和物理模型，得到粉尘颗粒运动轨迹图，从图中可以看出，在无风幕时，粉尘一直沿巷道做扩散运动，充满整个巷道，除尘效果较差。

(2)有风幕情况下模拟结果

在有风幕情况下，根据以上所设边界和物理模型，分别在6mm窄缝宽度(风幕射流速度v＝20m/s)、15mm窄缝宽度(风幕射流速度v＝15m/s)和20mm窄缝宽度(风幕射流速度v＝10m/s)三种条件下进行模拟，得到巷道内空气速度矢量图和粉尘颗粒轨迹图，对比并分析不同参数下风幕的集尘效果。

通过以上数值模拟，可以得出以下结论：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种风幕控尘气固两相流数值模拟方法，其特征在于，所述风幕控尘气固两相流数值模拟方法包括：

有风幕的巷道内粉尘运动的数值模型建立；

有风幕的巷道内粉尘运动的数值模型参数设置；

2.如权利要求1所述的风幕控尘气固两相流数值模拟方法，其特征在于，所述有风幕的巷道内粉尘运动的数值模型建立的方法，包括：采用矩形巷道模型；流体连续相为空气，离散相粉尘颗粒从巷道掘进工作面顶端射出，压入式风机风量256m³/min，除尘风机出口风流量为156m³/min，从巷道出口返回的风流量为100m³/min；分别对6mm风幕窄缝宽度时风幕射流速度为v＝20m/s，15mm风幕窄缝宽度时风幕射流速度为v＝15m/s，20mm风幕窄缝宽度时风幕射流速度为v＝10m/s，15mm风幕窄缝宽度时风幕射流速度为v＝0m/s；进行气固两相流数值模拟。

3.如权利要求1所述的风幕控尘气固两相流数值模拟方法，其特征在于，所述有风幕的巷道内粉尘运动的数值模型参数设置包括：

1)根据雷诺数设置，公式为：

式中：

D_H——巷道的水力直径，m；

ρ——空气的密度，kg/m³；

v——风流的速度，m/s；

μ——风流的粘性系数，m/s；

湍流强度用经验公式计算：

I＝0.16(Re)^-1/8；

2)各边界流量设置：

压入式风机入口流量：

除尘风机出口流量：

巷道出口返回流量：

风幕风机入口流量与风幕射流流量相同；

3)各边界速度设置：

①压入式风筒速度入口

②粉尘速度

<mrow> <mi>v</mi> <mo>=</mo> <mi>r</mi> <mi>w</mi> <mo>=</mo> <mi>r</mi> <mo>&times;</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&pi;</mi> <mi>n</mi> </mrow> <mn>60</mn> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>0.25</mn> <mo>&times;</mo> <mn>2</mn> <mi>&pi;</mi> <mo>&times;</mo> <mn>50</mn> </mrow> <mn>60</mn> </mfrac> <mo>=</mo> <mn>1.31</mn> <mi>m</mi> <mo>/</mo> <mi>s</mi> <mo>;</mo> </mrow>

式中：

r——掘进机截割头半径，m，r优选250mm；

w——截割头角速度，m/s；

n——截割头转速，r/min，n优选50r/min；

4)气体流场数学模型的设置；

5)颗粒相数学模型的设置；

6)粉尘运移沉降的数值求解特征设置。

4.如权利要求3所述的风幕控尘气固两相流数值模拟方法，其特征在于，

所述气体流场数学模型的设置中，进行气体分析时，分析粉尘的的重力影响。

5.如权利要求3所述的风幕控尘气固两相流数值模拟方法，其特征在于，

所述颗粒相数学模型的设置中，采用欧拉一拉格朗日法，流体相视为连续相，并且求解N-S方程，而离散相则通过计算流场中大量粒子的运动得到。

6.如权利要求3所述的风幕控尘气固两相流数值模拟方法，其特征在于，

所述粉尘运移沉降的数值求解特征设置，包括：

使用3D分离式求解器，对流动按稳态问题进行处理；

使用standard k-ε湍流模型；

屏蔽能量方程；

压力-速度耦合方式采用SIMPLE解法，使用默认的欠松弛因子；

各控制方程的离散格式均用二阶迎风格式；

启动所有求解变量的参差监视，收敛判据均为0.001；

显示速度矢量图、颗粒轨迹图。