噴嘴角度對礦用引射除塵器的性能影響研究

張子鵬 楊小彬 周 杰 陳希昂

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083)

隨著現代礦井機械化程度的不斷提高，礦井粉塵一直以來嚴重威脅著煤礦安全高效生產和井下工人的身體健康。現代除塵方式主要有通風除塵、濕式除塵、密閉抽塵和引射除塵器除塵等，引射除塵器作為一種新型的除塵設備，可以在不直接消耗機械能的情況下利用高壓流體來引射低壓流體進而提高低壓流體的壓力，由于其具有成本低廉、連接方式簡便以及不使用電力作為動力源等特點，因此將引射除塵器應用于井下除塵對礦山除塵的發展具有重要意義。

各部段的結構參數、引射壓力大小、噴嘴位置、噴嘴尺寸和噴嘴傾斜角度變化等都能影響引射除塵器的引射性能，其中噴嘴的傾斜角度是非常重要的一個因素，探究噴嘴角度的最佳范圍可以有效提高引射除塵器的工作效率，減少能量損耗。國內大多是針對燃燒器、制冷、供暖等方面的小型引射除塵器參數研究，對于應用于礦山的大型引射除塵器噴嘴角度涉及甚少。CFD相當于“虛擬”地在計算機做實驗，在研究流動現象、解決流體工程實際問題等方面發揮著重要作用，利用CFD模擬軟件對不同噴嘴角度下的引射面的壓力分布進行模擬分析，可以清楚地對比引射效果，增強系統的安全可靠性，對后期實驗也有較大的指導意義。

1 引射除塵器構造

引射除塵器的主要結構部件包括工作噴嘴、接受段、漸縮段、混合段、擴壓段。高壓氣體(引射氣流)經噴嘴高速噴出，被引射氣流在引射氣流的剪切作用下被卷吸進入混合段，并與引射氣流發生動量和能量交換，逐漸形成單一均勻的混合氣流。礦用引射除塵器基于此原理，井下高壓氣體經小孔噴嘴把含塵的低壓氣體從大孔引射口引射至接受段，經混合段氣流混合均勻，通過擴壓段來升高靜壓，使得大部分動能被回收，同時收集含塵氣體進行濾塵處理。礦用引射除塵器示意圖如圖1所示。

1-接受段；2-漸縮段；3-噴嘴；4-混合段；5-擴壓段圖1 礦用引射除塵器示意圖

2 模型構建

2.1 網格模型構建

在Gambit軟件中依照礦用引射除塵器的真實尺寸建立模型，本文主要研究噴嘴角度對引射性能的影響，擴壓段不是本項研究的重點，因此模型只建立工作噴嘴、接受段、漸縮段和混合段。噴嘴直徑D1為28 mm，引射口直徑D2為600 mm，混合段直徑D3為200 mm,接受段長度L1為600 mm，漸縮段長度L2為200 mm，混合段長度L3為2900 mm。噴嘴軸向位置沿引射除塵器的中軸線，徑向位置在引射除塵器徑向線的中點，噴嘴出口與混合段入口截面平齊，在此位置處來改變噴嘴的傾斜角度。礦用引射除塵器Gambit模型圖如圖2所示。

2.2 網格劃分

在Gambit軟件中對所建模型進行網格劃分，注意劃分網格距離精度不能太大，否則會使后期Fluent計算不精確，殘差不容易收斂，從而影響模擬效果。

圖2 礦用引射除塵器Gambit模型圖

利用Gambit網格劃分體網格時，有Hex(六面體)Hex/Wedge(六面體/契形)和Tet/Hybrid(四面體/混合)網格3種類型。為了提高網格質量，增加劃分的網格數量，采用四面體混合網格劃分方式，劃分網格數量均在40萬以上。

2.3 塵源構建

不同礦井由于煤、巖地質條件和物理性質的不同，以及采掘方法、作業方式、通風狀況和機械化程度的不同，礦塵的生成量有較大的差異。模擬過程中設置一個通用粉塵參數比較困難，因此只選取某一礦井粉塵參數。設置塵源初速度為零，動力只有引射壓力。將模型文件導入Fluent中后，進行的塵源參數設置見表1。

表1 噴射源參數設置

2.4 邊界環境

井下氣泵壓力為0.5 MPa，但是某些礦井由于管路沿程較長，能量損失較多，實際壓力往往較小，故較低壓力下進行引射模擬對多數礦井更有實際意義，本次模擬設定噴嘴壓力為0.2 MPa，其余壓力面的壓力均為大氣壓。不同角度下的壓力面參數設置見表2。

表2 不同角度下邊界環境參數設置

2.5 控制方程和湍流模型

模擬流體對象為氣-固混合流體，在引射除塵器內部運移為湍流模型。采用κ-ε兩方程模型來求解湍流擴散問題時, 控制方程包括連續性方程、動量方程、組分運輸方程和κ-ε方程。選擇Discrete Phase Model(離散相)模型模擬粉塵在氣體中的流動。模擬過程中為計算方便，將流體對象視為不可壓縮、不計粘性的理想流體，并忽略管壁摩擦。

3 模擬結果

本研究主要探討噴嘴角度的一個最佳范圍，在引射除塵器管壁模型不變的情況下，噴嘴分別設置0°、15°、30°、45°、60°和75°這6個角度來進行數據模擬。本次模擬綜合引射除塵器內部流線走向、引射面壓力分布、引射面壓力與外部大氣壓壓差變化曲線、引射風量變化4個指標，來評判引射除塵器性能的優良，使得分析結果更為準確。

3.1 射除塵器內部流線分析

不同噴嘴傾斜角度下引射除塵器內部流線圖如圖3所示。

從圖3的模擬結果可以看出，噴嘴角度為0°和15°時，引射除塵器的接受段流線圖比較平滑；噴嘴角度在15°～75°過程中，接受段流線出現旋渦，隨著噴嘴角度的增大，旋渦范圍逐漸增大，噴嘴角度在60°和75°時甚至出現了回流。

3.2 引射面壓力分布分析

不同噴嘴傾斜角度下引射面壓力分布云圖如圖4所示。

從圖4的模擬結果可以看出，噴嘴角度為0°和15°時，引射面壓力分布比較均勻，噴嘴角度15°時引射面絕對壓力較小；噴嘴角度在15°～75°過程中，隨著噴嘴角度的增大，引射面絕對壓力分布越來越不均勻，且引射面絕對壓力逐漸升高。

圖4 不同噴嘴傾斜角度下引射面壓力分布云圖

3.3 引射壓差大小分析

對引射效果進行直觀的定性分析后，通過對噴嘴不同角度下的引射壓差的大小比較進行定量分析，引射壓差是引射面絕對壓力與外部環境(大氣壓)的壓差，引射壓差越大，則說明引射效果越好。不同噴嘴角度下的引射壓差折線圖如圖5所示。

圖5 不同噴嘴角度下的引射壓差折線圖

從圖5可以看出，各角度下引射面壓力與外部大氣壓壓差均較小。隨著噴嘴傾斜角度逐漸變大，引射面與大氣壓的壓差先增大后減小，尤其在0～15°引射壓差變化速率較快。在噴嘴角度為15°時存在壓差最大值，此時引射效果最好。

3.4 引射風量分析

本次模擬中采用的性能指標為引射風量計算公式見式(1)：

Q=S×V×60

(1)

式中：Q——引射風量，m3/min；

S——引射面面積，m2；

V——引射速度，m/s。

根據井下的實際情況，引射式除塵器的引射風量約為500～600 m3/min。

不同噴嘴角度下的引射風量折線圖如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著噴嘴傾斜角度逐漸變大，引射風量先增大后減小，其變化趨勢與引射壓差一致。在噴嘴角度為15°左右時達到最大值，引射風量最大，滿足井下引射風量需求。

綜上所述，噴嘴在傾斜15°時，引射除塵器的引射面壓差最大，引射風量最大，壓力分布均勻。

圖6 不同噴嘴角度下的引射風量折線圖

4 結論

本文利用CFD模擬噴嘴不同角度下引射除塵器的引射性能可以得出，噴嘴傾斜角度過小或者過大以及引射除塵器內部流線不光滑容易出現旋渦或回流；引射面壓力分布不均容易導致引射氣流紊亂；引射壓差達不到理想最大值，引射風量較小。經模擬分析結果可以看出，噴嘴角度在15°時，其引射壓差達到最大值，獲得最大的引射風量。如此，可在最佳角度值下對引射除塵器進行設計來提高除塵效率，減少能量損失，對以后的現場試驗也有較大的指導意義。