CFD-Based测定的最佳吹和吸风量比Dual-Radial涡流屏蔽通风完全机械化开挖的脸

文摘

粉尘是煤矿的主要污染物之一,严重影响着工人的身心健康,以及在煤矿井下的安全生产。Dual-radial涡流屏蔽通风是一种新型的通风方法完全机械化开挖的脸,可以有效降低粉尘浓度在地下。的防尘效果dual-radial涡流屏蔽通风主要受屏蔽气幕的厚度和完整性,以及附近的流场扰动空气幕。通过改变吹和吸空气风道的体积比,径向气幕的强度可以提高,除尘效果的dual-radial涡流屏蔽通风系统可以有效地改善。为了确定的最优操作参数dual-radial涡流屏蔽通风系统,用数值模拟方法进行深入研究吹和吸空气系统的体积比。结果表明,当吹和吸风道的空气体积比为1.5,径向气幕强度最高。在这种情况下,粉尘浓度在巷道掘进机司机的位置是最低的,和dual-radial涡流屏蔽通风系统可以达到一个理想的除尘效果。

1。介绍

煤炭资源是重要的能源矿产资源。中国的煤炭消费总量约占全国60%的能源消费总量(1,2]。随着程度的智能、机械化和自动化矿山、潜在的危险,如天然气,煤尘,和火灾有所上升,尤其是煤矿粉尘的污染,严重影响了企业和员工的职业健康安全3- - - - - -5]。2019年,中国报道了各种职业病19428例新病例,其中15898为职业尘肺病,占各种职业病新发病例的81.8% (6- - - - - -8]。在中国尘肺病造成的直接经济损失每年超过80亿元人民币,和间接损失更是难以计算。仍有很多需要改进的地方在粉尘控制理论和技术的发展9,10]。

完全机械化开挖面在地下煤矿粉尘危害最严重(11- - - - - -13]。目前,完全机械化开挖面主要采用煤层注水,喷涂,通风,以降低粉尘浓度。由于大量粉尘的特点生产和小尘埃颗粒大小完全机械化开挖的脸,与其它除尘技术相比,通风和除尘是最方便和有效的技术来减少粉尘的浓度在完全机械化开挖面不影响巷道的工作环境(14- - - - - -16]。的通风和除尘技术完全机械化开挖面是控制粉尘在一定完全机械化开挖面附近区域通过调节气流场和防止灰尘从开挖面17,18]。目前,煤矿在中国和其他国家主要采取long-pressure short-extraction通风稀释发掘尘埃和吸尘气流在除尘器净化(19,20.]。然而,由于禁止循环空气的使用,传统long-pressure short-exhaust通风需要大于空气供给卷吸空气体积,所以隧道尽头的尘气不能吸入管的疲惫。结果,灰尘是普遍的作用下巷道空气供给流(21- - - - - -24]。为了防止道路灰尘的大规模传播,前西德首先开发一个wall-attached风道。wall-attached管是管与空气出口的空气供应管改善气流场的分布完全机械化开挖的脸。气流从侧面空气出口形成一个保护气幕的道路,防止粉尘的传播,提高进气的吸尘效果。wall-attached风道可以极大地改善工作环境的全面机械化开挖面,防止气体积累在巷道的顶部,并确保矿井的安全生产25,26]。然而,产生的径向气幕wall-attached风道旋转能力相对较弱,很容易形成一个中空的空气幕由于道路环境的严重影响。因此,dust-blocking能力不足(27,28]。

为了解决问题的高粉尘浓度和湍流空气组织完全机械化开挖面,提高了wall-attached漩涡通风系统形成一种新型的通风系统完全机械化开挖面,即,dual-radial涡流屏蔽通风系统。在这项研究中,通过完全机械化开挖面对中国北方煤矿为研究对象,一个新的dual-radial涡流屏蔽通风系统的设计完全机械化的脸。模拟隧道模型建成规模,和气流场结构和尘埃运动规则下的巷道dual-radial涡流屏蔽通风系统研究了使用流利的软件,尤其是粉尘浓度的工作区域巷道掘进机司机。验证了数值模拟的有效性通过一个定制的巷道模型试验平台。最后,数值模拟被用来研究的除尘效果dual-radial涡流屏蔽通风系统在不同空气管吹和吸入量比率,和工作条件参数最好的除尘。

2。原则Dual-Radial涡流屏蔽通风和除尘

Dual-radial涡流屏蔽通风是一种新型的通风方法完全机械化开挖的脸。其工作原理有点类似墙旋转通风;即径向气幕形成的部分巷道阻止粉尘的扩散。而形成的径向气幕墙上旋转通风,径向dual-radial漩涡形成的气幕屏蔽通风强度更高。因为在dual-radial涡流屏蔽通风,形成旋转的空气幕完全机械化开挖表面上是由一个弧形挡风板。而产生的旋转气幕巷道的依恋,屏蔽dual-radial漩涡形成的气幕屏蔽通风系统径向风速较大,均匀分布,和一个更大的厚度。因此,dual-radial漩涡通风有更好的防止粉尘的传播效果。

在开挖期间,巷道的粉尘浓度非常高。开启除尘风机和鼓风机,调整空气阀,并交付所有的气流气压套筒;然后,空气排放的径向气幕发生器装置两端的袖子。空气幕的作用下生成装置,旋转径向固体形成气幕之间的隧道,巷道掘进机司机的出租车,和另一个司机的出租车之间形成径向空气幕和转运站。吸入口的负压下,1 #隧道附近的空气帘一个伞状旋转空气帘形式结束,冲向隧道的控制隧道产生的尘埃在小范围之内。绘制控制粉尘的吸入管防止粉尘扩散到司机的出租车,从而为驾驶员提供一个良好的工作环境。2 #气幕位于前面的转运站的灰尘隔离点转移司机的位置,从而防止粉尘扩散转移司机的位置。两个空气幕的协同作用可以有效地分离的两个主要尘源完全机械化开挖面从巷道掘进机司机的面积,为驾驶员提供一个良好的工作环境。图1显示了一个示意图的dual-radial涡流屏蔽通风巷道掘进机工作时完全机械化开挖表面上正常。

3所示。计算模型和验证

3.1。计算模型和啮合

通过完全机械化开挖面对煤矿在中国作为一个原型,数值模拟的几何模型比例为1:1建立了Solidworks软件。完全机械化开挖面是一个半圆拱形巷道的横截面 横截面积的15.81米²。完全机械化开挖面是隧道EBZ160巷道掘进机。图2显示了巷道模型的图。从图中,空气供应管我管的直径0.8米,长度为25米。附加到一个侧壁的道路。轴距地面2.7米的巷道,和空气出口最后5米远离开挖的脸。套管由空气供应管二世和空气吸入管。外面的空气供应管二世,吸入管内部。的中心轴套筒从地面2.7米的巷道。有一个环形狭缝的宽度0.09米两端的空气供给气缸II,和一个空气curtain-generating设备安排在环形狭缝外。吸入管的直径是0.6米,及其吸出口最后是开挖面2.3米的距离。高1.8米巷道掘进机,第一输送机和第二输送机排列下套管。 The driver is 5 m from the excavation face.

网软件是用于网建立巷道模型。因为几何模型相对复杂,模型是网状的适应非结构化网格和全球网格大小被设置为0.4毫米。弧形风导向板和环形狭缝,0.01网格用于当地的致密化。对于其他更复杂的结构,0.05网格用于当地的致密化。共有932351个网格生成。

3.2。数学模型

由于体积分数完全机械化开挖脸上的尘埃远低于10%,当使用流利的软件来分析风的特征分布、流场和尘埃 - - - - - - 两方程模型从欧拉模型被用来建立风力流场的数学模型完全机械化开挖的脸。此外,根据gas-dust颗粒两相流的特点,气固两相流理论,Euler-Euler模型和建立模型计算相结合。

3.2.1之上。流体动力学方程

基于能量守恒定律、动量守恒定律、质量守恒定律,流体运动的特征表达连续性方程、动量方程和能量方程(29日,30.]。

连续性方程:

动量方程:

能量方程: 在哪里是质量添加到连续相的分散二级阶段;静态压力;下面描述的应力张量;和重力是体积力和外部体积力分别为方向;有效传热系数;的扩散流组件吗 ;和包括化学反应和体积热源的热词。

3.2.2。湍流方程

动荡发生的速度变化。与标准相比 - - - - - - 模型,可实现的 - - - - - - 模型可以准确预测的分歧比圆柱射流,它被用来描述与旋转均匀剪切流,自由流动的有效混流和边界层流动。和可实现的 - - - - - - 湍流模型中的模型可以实现更高程度的模拟的漩涡,强大的流线弯曲和旋转。此外,在许多 - - - - - - 模型,可实现的 - - - - - - 模型有很好的影响复杂的二次流和分离流。的可实现的 - - - - - - 模型由一个方程(湍流能量方程)和一个方程(湍流能量耗散率方程)31日,32]。因此,本研究选择可实现的 - - - - - - 用于描述气流运动。

方程:

方程:

的公式,涡粘性系数;和普朗特系数对应吗和 ,分别;是湍流能量生成项由平均速度梯度引起的;和是常数;是流体的速度;和是物质浓度梯度产生的扩散通量。

3.2.3。粒子的运动方程

ANSYS流利的预测的轨迹离散相粒子(或液滴或气泡)通过集成粒子上的力平衡,这是写在拉格朗日坐标系。这个力平衡相当于粒子惯性与粒子上的力,可以写成 在哪里是粒子的质量,流体相速度,粒子速度,是流体密度,是粒子的密度,是一种额外的力量, 是阻力,计算出的液滴或粒子弛豫时间吗 在哪里是分子粘性的液体,是粒子直径,是相对雷诺数,它被定义为

3.3。模型验证

为了验证数值模拟的有效性模型dual-radial涡流屏蔽通风,类似的实验进行了dual-radial漩涡屏蔽通风系统的全面机械化开挖的脸。定制开发的dual-radial涡流屏蔽通风实验系统为一个完全机械化开挖脸上用来记录气流场结构和粉尘浓度分布下的巷道dual-radial涡流屏蔽通风,和实验结果与数值模拟的结果。

3.3.1。实验系统和设备

这个验证实验使用专门设计的实验模型和一个定制的实验平台。巷道模型是根据实际的煤矿巷道的比例在中国1:10。半圆拱形巷道的主体是由三条透明的有机玻璃。巷道的总长度是3.00米,宽度是0.46米,高度为0.45米,横截面积是0.16米²。有10厘米的圆孔在巷道表面和一个侧壁,可与尘埃发生器模拟隧道和粉尘排放的粉尘生产转移点,分别。隧道的内部装有空气供应管道,抽吸导管、风机、除尘的粉丝,模拟铁路隧道,和模拟的输送机。实验模型的布局图所示3。

在流场分析实验中,PIV粒子图像速度测试系统由LaVision,德国,被用来记录巷道的不同部分的流场模型。流动情况和流场的空间分布。在尘埃相似验证实验中,德国AG420气溶胶发生器是用来产生粉尘,并压缩空气作为动力交通隧道尽头的尘埃和圆孔的侧壁隧道隧道模型来模拟隧道的尘埃量和粉尘排放转运站。FCC-25防爆粉尘采样器是用于粉末取样测量粉尘浓度测量的点。

3.3.2。实验程序

验证实验测试流场和防尘效果。在流场验证实验中,烟雾粒子足够小,均匀的粒度被用作示踪粒子。烟被送往研究区通过鼓风机。当流场稳定,研究巷道截面的流场使用PIV系统记录。获得的隧道截面的速度矢量图的实验与数值模拟验证。在尘土中控制效果验证实验,收集的灰尘粉尘采样器在不同测量分重,和不同的计量点的粉尘浓度在不同工作条件下计算根据设定的采样时间和采样流量采样器。根据粉尘浓度在不同的点,防尘能力dual-radial涡流屏蔽通风系统进行了研究。粉尘浓度分布得到的实验与数值模拟来验证仿真的正确性。

我们选择了三个具有代表性的流场测量表面没有被使用的模型和流场的PIV系统在记录。1 #测量表面与隧道平行端面远离隧道顶面和5厘米,2 #测量表面垂直于隧道顶面和地面通过套筒的中心,和3 #测量表面与地面平行,通过套筒的中心。模型中的三个粉末取样点排列巷道沿巷道的长度( - - - - - -轴),即。,at the tunneling end (point A, ),在巷道掘进机的出租车(B点, ),和转运站(C点, )。流场测量表面和粉尘采样点的布置如图所示4。

3.3.3。实验结果和分析

数据5(一)-5(c)显示了PIV实验记录的表面流场测试结果1 #,2 #,3 #,分别和数字5(d) -5(f)是相应的仿真结果。比较图5与图()5(d),图5与图(b)5(e),图5与图(c)5(f),可以发现,数值计算风与PIV流场结构一致的结果。由于实验条件有限,在实验中巷道掘进机的外观比数值模拟建模要简单得多。与巷道内部流动模型的仿真,实验中的气流场更理想化。因此,类似的实验的风速比数值模拟的结果。

图6显示了在不同的测量粉尘浓度点在相同的工作条件下通过实验和数值模拟。从实验数据在图中,三个计量点,点(隧道结束区)粉尘浓度最高和B点(巷道掘进机司机的驾驶室)粉尘浓度最低。dual-radial漩涡的作用下屏蔽通风和除尘系统完全机械化开挖,隧道内的隧道粉尘控制区域,和尘埃转运站也保护司机的出租车外的区域。因此,径向气幕可以有效防止灰尘从各种粉尘的传播源。

基于类似的实验和数值模拟结果的综合比较,我们发现近似数值结果与实验结果趋势相同。因此,建立相关的数学模型可以用于研究风流场的数值模拟研究在一个完全机械化开挖的脸。自相似的实验巷道模型是建立在一个规模的1/10实际巷道,巷道模型中的粉尘采样器的体积相对较大,而粉尘采样器有很大的干扰巷道内的气流场模型,摧毁了气流场结构和减少尘埃通风系统的控制效果。因此,每一个计量点的粉尘浓度测量的类似的实验高于数值模拟的结果。比较类似的实验和数值模拟的结果,可以发现,虽然类似的实验和数值模拟获得的粉尘浓度数值不同,粉尘浓度分布模式是相同的。

4所示。除尘效果的分析和参数优化Dual-Radial涡流屏蔽通风

吹和吸空气体积比空气管的起着决定性的作用在整个隧道气流的运动方向。时的值小于1,巷道走向吸入的气流吸入管的出口,和尘埃转运站会蔓延到司机的出租车巷道掘进机的2 #气幕。时的值大,隧道粉尘扩散到司机的出租车的巷道掘进机的一部分风流的1 #空气幕,和抽吸出口负压不足严重降低吸入管的集尘效率,导致增加的负担1 #空气幕和隧道的屏蔽效应减少灰尘。因此,太小或太大值不是有利于空气的灰尘屏蔽窗帘完全机械化开挖的脸上。

4.1。参数设置

为了研究风道吹的影响和抽吸体积比的影响dual-radial涡流屏蔽通风和除尘,这个模拟集共有六个风道吹和吸入量比率,即。,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6和1.7。根据相关规范矿井风量的隧道和现场测量数据,吹卷的空气供应管被设置为300³/分钟,空气吸入量的吸入管是由空气管吹和吸入量计算的比率 。具体参数如表所示1。

4.2。影响吹和吸空气体积比的流场

图7展示了部分的速度矢量图 垂直于隧道结束在不同的空气管吹和吸风量比率。从图可以看出,太小或太大风道吹和吸水率不利于保护隧道内的粉尘由径向气幕节。

1 #空气幕,当值很小,吸入管的吸入量相对较大,和1 #气幕靠近进气口是影响大负压抽吸出口,和气流从1 #缝被吸入管到达巷道。结果,1 #隧道空气幕无法完全阻止部分,这是不利于除尘。的价值逐渐增加,吸入管的吸入量逐渐减少,产生的负压抽吸出口也逐渐下降,气流逐渐达到巷道壁,1 #气幕走向隧道端面的伞形状完全阻塞道路。当值为1.5,气流从1 #缝被吹到巷道壁在某个角度负压的作用下,沿着隧道端面的巷道墙壁,最后流入空气吸出口负压的作用下空气抽吸出口。在这种情况下,1 #气幕实现一个完整的包装效果在隧道尽头,最后最好的流场隧道区域。当值太大,吸入管的吸入量很小,这是困难产生的负压抽吸出口影响高速气流从1 #缝。高速气流吹垂直巷道壁,造成大风流扰动在巷道壁附近的区域。因此,当地风涡产生流动,导致风力流隧道结束地区动荡和1 #气幕的强度降低。

2 #气幕,当值很小,吸入管的吸入量远远大于1 #狭缝的风量,和一个大的一部分气流从2 #裂隙走向隧道顶面,减少强度的2 #气幕屏蔽的巷道和削弱运动2 #气幕的方向远离隧道结束。随着价值增加,空气吸入量逐渐减少,2 #的风量空气帘流动向隧道结束面积减少,2 #气幕屏蔽能力的逐渐增加,和空气幕的能力离开隧道结束逐渐增加。

图8显示速度矢量图的1 #和2 #缝在巷道部分与隧道顶面在不同并行风道吹和吸比率 。从图可以看出,外部弧形挡风板的作用下,径向空气幕具有良好的旋转效果在整个巷道部分成立。由于隧道的复杂环境,1 #和2 #的完整性空气窗帘大大受到影响。2 #气幕大约是并行隧道顶面,可以看到更多的完全图中。自1 #空气帘冲隧道在伞的形状,风的流动在1 # 1 #空气帘缝高的中心附近的道路却降低巷道的墙。时的值是小,1 #空气幕的倾向较大,风速较大的中心区域横截面小,和低风速地区大。的增加值,1 #空气幕的倾斜幅度减少,和一个更明显的风速流场出现在整个巷道部分。随着价值增加,2 #气幕没有明显的变化。时的值是大的,一个大型巷道风速出现在墙上,和垂直流大风速风墙可以很容易地生成湍流和减少气幕的抗干扰能力。

4.3。影响粉尘吹和吸空气体积比的分布

图9是一个云图的横截面的粉尘浓度的分布 ,呼吸区域的高度,在不同空气管吹和吸入量比率。从图可以看出,随着值逐渐增加,粉尘浓度在司机的位置先降低,然后增加,尘埃的屏蔽能力dual-radial涡流屏蔽通风系统加强和削弱。当值小,产生的负压吸入量大造成一个相对较小的风速1 #气幕的巷道的墙,它摧毁了1 #气幕的完整性。因此,隧道尽头的灰尘区域突破1 #气幕屏蔽的沿巷道壁和扩散到巷道掘进机司机的出租车。因为大多数的风量流出隧道区域结束,2 #气幕的力量远离隧道顶面不足,所以大量的灰尘积累转运站,这增加了2 #气幕的负担。结果,2 #气幕的除尘能力严重不足,和尘埃转运站蔓延到巷道掘进机司机的位置。的价值增加,灰尘阻塞1 #和2 #空气幕的能力逐渐增加,每个尘源的粉尘扩散能力的巷道掘进机司机的位置被削弱,和粉尘浓度在巷道掘进机司机的地位逐渐降低。当值为1.5,气幕显示最好的尘埃屏蔽效应。当继续增加,1 #气幕的除尘能力削弱,2 #气幕的除尘能力增加。当值太大,就可以形成大动荡1 #附近空气幕,导致隧道尽头的湍流流场区域。在这种情况下,灰尘的积累是很困难的。与此同时,由于空气吸入量的减少,吸入管的集尘能力也降低,因此隧道尽头的除尘能力面积减少,粉尘浓度增加,增加了1 #气幕的负担。结果,1 #空气幕的除尘能力减弱,和隧道产生的粉尘扩散的巷道掘进机司机的位置。增加了价值可以提高强度的2 #气幕。由于空气供给总量远远大于吸入量,吹和吸入气流的作用下,2 #气幕有很强的能力离开隧道结束,所以尘埃的屏蔽能力2 #转运站的气幕继续增加。

图10显示了粉尘浓度的变化曲线在司机的位置和吹吸空气体积比。从图10,随着吹和吸风道体积比的增加,粉尘浓度的司机先降低,然后增加。粉尘浓度在司机的位置到达最小值时吹和抽吸体积比是1.5。从上面的分析,可以得出的结论是,使用dual-radial涡流屏蔽通风在完全机械化开挖的脸上,吹和吸空气体积比时设置为1.5,可以获得最佳的除尘效果。

5。结论

在这项研究中,基于实际几何尺寸完全机械化开挖的脸,dual-radial漩涡屏蔽通风系统使用Solidworks软件建模,模型数值模拟了流利的软件。模型的有效性验证了一个专门设计的实验模型,是真正的巷道几何比例。在实验模型中,PIV粒子图像测速技术显现的系统和FCC-25防爆粉尘采样器是用来记录流场和粉尘浓度在实验模型中,分别。在相同的工作条件下的数值模拟,实验结果和数值模拟结果进行了比较,验证数值模型的dual-radial涡流屏蔽通风系统是有效的,可用于更深入研究系统粉尘控制优化。从这个研究中,可以看出,空气的吹和吸风量比灰尘有重大影响的除尘效果dual-radial涡流屏蔽通风系统在完全机械化开挖的脸。设置一个合适的比例可以大大改善空气组织dual-radial涡流屏蔽通风系统,从而提高系统的除尘效果。吹过小和抽吸空气体积比摧毁1 #气幕的完整性是用来阻止巷道部分。太大吹和吸风量比例导致逐步湍流气流和本地循环空气。因此,太大或太小吹和抽吸体积比可以减少灰尘控制通风系统的能力。吹和吸风道的体积比增加,除尘效果的dual-radial涡流屏蔽通风系统显示趋势的加强和减弱。 When the blowing and suction air volume ratio of the air duct was 1.5, the dust shielding effect was the best.

由于研究时间和实验条件的限制,以及复杂的设备布局和操作过程的实际完全机械化开采的脸,现场研究结果需要进一步测试。

数据可用性

数据共享不适用本文没有生成数据集或在当前的研究分析。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金资助(51774135,51774135),湖南省研究生科研和创新资金项目(CX2018B657)和南部的开放基金项目和屋顶灾难预防和控制煤矿瓦斯安全生产重点实验室(E21825)。

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