多層螺旋霧幕技術的噴霧模擬及降塵試驗研究*

荊德吉，徐 放，葛少成，張 天，孟祥曦

(1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000； 2.遼寧工程技術大學 安全科學與工程研究院，遼寧 阜新 123000; 3.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室(遼寧工程技術大學)，遼寧 阜新 123000； 4.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024)

0 引言

掘進工作面是煤礦的主要產塵區域，隨著采掘技術的進步，礦井掘進的效率逐步提高，然而高效率的掘進作業隨之帶來的是產塵量的增加，導致更嚴重的粉塵污染[1-3]。

目前對于煤礦的開放性塵源所采用的除塵方法多為噴霧除塵[4]，然而傳統的內外噴霧有很多弊端，如水霧的擴散速度較慢，水霧范圍較小，不能有效阻止粉塵的擴散，導致除塵效率不高[5-6]。多項模擬和實驗表明，利用霧幕相比傳統噴霧控塵效果更好，且風幕對集塵與除塵也有良好的效果。劉寶明等對掘進機旋轉噴霧降塵進行了應用研究[7]；張建卓等基于Fluent模擬論證提出了掘進面集塵風幕除塵方案[8]；李雨成等設計風幕控塵裝置并通過試驗驗證裝置的優越性[2]；Nie等采用數值模擬與現場測試的方法對旋轉風幕對掘進工作面的抑塵效果展開研究[9];錢杰等在現有旋轉風幕除塵的基礎上加入了噴霧，對旋轉水霧除塵進行了研究[10]。

為了進一步提高掘進工作面噴霧除塵效率，以旋風霧幕除塵為依據，結合已知除塵方法進行改進，提出了多層螺旋霧幕除塵方法。與風機提供風力不同，該方法以空壓機提供氣壓，通過噴嘴射出氣流。相比傳統的單層霧幕，噴嘴的多層螺旋排列方式也有助于形成多層且范圍更廣的螺旋霧幕。利用氣水兩相流的方式噴霧，研究這種方式下噴射出的氣流對水霧的運動軌跡及結構的影響以及對除塵效果的影響。通過Comsol模擬軟件的模擬仿真得出多層霧幕裝置工作時的風流場和霧滴運動軌跡并分析其對除塵效果的影響，為噴霧除塵試驗提供理論依據。再通過搭建試驗平臺來測試自然沉降、傳統噴霧和多層螺旋霧幕3種除塵方法的除塵效果，確定多層螺旋霧幕除塵方法的高效性。

1 多層螺旋噴霧模擬計算分析

利用Comsol軟件模擬計算多層螺旋噴霧的氣流流場、風速、粒子軌跡，以此說明該方法對氣流及水霧流向的影響，為下一步的試驗提供保證和可靠依據[11-12]。

1.1 裝置設計與模型建立

該方法主要應用于掘進工作面，通過在掘進機上安裝多層螺旋霧幕裝置形成多層霧幕來提高控塵效果。在眾多的可形成多層霧幕的裝置構造方案中，將噴嘴呈螺旋排布的方法結構簡單容易實現，且該構造可使射出的水霧有向前的分速度，有利于水霧的向前推進。如圖1所示，該裝置設計為：在掘進機的截割臂上安裝管路支架，用以固定管路和噴嘴；供水管與供氣管一端分別與水泵、空壓機相連，另一端管體呈螺旋狀盤繞在管路支架上；支架固定的供水管與供氣管之間連接若干噴嘴，由水泵和空壓機提供噴霧動力，由若干噴嘴噴出水霧形成多層霧幕，且有效除塵區域可隨著掘進機頭位置的變化而變化，進一步提高掘進工作面的除塵效果。

1.噴嘴；2.供水管；3.供氣管；4.水泵；5.空壓機。圖1 多層霧幕除塵裝置設計示意Fig.1 Schematic diagram of multi-layer fog curtain dust removal device

利用Comsol數值模擬研究該裝置應用在掘進工作面時的工作效果，分析該方法的特點及可行性。以2層霧幕為例，如圖2所示，建立寬度和高度均為4 m的巷道模型，以巷道中心軸為準建立10只以2層螺旋排布的空氣霧化噴嘴，噴嘴的氣流出口與噴霧出口的方向均為沿螺旋線向前的切線方向，螺旋的外環半徑為0.15 m，軸向截距為0.35 m，徑向截距為0.25 m。

圖2 模型建立及網格劃分Fig.2 Model building and meshing

1.2 湍流模型

風流場和風速的計算采用標準k-ω湍流模型，該模型對逆壓梯度流場的計算有較高的精度，可應用于墻壁束縛流動，即可應用于對掘進巷道的氣流流向、流速的計算[13]。

(1)

設巷道內空氣不可壓縮，湍流動能k的輸運方程為：

ρ(u·)k=

(2)

湍流耗散率ω的輸運方程為：

ρ(u·)ω=·[(μ+μTσω)
ω=om

(3)

式中：ρ為密度，kg/m3；μT為湍流黏性系數；u為風速，m/s；σk和σω分別為湍流動能k和耗散率ω的普朗系數；-pl為雷諾應力，N；F為其他外力，N。

1.3 曳力模型

水霧粒子軌跡的可利用流體曳力模型計算。只要物體在流體中存在相對速度，這個物體就會受到流體給它的作用力，即為流體曳力。

流體曳力服從Schiller-Naumann定律[14]：

(4)

式中：FD為曳力，N；τp為剪切應力，N；CD為曳力系數；Rer為雷諾數；mp為液滴質量，kg；u，v分別為風速和液滴運動速度，m/s；ρp為液滴密度，kg/m3；dp為液滴直徑，μm；μ為氣體動力黏度，Pa·s。

1.4 液滴破碎模型

K-H破碎模型用來解釋2種運動流體產生的不穩定性，當2種流體做平行運動且達到一定的相對速度，就會過渡至不穩定狀態而破碎成更小的液滴[15]。基于該原理可以模擬水霧的破碎情況，計算出霧滴粒徑。

基于液體射流的線性穩定分析，液滴破碎時半徑變化率為：

(5)

式中，rch為破碎后液滴半徑，μm；t為時間，s；rKH為破碎前液滴半徑，μm；τKH為破碎時間，s。

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：ΛKH為不穩定波波長；ΩKH為增長最快的不穩定波頻率；τKH為破碎時間；Z為液體Ohnesorge數；T為泰勒數；Wel為液體韋伯數；Weg為氣體韋伯數；Rel為液體雷諾數；Urel為氣液速度差，m/s；rp為初始的液滴半徑，μm；ρ為氣體密度，kg/m3；σp為液體表面張力N/m；μp為液體動力黏度，Pa·s；BKH為經驗模型參數，取值與噴孔尺寸設計和噴霧狀態有關，通常取10。

破碎后形成的液滴半徑：

當B0ΛKH≤rp時，

rch=B0ΛKH

(10)

當B0ΛKH≥rp時，

(11)

式中：B0為模型經驗參數，用來控制破碎時間。

1.5 模型條件參數設定

以下參數設置均以環境溫度為20 ℃時的工作狀態為依據設定。環境和噴霧參數設定如表1所示。

表1 參數設定Table 1 Parameter setting

1.6 模擬結果分析

計算待風流穩定后的穩態結果，風流走向如圖3所示。

圖3 風流走向Fig.3 Wind flow direction

從圖3可以看出，在各個噴嘴射出的風流之間相互擾動與巷道墻壁對風流的順向引導的作用下，形成了旋風，且旋風布滿整個巷道。根據箭頭的走向也可直觀地看出其風向是旋轉的。

將該巷道的速度場沿y軸方向分為4層切面，觀察并分析各層之間風速分布的規律(見圖4)。

圖4 風速分布Fig.4 Wind speed distribution map

由圖4可以看出，y軸正方向0～1 m處的最大風速在9～10 m/s左右，y軸正方向2～3 m處的最大風速在7～9 m/s左右，風速緩慢減小，各層最低風速在2～3 m/s左右。風速的分布規律為：巷道中間風速較小，各層風速大于7 m/s的區域為環狀分布，且向前環狀區域的范圍逐漸變大。

將曳力模型的計算與湍流模型的計算結果耦合進行水霧粒子軌跡的計算，輔以K-H破碎模型計算霧滴的粒徑變化[13]。設置每只噴嘴在1 s內噴出霧滴的數量為50，霧化模擬結果顯示了霧滴分布和運動軌跡，分析水霧分布的特點及對除塵的影響。

圖5的模擬結果顯示出了噴霧第2 s時水霧的運動情況及形成的結構。噴嘴附近的水霧剛剛由噴嘴射出而沒有大量擴散，因此霧滴分布密集，且噴嘴呈2層螺旋排列，在旋風的作用下會形成2層明顯的螺旋霧幕并覆蓋巷道截面，2層霧幕相比單層霧幕可進一步阻止粉塵的擴散，提高除塵效果。水霧剛剛噴出時粒徑分布約在10 μm左右，而水霧也會受到風流的影響破碎成為粒徑更小的霧滴。

圖5 噴霧2 s時水霧分布Fig.5 Water fog distribution at 2 s after spray

圖6為噴霧第5 s時粒子軌跡，此時2層霧幕仍然可見，然而由于旋風的作用，2層霧幕中的水霧很快擴散并充斥整個巷道，并根據圖4可知風速分布對于粒子軌跡的影響。風速的不同決定了水霧疏密程度的不同，根據伯努利能量守恒原理，風速大的區域氣壓相對較低，氣壓低的區域更易聚集水霧與粉塵，由此可見噴霧5 s后水霧分布與圖4的風速分布相近，內部風速較快，水霧的流動也較快，水霧分布也會比外部更密集，這便形成了喇叭狀的旋轉水霧。粉塵由于氣壓差的作用更易卷入水霧密集區域，在風流作用下快速與霧滴結合，實現控塵效果。巷道墻壁附近也有旋轉水霧的分布，可對擴散至低風速取區的粉塵進行控制，且由于風速較小，擴散至低風速區水霧的粒徑變化率較小，有利于水霧擴散至更遠的區域，使除塵范圍更廣。

圖6 噴霧5 s時水霧分布Fig.6 Water fog distribution at 5 s after spray

2 試驗模型及設備

2.1 掘進工作面模型

試驗將仿真掘進工作面在掘進過程中產塵和除塵過程，目的是將傳統噴霧和多層環繞霧幕的除塵效果進行對比。本試驗以長、寬、高分別為4，4，4 m的試驗棚作為掘進巷道，前端模擬掘進過程中的產塵過程，后端模擬噴霧過程。多層旋渦霧幕裝置設計如圖7所示，用以固定噴嘴的管路支架結構與數值模擬中的噴嘴排列結構相同。

圖7 多層旋渦霧幕試驗模型設計Fig.7 Design of experimental model for multi-layer vortex fog curtain

2.2 主要試驗設備和材料

如圖8所示，主要試驗設備有：水泵、空氣壓縮機、連接10只SV882氣動噴嘴的供水管與供氣管、螺旋狀管路支架、由鼓風機和風筒組成的發塵裝置、煤粉、粉塵濃度測試儀等。

圖8 試驗平臺場景Fig.8 Scene of experimental platform

2.3 試驗過程及方法

該試驗在室內進行，試驗棚的一端設置發塵裝置，由風筒以及后端連接的鼓風機組成，可將煤粉吹入棚內。另一端模擬掘進機的多層螺旋霧幕除塵裝置，由螺旋管和10只噴嘴組成，空壓機與水泵共同提供噴霧動力，噴霧裝置距塵源2.5 m，且正對塵源。由于噴霧除塵時工作人員距產塵點較遠，且后端角落處極易聚集粉塵，所以測點設置在實驗棚最左側后端的一角。噴霧時水泵的水壓設為0.12 MPa，空壓機氣壓設為0.52 MPa。

2.4 3種不同除塵方式試驗對比

用秤分別量取3組1.5 kg的煤粉用來分別進行3組試驗，第1組用自然沉降的方法，第2組用傳統噴霧除塵方法，第3組用多層螺旋霧幕除塵的方法。發塵裝置啟動后大約45 s發塵完畢，測量3組試驗的粉塵濃度變化情況，粉塵濃度測試儀放在測點處。

第1組：取1.5 kg的煤粉發塵，發塵完畢使煤塵布滿整個空間后，立即開啟粉塵濃度測定儀進行濃度測量，發塵完畢以后的粉塵濃度C0及自然沉降1，2，3 min時粉塵濃度C1，C2，C3。

第2組：將噴嘴排列成環形，噴射方向調至向前并向外輻射，噴射角度60°，進行傳統噴霧除塵。將1.5 kg煤粉裝入發塵裝置發塵，發塵完畢后啟動水泵和空壓機，水霧從噴嘴噴出，與此同時測量在發塵完畢后的粉塵濃度C0及噴霧1，2，3 min時粉塵濃度C1，C2，C3。

第3組：將噴嘴固定在管路支架上，噴射方向為沿支架螺旋的切線方向。取1.5 kg的煤粉發塵，發塵完畢后立即啟動水泵和空壓機，同時測出發塵完畢后的粉塵濃度C0及噴霧1，2，3 min時粉塵濃度C1，C2，C3。

記錄3組試驗各個時間段的粉塵濃度，根據該濃度數據，計算各組試驗在除塵進行3 min時的除塵速率vn，用公式(12)計算：

(12)

式中：vn為第n階段的除塵速率；C0為初始粉塵濃度，Cn為第nmin的粉塵濃度；h為除塵時間，min。

試驗結果匯總見表2。

2.5 試驗結果分析

由表2數據可知，1.5 kg煤塵發塵完畢后，試驗棚內測點處的初始粉塵濃度始終保持在470 mg/m3左右，浮動微弱，可近似看做濃度相同。通過3組數據可知，傳統噴霧的降塵效果好于自然降塵，多層螺旋霧幕的除塵效果好于傳統噴霧除塵，其中僅用多層螺旋霧幕除塵的方法，在3 min后濃度降為3.68 mg/m3，達到了國家標準的4 mg/m3以下，呼塵的濃度也降到了1 mg/m3以下。在進行雙層螺旋霧幕試驗時，可清晰觀察到2層密集水霧(拍照時，照片顯示不明顯，故未附圖)，霧滴粒徑更加細小，這與數值模擬結果一致，并且粉塵濃度變化結果也驗證了該方案的正確性，說明多層螺旋霧幕除塵可更加有效地降低粉塵濃度。

表2 3種除塵方式下的各個時間的粉塵濃度變化及除塵速率對比Table 2 Comparison of dust concentration variation and dust removal efficiency at each time by three dust removal modes

多層螺旋霧幕除塵相比傳統噴霧，有3點重要的優勢：

1)傳統噴霧除塵方法射出的氣流無法相互作用形成連續的風流，容易造成氣流紊亂并停滯。且水霧擴散速度較慢，水霧在巷道角落區域也僅處于緩慢沉降或布朗運動狀態，無法使其與粉塵更快碰撞結合，造成除塵速率較低。而多層螺旋霧幕除塵方法由于可形成多層霧幕，旋風的作用使多層霧幕中的水霧很快擴散形成旋轉水霧，水霧的覆蓋范圍更廣且運動速度較快，可使霧滴與粉塵有更多的機會接觸。

2)風流會使粒徑較大的霧滴破碎成多個粒徑較小的霧滴，粒徑較小的霧滴更易與粉塵碰撞結合，且霧滴的數量增多也可增加霧滴與粉塵結合的可能性，提高控塵效果。

3)高速旋風形成負壓區，由于氣壓的作用可使粉塵被吸入旋風流中，使粉塵有更多機會與水霧結合。

3 結論

1)通過湍流模型與流體曳力模型耦合計算表明，采用多層螺旋霧幕的方法，將噴嘴以2層螺旋排列，可產生2層較大范圍的螺旋霧幕。且旋風的作用可使霧幕中的水霧很快擴散形成旋轉水霧，快速流動的水霧可使粉塵迅速與霧滴結合，同時風流也會對水霧起到一定的破碎作用，使霧滴與粉塵的碰撞幾率增加，提高控塵效果。

2)通過試驗將自然降塵、傳統噴霧除塵、多層螺旋霧幕除塵的除塵速率對比，多層螺旋霧幕對全塵與呼塵的除塵效果明顯好于自然降塵與傳統噴霧除塵。且僅使用多層螺旋霧幕除塵3 min后可使近470 mg/m3的全塵濃度降至國家標準4 mg/m3以下，并可將呼塵的濃度降到1 mg/m3以下。多層螺旋霧幕的試驗也驗證了數值模擬的正確性。