CN113177370A - 考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿井下流体力学技术领域，公开了一种考虑环境湿度因素风流‑粉尘气固两相流动数值模拟方法，包括：依据地质勘测结果，建立综采面物理模型；将风流和空气中的水蒸气视为连续相，并利用欧拉方法对综采工作面流体运动进行描述；采用Reynolds时均方程进行湍流模拟，利用k‑ε双方程进行求解并将瞬态的脉动量在时均化方程中进行表现；利用组分输运模型中的组分输运方程和离散相模型中的欧拉‑拉格朗日方程建立数学模型，同时由于湿度场对粉尘颗粒的影响，在碰撞过程颗粒发生的临界偏移量用O'Rourke公式表达，模拟综采工作面中的粉尘运动过程。本发明为研究综采工作面采煤过程中湿度场影响粉尘的运移扩散提供充分的理论基础。
Description
技术领域
本发明属于煤矿井下流体力学技术领域，尤其涉及一种考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法。
背景技术
目前，煤炭作为我国最重要基础能源，近年来，由于国民经济快速推进，我国煤炭产量和煤炭消费量也随之快速增长。综采工作面作为我国煤炭生产最常见的场所，每年都为我国提供大量的煤炭资源。近年来随着综采设备的大型化，煤炭开采过程中粉尘产量和粉尘浓度大幅增加，这使得在开采过程中需要大量用水，这是造成综采工作面空气湿度过大的主要原因，综采工作面空气的相对湿度一般为60-90％，巷道局部区域相对湿度甚至达到100％。现有技术中关于煤矿井下综采工作面采煤过程中粉尘运移扩散模拟的方法尚未见报道。因此，研究矿井不同湿度下粉尘运移扩散规律，对工作面粉尘防治和矿山环境保护具有重要意义。因此，现有技术有待于更进一步的改进和发展。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术中关于煤矿井下综采工作面采煤过程中粉尘运移扩散模拟的方法尚未见报道。具体来说，以往研究在探究综采面风流-粉尘运移扩散规律时，仅通过欧拉模型和朗格朗日模型进行数值模拟计算，没有运用空气湿度的数学模型进行数值模拟探究，也没有对相对湿度如何影响风流及粉尘运移扩散进行研究。
解决以上问题及缺陷的难度为：在数值模拟中，研究矿井在湿度影响下的粉尘运移扩散规律，需要采用多种数学模型。其次，在数值模拟过程中，用户自定义函数中提供的宏方法可使得模拟场景中湿度对于风流及粉尘的运移规律更符合现场作业环境。最后，不同相对湿度下粉尘的运移扩散规律是有区别的，本发明讨论了不同相对湿度下粉尘的运移扩散规律。
解决以上问题及缺陷的意义为：本发明充分考虑风流及湿度场对粉尘扩散的影响，讨论了不同相对湿度下的粉尘分布规律，同时通过曲线拟合确定了粉尘在不同相对湿度下的扩散范围，最终确定了作业环境下最适合采煤的工作环境，研究工作面中不同相对湿度下的粉尘分布规律对于精准除尘与尘肺病预防具有指导性意义。模拟结果对现场作业和防尘工作都具有指导意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法，尤其涉及一种煤矿井下综采工作面采煤过程中湿度场对粉尘运移扩散耦合的数值模拟方法。
本发明是这样实现的，一种考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法，所述考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法包括以下步骤：
步骤一，根据3401综采面的实际情况，采用SolidWorks构建工作面的等比例几何模型；为方便数值模拟的进行，需要对SolidWorks中的模型进行格式转化，为此，将SolidWorks中所建立的几何模型的SLPRT文件另存为IGES格式文件；
步骤二，将IGES文件读入ANSYS中的Geometry中，并生成Geometry文件，检查实体是否与SolidWorks中模型划分的实体一致。这样做的目的确保了流体域的精确划分，方便数值模拟结果的后处理操作；
步骤三，将导入的模型进行规范命名，并将Geometry中的计算域设置为流体域；对模型的各个面结构进行命名既方便了数值模拟过程中各个区域的自动识别，又可以确保在数值模拟过程中对不同的区域进行必要的边界条件设定，设定保存并关闭Geometry窗口，在Geometry树下更新操作；
步骤四，将文件导入Mesh中，导出的文件可以在以后的数值模拟过程中直接导入Mesh，方便了多次数值模拟带来的不便，网格划分好后，将网格文件导入FLUENT进行参数设定；
步骤五，将几何模型导入Mesh，通过调节网格的曲率尺寸以及相邻网格之间的最小尺寸，使用四面体网格进行网格划分。一般来说，随着网格数目的增加，计算精度会提高，计算规模也会增大，但并非网格数量越多模拟结果约可靠。因此，在确定网格数量时，应综合考虑计算速度与精度，通过设置网格尺寸做最优选择；
步骤六，选取人体机理舒适的相对湿度为55％的工作条件，对模型进行独立性检验，这是为了使得模拟环境的湿度情况尽量适合实际作业环境，通过调整网格数量及平滑度得到四组网格A、B、C、D；
步骤七，利用FLUENT对MESH得到的网格进行计算，模型中的网格质量直接决定了模拟结果的准确性，为获得模拟所需的最优网格，在工作面人行道区域的呼吸带高度等距选取25个测点，得到风流速度，将所述风流速度作为网格独立性检验的验证参数；
步骤八，四组网格A、B、C、D，其数量分别为2,246,077、3,181,060、3,695,216、3,754,199。四组网格质量参数Skewness均不超过0.90，满足使用k-ε模型模拟现场条件的标椎，表明网格质量良好。自B组开始，继续增加网格密度；在后续的计算过程中，采用计算结果不再发生变化位置的计算网格数量作为网格数量基准；
步骤九，最优网格的确定对于数值模拟的结果至关重要，选取B组作为最优模拟网格，最终得到模型非结构性网格。网格划分好后，将网格文件导入FLUENT进行参数设定；
步骤十，在FLUENT中通过Compile选项编译模拟湿度场的UDF。UDF的导入可使得模拟场景中湿度对于风流及粉尘的运移规律更符合现场作业环境，通过自定义函数对湿度场下的粉尘运移进行模拟至关重要。在FLUENT中开启组分输运模型和k-ε模型；
步骤十一，在数值模拟中，通过初始化进行湍流模型的数值模拟计算，这是为了确保流体域更贴合现场作业的实际情况。在稳态环境下，模拟综采工作面湿度场和风流场。迭代500步风流模拟，待计算完成后，导出“湿度环境i”风流场的data及case文件。导出的data及case文件可以在FLUENT界面中直接导入，方便之后数值模拟的使用；
步骤十二，打开DPM模型，对该模型设置边界条件参数及尘源粉尘参数。数值模拟的主要参数是根据生产现场的实际情况以及粉尘源的粒径分布设定的，对该模型设置边界条件参数及尘源粉尘参数，参数设置完毕后，对“湿度环境i”进行50s瞬态模拟；
步骤十三，模拟完成后，导出data及case文件，并导出粉尘颗粒的xml文件；将data文件及xml文件导入CFD-POST中，CFD-POST可以对FLUENT中计算完毕的数值模拟结果进行后处理，在CFD-POST中可以截取数值模拟的瞬态过程进行研究，进而查看“湿度环境i”的粉尘运移扩散情况。
进一步，步骤一中，所述采用SolidWorks构建工作面的等比例几何模型后，还包括：
(1)在CFD-POST通过设置风速云图、粉尘浓度等高线图、粉尘迹线图和粉尘浓度颗粒图对“湿度环境i”的粉尘分布情况进行讨论；
(2)在CFD-POST中，在“湿度环境i”中取呼吸带高度的粉尘浓度数据进行等高线图绘制；其中，自移驾位置起开始测量粉尘浓度，并一直取数据至距离移驾处68.9m的位置。
进一步，步骤六中，所述四组网格A、B、C、D的数量分别为2,246,077、3,181,060、3,695,216和3,754,199；所述四组网格质量参数Skewness均不超过0.90，满足使用k-ε模型模拟现场条件的标椎，表明网格质量良好。
进一步，步骤十中，所述组分输运模型的计算处理，包括：
(1)在组分输运模型中设置综采工作面环境中水的质量分数；
(2)通过水的质量分数求出综采工作面环境的相对湿度；
(3)在边界条件设置中，设置移驾处、采煤机滚筒处多尘源同时释放粉尘颗粒；
(4)确定尘源的湍流强度和水利直径，分别设置为3.4％、2.9m；
(5)瞬态环境下模拟“湿度环境i”下50s的粉分布情况，计算完成后导出data及case文件；
(6)将xml文件中颗粒的所有信息全部导出。
进一步，步骤十中，所述k-ε模型的计算处理，包括：
(1)将流体域设置稳态模拟同时规定重力的大小和方向；
(2)将进风口设置为inlet_velocity，出风口设置为outlet_pressure；
(3)将进风口风速大小设为1.5m/s，湍流强度3.3％，水利直径2.3m；
(4)将流体域进行初始化；
(5)稳态环境下迭代500步，计算完成后导出data及case文件。
进一步，步骤十中，所述UDF的导入方法，包括：
(1)在Fluent面板中选择Define，并点击Compile对UDF进行编译；
(2)随后在Add界面下选择UDF的计算机路径，点击Load进行加载；
(3)在User-Defined Scalars中输入“1”执行UDF；
(4)最后在Boundary Conditions中的UDS界面设置UDF的参数。
进一步，所述考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法中，假设综采工作面气流的流动运动符合连续介质假设、能量守恒定律和牛顿第二运动定律。首先，将风流和空气中的水蒸气视为连续相，并利用欧拉方法对综采工作面流体运动进行描述。之后，将粉尘颗粒视为离散相，并利用欧拉—拉格朗日方法建立数学模型，模拟综采工作面的粉尘扩散过程。
空气中粉尘的运动是一种典型的气固两相流，综采工作面中雷诺数远大于4×103，则在紊流求解模型的选择中，采用Reynolds时均方程进行湍流模拟，利用k-ε双方程进行求解并将瞬态的脉动量在时均化方程中进行表现，包括：
气相连续性方程为：
Navier-Stokes方程(动量方程)为：
在k-ε紊流模型中，紊流动能输运方程为：
耗散率方程为：
当流动为紊流时，ANSYS Fluent将利用轨迹方程中的流体平均相速度u来预测颗粒的轨迹，则有：
式中，ρ为气体密度，kg·m-3；k为湍动能，m2·s-2；ε为湍动能耗散率，m2·s-3；μ为层流黏性系数，Pa·s；μt为湍流黏性系数，Pa·s；gi为i方向上的重力加速度，m2·s-2.p为有效湍流压力，Pa；Gk为湍动能由于平均速度梯度引起的产生项，kg·(s-3·m-1)；C1ε、C2ε、Cμ、σε、σk的取值分别为1.44、1.92、0.09、1.00、1.30；Sk和Sε为自定义源项。
进一步，利用组分输运模型中的组分输运方程和离散相模型中的欧拉-拉格朗日方程建立数学模型，模拟综采工作面中的粉尘运动过程，包括：
颗粒相互作用力平衡方程为：
式中，mp为颗粒的质量，mg；up为颗粒的运动速度，m·s-1；u为流体速度，m·s-1；F为颗粒所受其他附加力，N，包括Magnus升力、Saffman升力、虚质量力、布朗力、热泳力等。ρ为气体密度，kg·m-3；ρp为颗粒密度，kg·m-3；
为颗粒所受阻力，N；τr为颗粒松弛时间，公式为：
颗粒相连续性方程为：
质量守恒方程为：
组分输运方程为：
湍流中的质量扩散：
离散相和连续相之间的能量转换方程为：
离散相和连续相之间的质量转换方程为：
式中，Rep为雷诺数，dp为颗粒直径，m，Cd为阻力系数；dp为粒子直径，m。Si为相对湿度条件下离散相添
加创建速率的源项；Yi为每种物质的局部质量分数；Ji为扩散通量；Di,m为混合物中物质的质量扩散系数；DT,i为热扩散系数；T为温度，K为颗粒的质量流量，kg·s-1；Fother为交互应力，N；
对于k-ε模型，颗粒轨迹受湍流作用的影响，假设颗粒的瞬时脉动流速符合高斯分布：
而波动分量的均方值可以定义为：
碰撞过程颗粒发生的临界偏移量O'Rourke表达式为：
而f是由r1/r2决定的函数：
式中，ζ为服从正态分布的随机数；
为脉动流速的均方根，m·s-1。bcrit为实际碰撞参数，介于0和1之间；r1和r2为颗粒半径，m。韦伯数(We)是流体力学中的一个无量纲数，
ρ为气体密度，kg·m-3；Urel为两颗粒之间的相对速度，m/s；D为两颗粒的算术平均直径，m。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
根据3401综采面的实际情况，采用SolidWorks构建工作面的等比例几何模型；将SolidWorks中所建立的几何模型的SLPRT文件另存为IGES格式文件；
将IGES文件读入ANSYS中的Geometry中，并生成Geometry文件，检查实体是否与SolidWorks中模型划分的实体一致；
将导入的模型进行规范命名，并将Geometry中的计算域设置为流体域；保存并关闭Geometry窗口，在Geometry树下更新操作；
将文件导入Mesh中；网格划分好后，将网格文件导入FLUENT进行参数设定；
将几何模型导入MESH，通过调节网格的曲率尺寸以及相邻网格之间的最小尺寸，使用四面体网格进行网格划分；
选取人体机理舒适的相对湿度为55％的工作条件，对模型进行独立性检验，通过调整网格数量及平滑度得到四组网格A、B、C、D；
利用FLUENT对MESH得到的网格进行计算，在工作面人行道区域的呼吸带高度等距选取25个测点，得到风流速度，将所述风流速度作为网格独立性检验的验证参数；
自B组开始，继续增加网格密度；在后续的计算过程中，采用计算结果不再发生变化位置的计算网格数量作为网格数量基准；
选取B组作为最优模拟网格，最终得到模型非结构性网格；网格划分好后，将网格文件导入FLUENT进行参数设定；
在FLUENT中通过Compile选项编译模拟湿度场的UDF；在FLUENT中开启组分输运模型和k-ε模型；
在稳态环境下，模拟综采工作面湿度场和风流场；迭代500步风流模拟，待计算完成后，导出“湿度环境i”风流场的data及case文件；
打开DPM模型，对该模型设置边界条件参数及尘源粉尘参数；参数设置完毕后，对“湿度环境i”进行50s瞬态模拟；
模拟完成后，导出data及case文件，并导出粉尘颗粒的xml文件；将data文件及xml文件导入CFD-POST中，查看“湿度环境i”的粉尘运移扩散情况。
本发明的另一目的在于提供一种采煤过程中控尘防尘的方法，所述采煤过程中控尘防尘的方法使用所述的考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法，通过编译UDF、采用Reynolds时均方程、组分输运模型以及DPM模型进行数值模拟。首先，将风流和空气中的水蒸气视为连续相，并利用欧拉方法对综采工作面流体运动进行描述。之后，将粉尘颗粒视为离散相，并利用欧拉—拉格朗日方法建立数学模型，模拟综采工作面的粉尘扩散过程；综采工作面中雷诺数远大于4×103，则在紊流求解模型的选择中，利用k-ε双方程进行求解并将瞬态的脉动量在Reynolds时均化方程中表现出来。利用组分输运模型中的组分输运方程和离散相模型中的欧拉-拉格朗日方程建立数学模型，同时由于湿度场对粉尘颗粒的影响，在碰撞过程颗粒发生的临界偏移量用O'Rourke公式表达，进而模拟综采工作面中的粉尘运动过程。本发明提供的在综采工作面的采煤过程中，受湿度影响下的风流和粉尘颗粒扩散规律的数值模拟方法，从粉尘浓度和粉尘扩散距离方面揭示相对湿度对粉尘运移扩散的影响，为研究综采工作面采煤过程中湿度场影响粉尘的运移扩散提供充分的理论基础，使得模拟过程大大贴近于实际的采煤工作环境，为提出更合理的控尘防尘措施提供保障，为粉尘防治和矿山环境保护提供理论指导。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法流程图。
图2是本发明实施例提供的考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法原理图。
图3是本发明实施例提供的综采面不同相对湿度的风流速度图。
图4是本发明实施例提供的粉尘浓度现场实测图。
图5是本发明实施例提供的模型网格划分选取示意图。
图6是本发明实施例提供的综采面粉尘浓度颗粒-风流流线示意图。
图7是本发明实施例提供的综采面不同相对湿度下呼吸带高度粉尘浓度等高线图。
图8是风速模拟值与实测值对比图。
图9是粉尘浓度模拟值与实测值对比图。
图10是综采面粉尘浓度颗粒-风流流线图。
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。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法包括以下步骤：
S101，根据3401综采面的实际情况，采用SolidWorks构建工作面的等比例几何模型；将SolidWorks中所建立的几何模型的SLPRT文件另存为IGES格式文件；
S102，将IGES文件读入ANSYS中的Geometry中，并生成Geometry文件，检查实体是否与SolidWorks中模型划分的实体一致；
S103，将导入的模型进行规范命名，并将Geometry中的计算域设置为流体域；保存并关闭Geometry窗口，在Geometry树下更新操作；
S104，将文件导入Mesh中；网格划分好后，将网格文件导入FLUENT进行参数设定；
S105，将几何模型导入MESH，通过调节网格的曲率尺寸以及相邻网格之间的最小尺寸，使用四面体网格进行网格划分；
S106，选取人体机理舒适的相对湿度为55％的工作条件，对模型进行独立性检验，通过调整网格数量及平滑度得到四组网格A、B、C、D；
S107，利用FLUENT对MESH得到的网格进行计算，在工作面人行道区域的呼吸带高度等距选取25个测点，得到风流速度，将所述风流速度作为网格独立性检验的验证参数；
S108，自B组开始，继续增加网格密度；在后续的计算过程中，采用计算结果不再发生变化位置的计算网格数量作为网格数量基准；
S109，选取B组作为最优模拟网格，最终得到模型非结构性网格；网格划分好后，将网格文件导入FLUENT进行参数设定；
S110，在FLUENT中通过Compile选项编译模拟湿度场的UDF；在FLUENT中开启组分输运模型和k-ε模型；
S111，在稳态环境下，模拟综采工作面湿度场和风流场；迭代500步风流模拟，待计算完成后，导出“湿度环境i”风流场的data及case文件；
S112，打开DPM模型，对该模型设置边界条件参数及尘源粉尘参数；参数设置完毕后，对“湿度环境i”进行50s瞬态模拟；
S113，模拟完成后，导出data及case文件，并导出粉尘颗粒的xml文件；将data文件及xml文件导入CFD-POST中，查看“湿度环境i”的粉尘运移扩散情况。
本发明提供的考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法仅仅是一个具体实施例而已。
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
如图2所示，本发明提供了一种煤矿井下综采工作面采煤过程中湿度场对粉尘运移扩散耦合的数值模拟方法，其包括以下步骤：
步骤一、根据3401综采面的实际情况，采用SolidWorks构建该工作面的等比例几何模型；
步骤二、将SolidWorks中所建立的几何模型的SLPRT文件另存为IGES格式文件；
步骤三、将IGES文件读入ANSYS中的Geometry中，并生成Geometry文件，检查实体是否与SolidWorks中模型划分的实体一致；
步骤四、将导入的模型进行规范命名，保证命名过程中不出现重复命名；
步骤五、将Geometry中的计算域设置为流体域；
步骤六、保存上述操作并关闭Geometry窗口，在Geometry树下更新操作；
步骤七、将文件导入Mesh中；
步骤八、网格划分好后，将网格文件导入FLUENT进行参数设定；
步骤九、将几何模型导入MESH，通过调节网格的曲率尺寸以及相邻网格之间的最小尺寸，使用四面体网格进行网格划分。
步骤十、为了获得更好的网格质量，选取人体机理舒适的相对湿度为55％的工作条件，对模型进行独立性检验，通过调整网格数量及平滑度得到4组网格：A、B、C、D，其数量分别为2,246,077、3,181,060、3,695,216、3,754,199。
步骤十一、本研究利用FLUENT对MESH得到的网格进行计算，为获得模拟所需的最优网格，在工作面人行道区域的呼吸带高度等距选取25个测点，得到其风流速度，将其作为网格独立性检验的验证参数。
步骤十二、四组网格质量参数Skewness均不超过0.90，满足使用k-ε模型模拟现场条件的标椎，表明网格质量良好。
步骤十三、自B组开始，继续增加网格密度对于计算结果的影响非常小，此时可认为计算网格数量的增加对于计算结果的影响可以忽略。
步骤十四、在后续的计算过程中，采用计算结果不再发生变化位置的计算网格数量作为网格数量基准。
步骤十五、由此，选取B组作为最优模拟网格，最终得到模型非结构性网格。
步骤十六、网格划分好后，将网格文件导入FLUENT进行参数设定。
步骤十七、在FLUENT中开启组分输运模型和k-ε模型；
步骤十八、在稳态环境下，模拟综采工作面湿度场和风流场；
步骤十九、迭代500步风流模拟，待计算完成后，导出“湿度环境i”风流场的data及case文件。
步骤二十、打开DPM模型，对该模型设置边界条件参数及尘源粉尘参数；
步骤二十一、参数设置完毕后，对“湿度环境i”进行50s瞬态模拟；
步骤二十二、模拟完成后，导出data及case文件，并导出粉尘颗粒的xml文件；
步骤二十三、将data文件及xml文件导入CFD-POST中，查看“湿度环境i”的粉尘运移扩散情况。
模拟中用到的用户自定义函数如下：
所述的“湿度环境i”的风流-粉尘-湿度场数值模拟方法，其中，k-ε模型的计算处理包括：
步骤A、将流体域设置稳态模拟同时规定重力的大小和方向；
步骤B、将进风口设置为inlet_velocity，出风口设置为outlet_pressure；
步骤C、将进风口风速大小设为1.5m/s，湍流强度3.3％，水利直径2.3m；
步骤D、将流体域进行初始化；
步骤E、稳态环境下迭代500步，计算完成后导出data及case文件；
所述的“湿度环境i”的风流-粉尘-湿度场数值模拟方法，其特征在于，组分输运方程的计算处理包括：
步骤F、在组分输运模型中设置综采工作面环境中水的质量分数；
步骤G、通过水的质量分数求出综采工作面环境的相对湿度；
步骤H、在边界条件设置中，设置移驾处、采煤机滚筒处多尘源同时释放粉尘颗粒；
步骤I、确定尘源的湍流强度和水利直径，分别设置为3.4％、2.9m；
步骤J、瞬态环境下模拟“湿度环境i”下50s的粉分布情况，计算完成后导出data及case文件；
步骤K、将xml文件中颗粒的所有信息全部导出。
所述的“湿度环境i”的风流-粉尘-湿度场数值模拟方法，其特征在于，上述步骤一具体的还包括：在CFD-POST通过设置风速云图、粉尘浓度等高线图、粉尘迹线图、粉尘浓度颗粒图等对“湿度环境i”的粉尘分布情况进行讨论。在CFD-POST中，在“湿度环境i”中取呼吸带高度的粉尘浓度数据进行等高线图绘制，其中，自移驾位置起开始测量粉尘浓度，并一直取数据至距离移驾处68.9m的位置。
本发明为充分考虑综采工作面在不同湿度情况下水蒸气与气流对粉尘的耦合特性，本研究假设综采工作面气流的流动运动符合连续介质假设、能量守恒定律和牛顿第二运动定律。首先，将风流和空气中的水蒸气视为连续相，并利用欧拉方法对综采工作面流体运动进行描述。之后，将粉尘颗粒视为离散相，并利用欧拉-拉格朗日方法建立数学模型，模拟综采工作面的粉尘扩散过程。
空气中粉尘的运动是一种典型的气固两相流，综采工作面中雷诺数远大于4×103，则在紊流求解模型的选择中，本研究采用工业上最广泛的Reynolds时均方程进行湍流模拟，利用k-ε双方程进行求解并将瞬态的脉动量在时均化方程中表现出来。下面将详细描述数学模型。
气相连续性方程为：
Navier-Stokes方程(动量方程)为：
在k-ε紊流模型中，紊流动能输运方程为：
耗散率方程为：
当流动为紊流时，ANSYS Fluent将利用轨迹方程中的流体平均相速度u来预测颗粒的轨迹，则有：
式中，ρ为气体密度，kg·m-3；k为湍动能，m2·s-2；ε为湍动能耗散率，m2·s-3；μ为层流黏性系数，Pa·s；μt为湍流黏性系数，Pa·s；gi denotes gravity acceleration in idirection with a unit of m2·s-2.p为有效湍流压力，Pa；Gk为湍动能由于平均速度梯度引起的产生项，kg·(s-3·m-1)；C1ε、C2ε、Cμ、σε、σk的取值分别为1.44、1.92、0.09、1.00、1.30；Sk和Sε为自定义源项。
利用组分输运模型中的组分输运方程和离散相模型中的欧拉-拉格朗日方程建立数学模型，模拟综采工作面中的粉尘运动过程。下面将详细描述数学模型。
颗粒相互作用力平衡方程为：
式中，mp为颗粒的质量，mg；up为颗粒的运动速度，m·s-1；u为流体速度，m·s-1；F为颗粒所受其他附加力，N，包括Magnus升力、Saffman升力、虚质量力、布朗力、热泳力等。ρ为气体密度，kg·m-3；ρp为颗粒密度，kg·m-3；
为颗粒所受阻力，N；τr为颗粒松弛时间，公式为：
颗粒相连续性方程为：
质量守恒方程为：
组分输运方程为：
湍流中的质量扩散：
离散相和连续相之间的能量转换方程为：
离散相和连续相之间的质量转换方程为：
式中，Rep为雷诺数，dp为颗粒直径，m，Cd为阻力系数；dp为粒子直径，m。Si为相对湿度条件下离散相添
加创建速率的源项；Yi为每种物质的局部质量分数；Ji为扩散通量；Di,m为混合物中物质的质量扩散系数；DT,i为热扩散系数；T为温度，K为颗粒的质量流量，kg·s-1；Fother为交互应力，N；
对于k-ε模型，颗粒轨迹受湍流作用的影响，假设颗粒的瞬时脉动流速符合高斯分布：
而波动分量的均方值可以定义为：
碰撞过程颗粒发生的临界偏移量O'Rourke表达式为：
而f是由r1/r2决定的函数：
式中，ζ为服从正态分布的随机数；
为脉动流速的均方根，m·s-1。bcrit为实际碰撞参数，介于0和1之间；r1和r2为颗粒半径，m。韦伯数(We)是流体力学中的一个无量纲数，
ρ为气体密度，kg·m-3；Urel为两颗粒之间的相对速度，m/s；D为两颗粒的算术平均直径，m。
证明部分(具体实施例/实验/仿真/能够证明本发明创造性的正面实验数据等)
为验证模拟结果的可靠性，通过现场实测对模拟结果验证。在数据比较过程中，引入相对误差这一数学指标进行判断，其中相对误差指测量所造成的绝对误差与被测量真值之比乘以100％所得数值，用百分数表示，绝对误差指测量数据与真实值之差，相对误差比绝对误差更能反映测量的可信度，故采取相对误差作为参照标椎。测定了综采工作面人行道区域呼吸带高度(Y＝2.10m)的风流速度与粉尘浓度，如图8、9所示。布置8个测点：1-距后滚筒中心上风侧2m处，2-后滚筒中心，3-采煤机司机位置，4-前滚筒中心，5-距前滚筒中心下风侧10m处，6-距前滚筒中心下风侧30m处，7-距前滚筒中心下风侧50m处，8-距前滚筒中心下风侧70m处，在每个测点进行五次测量，测量结果取平均值，所用设备为矿用风速仪(CFD25)、矿用粉尘采样器(ACGT-2)。
为研究不同相对湿度下粉尘颗粒的运移扩散规律，且考虑到湿度场与粉尘颗粒的耦合性质，以粉尘浓度颗粒-风流流线图和粉尘浓度等高线图进行讨论，同时利用曲线拟合，讨论在不同相对湿度的影响下粉尘的扩散范围。模拟结果表明，工作面粉尘浓度在大部分区域小于2000mg/m3，为更好地分析粉尘扩散规律。设置CFD-POST的最大粉尘浓度为2000mg/m3，超过2000mg/m3的位置均显示红色。
如图10所示，粉尘颗粒颜色代表粉尘浓度，流线颜色代表风流速度。综采面中粉尘分布规律由于相对湿度不一而各不相同，却又在仅相对湿度不一情形下表现出统一性，具体讨论如下：
(1)7种不同相对湿度下，在FDCL 15m范围内，机道与人行道之间宽3.20m的区域内，形成一高浓度粉尘团，粉尘浓度在1407mg/m3-2761mg/m3之间。在综采面中粉尘浓度最大值位置均出现在FDCL 5m范围内，最大值分别为2332mg/m3、2191mg/m3、2384mg/m3、2222mg/m3、2425mg/m3、2761mg/m3、2696mg/m3，这是由于采煤机截割产尘和液压支架产尘聚集造成的。在采煤区域和未采区，超过70％的粉尘沿煤壁随风流扩散，且这一现象在底板高度最为明显。
(2)7种不同相对湿度下，粉尘对人行道的污染程度差别明显。在FDCL 23m区域内，受风流影响，大部分粉尘扩散至人行道区域，在相对湿度为55％的工作环境下，人行道呼吸带处粉尘浓度范围为877mg/m3-1737mg/m3，在相对湿度为95％的工作环境下，人行道呼吸带处粉尘浓度最大值为1108mg/m3。随着相对湿度的提高，人行道粉尘浓度呈减小趋势，其中，在相对湿度为45％的工作环境下，最大粉尘浓度为1517mg/m3，在相对湿度为95％的工作环境下，最大粉尘浓度为815mg/m3，二者相差702mg/m3。
(3)由于湿度场影响，粉尘在扩散过程中的沉降效果区别明显。由图8可知，在综采面LSSH上，高相对湿度利于粉尘的大量积聚。当相对湿度达55％时，在距FDCL 24m处粉尘浓度达到1800mg/m3，而当相对湿度达85％时，在距FDCL 42m处粉尘浓度仍超过1800mg/m3，当相对湿度达95％时，粉尘浓度超过1800mg/m3的区域面积最大，约为103m2。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法，其特征在于，所述考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法包括：
根据3401综采面的实际情况，采用SolidWorks构建工作面的等比例几何模型；将SolidWorks中所建立的几何模型的SLPRT文件另存为IGES格式文件；
将IGES文件读入ANSYS中的Geometry中，并生成Geometry文件，检查实体是否与SolidWorks中模型划分的实体一致；
将导入的模型进行规范命名，并将Geometry中的计算域设置为流体域；保存并关闭Geometry窗口，在Geometry树下更新操作；
将文件导入Mesh中；网格划分好后，将网格文件导入FLUENT进行参数设定；
将几何模型导入MESH，通过调节网格的曲率尺寸以及相邻网格之间的最小尺寸，使用四面体网格进行网格划分；
选取人体机理舒适的相对湿度为55％的工作条件，对模型进行独立性检验，通过调整网格数量及平滑度得到四组网格A、B、C、D；
利用FLUENT对MESH得到的网格进行计算，在工作面人行道区域的呼吸带高度等距选取25个测点，得到风流速度，将所述风流速度作为网格独立性检验的验证参数；
自B组开始，继续增加网格密度；在后续的计算过程中，采用计算结果不再发生变化位置的计算网格数量作为网格数量基准；
选取B组作为最优模拟网格，最终得到模型非结构性网格；网格划分好后，将网格文件导入FLUENT进行参数设定；
在FLUENT中通过Compile选项编译模拟湿度场的UDF；在FLUENT中开启组分输运模型和k-ε模型；
在稳态环境下，模拟综采工作面湿度场和风流场；迭代500步风流模拟，待计算完成后，导出“湿度环境i”风流场的data及case文件；
打开DPM模型，对该模型设置边界条件参数及尘源粉尘参数；参数设置完毕后，对“湿度环境i”进行50s瞬态模拟；
模拟完成后，导出data及case文件，并导出粉尘颗粒的xml文件；将data文件及xml文件导入CFD-POST中，查看“湿度环境i”的粉尘运移扩散情况。
2.如权利要求1所述的考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法，其特征在于，所述采用SolidWorks构建工作面的等比例几何模型后，还包括：
(1)在CFD-POST通过设置风速云图、粉尘浓度等高线图、粉尘迹线图和粉尘浓度颗粒图对“湿度环境i”的粉尘分布情况进行讨论；
(2)在CFD-POST中，在“湿度环境i”中取呼吸带高度的粉尘浓度数据进行等高线图绘制；其中，自移驾位置起开始测量粉尘浓度，并一直取数据至距离移驾处68.9m的位置。
3.如权利要求1所述的考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法，其特征在于，所述四组网格A、B、C、D的数量分别为2,246,077、3,181,060、3,695,216和3,754,199；所述四组网格质量参数Skewness均不超过0.90，满足使用k-ε模型模拟现场条件的标椎，表明网格质量良好。
4.如权利要求1所述的考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法与应用，其特征在于，所述组分输运模型的计算处理，包括：
(1)在组分输运模型中设置综采工作面环境中水的质量分数；
(2)通过水的质量分数求出综采工作面环境的相对湿度；
(3)在边界条件设置中，设置移驾处、采煤机滚筒处多尘源同时释放粉尘颗粒；
(4)确定尘源的湍流强度和水利直径，分别设置为3.4％、2.9m；
(5)瞬态环境下模拟“湿度环境i”下50s的粉分布情况，计算完成后导出data及case文件；
(6)将xml文件中颗粒的所有信息全部导出。
5.如权利要求1所述的考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法，其特征在于，所述k-ε模型的计算处理，包括：
(1)将流体域设置稳态模拟同时规定重力的大小和方向；
(2)将进风口设置为inlet_velocity，出风口设置为outlet_pressure；
(3)将进风口风速大小设为1.5m/s，湍流强度3.3％，水利直径2.3m；
(4)将流体域进行初始化；
(5)稳态环境下迭代500步，计算完成后导出data及case文件。
6.如权利要求1所述的考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法，其特征在于，所述UDF的导入方法，包括：
(1)在Fluent面板中选择Define，并点击Compile对UDF进行编译；
(2)随后在Add界面下选择UDF的计算机路径，点击Load进行加载；
(3)在User-Defined Scalars中输入“1”执行UDF；
(4)最后在Boundary Conditions中的UDS界面设置UDF的参数。
7.如权利要求1所述的考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法，其特征在于，所述考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法中，假设综采工作面气流的流动运动符合连续介质假设、能量守恒定律和牛顿第二运动定律；首先，将风流和空气中的水蒸气视为连续相，并利用欧拉方法对综采工作面流体运动进行描述；之后，将粉尘颗粒视为离散相，并利用欧拉-拉格朗日方法建立数学模型，模拟综采工作面的粉尘扩散过程；
空气中粉尘的运动是一种典型的气固两相流，综采工作面中雷诺数远大于4×103，则在紊流求解模型的选择中，采用Reynolds时均方程进行湍流模拟，利用k-ε双方程进行求解并将瞬态的脉动量在时均化方程中进行表现，包括：
气相连续性方程为：
Navier-Stokes方程为：
在k-ε紊流模型中，紊流动能输运方程为：
耗散率方程为：
当流动为紊流时，ANSYS Fluent将利用轨迹方程中的流体平均相速度u来预测颗粒的轨迹，则有：
式中，ρ为气体密度，kg·m-3；k为湍动能，m2·s-2；ε为湍动能耗散率，m2·s-3；μ为层流黏性系数，Pa·s；μt为湍流黏性系数，Pa·s；gi为i方向上的重力加速度，m2·s-2；P为有效湍流压力，Pa；Gk为湍动能由于平均速度梯度引起的产生项，kg·(s-3·m-1)；C1ε、C2ε、Cμ、σε、σk的取值分别为1.44、1.92、0.09、1.00、1.30；Sk和Sε为自定义源项。
8.如权利要求7所述的考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法，其特征在于，利用组分输运模型中的组分输运方程和离散相模型中的欧拉-拉格朗日方程建立数学模型，模拟综采工作面中的粉尘运动过程，包括：
颗粒相互作用力平衡方程为：
式中，mp为颗粒的质量，mg；up为颗粒的运动速度，m·s-1；u为流体速度，m·s-1；F为颗粒所受其他附加力，N，包括Magnus升力、Saffman升力、虚质量力、布朗力、热泳力等；ρ为气体密度，kg·m-3；ρp为颗粒密度，kg·m-3；
为颗粒所受阻力，N；τr为颗粒松弛时间，公式为：
颗粒相连续性方程为：
质量守恒方程为：
组分输运方程为：
湍流中的质量扩散：
离散相和连续相之间的能量转换方程为：
离散相和连续相之间的质量转换方程为：
式中，Rep为雷诺数，dp为颗粒直径，m，Cd为阻力系数；dp为粒子直径，m；Si为相对湿度条件下离散相添
加创建速率的源项；Yi为每种物质的局部质量分数；Ji为扩散通量；Di,m为混合物中物质的质量扩散系数；DT,i为热扩散系数；T为温度，K为颗粒的质量流量，kg·s-1；Fother为交互应力，N；
对于k-ε模型，颗粒轨迹受湍流作用的影响，假设颗粒的瞬时脉动流速符合高斯分布：
而波动分量的均方值可以定义为：
碰撞过程颗粒发生的临界偏移量O'Rourke表达式为：
而f是由r1/r2决定的函数：
式中，ζ为服从正态分布的随机数；
为脉动流速的均方根，m·s-1；bcrit为实际碰撞参数，介于0和1之间；r1和r2为颗粒半径，m；韦伯数We是流体力学中的一个无量纲数，
ρ为气体密度，kg·m-3；Urel为两颗粒之间的相对速度，m/s；D为两颗粒的算术平均直径，m。
9.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
根据3401综采面的实际情况，采用SolidWorks构建工作面的等比例几何模型；将SolidWorks中所建立的几何模型的SLPRT文件另存为IGES格式文件；
将IGES文件读入ANSYS中的Geometry中，并生成Geometry文件，检查实体是否与SolidWorks中模型划分的实体一致；
将导入的模型进行规范命名，并将Geometry中的计算域设置为流体域；保存并关闭Geometry窗口，在Geometry树下更新操作；
将文件导入Mesh中；网格划分好后，将网格文件导入FLUENT进行参数设定；
将几何模型导入MESH，通过调节网格的曲率尺寸以及相邻网格之间的最小尺寸，使用四面体网格进行网格划分；
选取人体机理舒适的相对湿度为55％的工作条件，对模型进行独立性检验，通过调整网格数量及平滑度得到四组网格A、B、C、D；
利用FLUENT对MESH得到的网格进行计算，在工作面人行道区域的呼吸带高度等距选取25个测点，得到风流速度，将所述风流速度作为网格独立性检验的验证参数；
自B组开始，继续增加网格密度；在后续的计算过程中，采用计算结果不再发生变化位置的计算网格数量作为网格数量基准；
选取B组作为最优模拟网格，最终得到模型非结构性网格；网格划分好后，将网格文件导入FLUENT进行参数设定；
在FLUENT中通过Compile选项编译模拟湿度场的UDF；在FLUENT中开启组分输运模型和k-ε模型；
在稳态环境下，模拟综采工作面湿度场和风流场；迭代500步风流模拟，待计算完成后，导出“湿度环境i”风流场的data及case文件；
打开DPM模型，对该模型设置边界条件参数及尘源粉尘参数；参数设置完毕后，对“湿度环境i”进行50s瞬态模拟；
模拟完成后，导出data及case文件，并导出粉尘颗粒的xml文件；将data文件及xml文件导入CFD-POST中，查看“湿度环境i”的粉尘运移扩散情况。
10.一种采煤过程中控尘防尘的方法，其特征在于，所述采煤过程中控尘防尘的方法使用权利要求1～8任意一项所述的考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110371180.4A CN113177370B (zh) | 2021-04-07 | 2021-04-07 | 考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110371180.4A CN113177370B (zh) | 2021-04-07 | 2021-04-07 | 考虑环境湿度因素风流-粉尘气固两相流动数值模拟方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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