雙層皮帶機防雨罩流場和粉塵濃度場分析

黃庭祥，胡成功，姜小輝，孫曉，曹亮，趙紅霞

(1.神華北電勝利能源有限公司，內蒙古 錫林浩特 026000；2.中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司， 遼寧 沈陽 110066；3.山東大學 能源與動力工程學院，山東 濟南 250061)

皮帶機是一種常用的物料輸送設備，廣泛應用在沙石運輸[1]、物料干燥[2]以及煤或粉煤灰等的運輸[3-4]中。皮帶輸送機多為單層皮帶，只輸送一種物料，而運輸兩種物料的雙層皮帶機，即上下兩層皮帶逆向輸送，則并不多見。

本文研究的雙層皮帶機是一種新型的皮帶機，其內部有兩層皮帶，上面一層運煤，下面一層運粉煤灰，二者反向運送，可解決坑口電廠和煤廠之間的煤炭和粉煤灰運輸的問題。雙層皮帶機將煤炭運至坑口電廠，同時將粉煤灰運回來填充煤坑，充分利用皮帶機回程的路線，既節約能源，又節約空間，是一種非常理想的輸運設備。但是雙層皮帶機的設計不同于單層，特別是其防雨罩的設計需要重新考慮。由于雙層皮帶機的垂直高度比較高，如果參考單層皮帶機防雨罩的設計尺寸，則設計出來的防雨罩也比較高，而且防雨罩側面垂直方向尺寸比較大，會消耗較多的鋼材。因而有必要對雙層皮帶機防雨罩的設計進行優化，特別是加大側面距離地面的高度，減小防雨罩尺寸，從而減少制作時材料的消耗。隨著國家對環境治理的推進，對于煤礦開采等領域的粉塵濃度提出了要求，根據《煤礦安全規程》[5]的規定，要求在煤礦的作業場所中煤塵的總塵平均容許濃度要小于4×10-6kg/m3。如果在設計中將雙層皮帶機的防雨罩兩側面縮短，當遇到較強的側風時，防雨罩內粉塵有可能被風吹出，會對周圍環境帶來危害。因而有必要研究側風情況下雙層皮帶機防雨罩內粉塵的分布、流動和向外界擴散的情況，從而為防雨罩的優化設計提供參考。

對于皮帶機輸煤情況下煤塵隨氣流和皮帶機運動的流動及分布情況，已經有許多研究。秦翥[6]對帶式輸送機轉載點粉塵濃度分布進行了數值模擬，得出了其分布規律。Torno等[7]數值模擬了皮帶機內流場和粉塵的分布，并與實驗結果進行了對比。蔣仲安等[8]對巷道內皮帶輸煤系統的粉塵運移規律進行了數值模擬研究。陳舉師等[9]對膠帶輸送巷道內粉塵的濃度分布進行了數值模擬和實驗研究，得出巷道平均風速和膠帶運行速度是影響粉塵濃度分布的兩大主要因素。王洪勝等[10]對膠帶運輸系統的粉塵運動規律及控制技術進行了模擬研究，采用了氣固兩相流理論，建立了空氣和粉塵紊流的離散模型，并研究了不同位置加裝吸塵罩的效果。張子文等[11]對不同輸煤量對輸煤皮帶巷內揚塵的運動、轉移和擴散規律的影響進行了數值模擬研究，發現皮帶運煤量的增加加大了煤流和風流之間的摩擦面積及巷道斷面風速，提高了揚塵濃度，擴大了高濃度區域范圍，顯著增加了巷道中下部空間的粉塵污染程度。

目前對粉塵的模擬大多為離散相模型，將粒子視為惰性顆粒，其與連續相流體相互作用，求解粒子的運動方程，即采用拉格朗日法，得到粒子的空間分布。通常假設一定的表面起塵量或噴射的粒子量，然后加入到流體連續相中進行計算[8-9]。本文擬以氣固兩相流理論為基礎，運用Fluent軟件，建立雙層皮帶機防雨罩內粉塵流動的數值模擬模型，開展在有強側風吹的情況下防雨罩內外流場和粉塵的運動及分布規律的研究，為雙層防雨罩的優化設計提供參考。

1 雙層皮帶機及防雨罩的結構

位于內蒙古錫林浩特的勝利煤田大型煤礦到坑口電廠之間擬建立可同時運輸煤和粉煤灰的雙層皮帶運輸機，將煤從煤礦運到電廠，而返程則將粉煤灰帶回到煤礦進行利用。雙層皮帶機及防雨罩的橫截面如圖1所示。

注：1—防雨罩；2、3、4—防雨罩支撐結構；5—下皮帶；6—上皮帶；7—地面。圖1 雙層皮帶機及防雨罩的橫截面Fig.1 Cross section of double-layer belt conveyor and rain shield

雙層皮帶機防雨罩頂部距離地面高度為2.54 m，側罩最下端距離地面0.94 m，防雨罩半徑為1.21 m，側罩平直部分高度0.82 m，防雨罩總寬度約2.40 m，上下皮帶之間距離為1.04 m。

2 模型的建立及可靠性驗證

2.1 物理模型

由于皮帶機結構復雜，內部如輥子、支撐架等較多，建立與實際皮帶機一致的模型較為困難。參考文獻[8-9]，對模型進行了簡化，忽略掉皮帶機內的輥子和支撐架，只考慮皮帶、煤和粉煤灰區域。同時為了研究側風的影響，將防雨罩外一定空間也作為計算域。由于流動屬于三維流動，因而進行三維建模，建立后的計算區域如圖2所示，整個計算域為3.59 m×3.46 m×39 m。

防雨罩內兩條皮帶相對運動，運動速度均為4.5 m/s，運動導致防雨罩內流場的分布和單層防雨罩內的不同。煤堆表面和粉煤堆表面是粉塵的來源，防雨罩內的流場對粉塵的流動產生較大的影響，因此計算時重點考慮防雨罩內流動。為了防止進出口段對計算產生影響，沿皮帶運動方向取較長的計算區域，為了減少計算量，皮帶周圍空間則取較小的區域，最后建立的計算域橫剖面圖如圖2所示。

圖2 雙層皮帶機防雨罩計算模型剖面圖Fig.2 Cross section of computation domain for rain shield of double-layer belt conveyor

雙層皮帶機內空氣的流動遵循如下質量守恒和動量守恒方程:

(1)

式(1)中，ρ為密度，ui為流速，t為時間，xi為坐標。

(2)

式(2)中，fi為單位質量的體積力，τij為黏性應力。

因氣流中粉塵濃度低，令α1和α2分別代表空氣和粉塵的體積分數，ρ1代表空氣的密度，ρ2代表煤粉的密度，假定ρ1<<ρ2、α1ρ1<<α2ρ2，采用變量σ1=α1ρ1、σ2=α2ρ2，則含稀薄粒子的混合體守恒方程為:

(3)

(4)

式中，g為重力加速度，p為壓強。

忽略掉分散的粉塵顆粒之間的碰撞，在模型的求解中補充氣相質量守恒方程和置于平均流中的單一粒子的運動方程如下：

(5)

(6)

式中，tq為斯托克斯阻力。空氣的流動按照歐拉法求解，粉塵運動軌跡按照拉格朗日法求解。

2.2 邊界條件的設置

(1)連續相：數值模擬中，周圍空間與防雨罩側面相平行的計算域右側面作為速度入口邊界，根據煤礦作業要求，風速取8級強風，根據中國氣象局風力的等級劃分，對應風速為17.2～20.7 m/s,因此計算時取側風速度為17 m/s；計算域左側面和上側面均為壓力出口；計算域兩端也均設為壓力出口邊界；皮帶作為移動邊界，上下皮帶分別以4.5 m/s和-4.5 m/s相對運動。

(2)離散相: 煤粉塵和粉煤灰粉塵均是離散相，視為惰性顆粒，根據實測的顆粒粒度得到其分布屬于R-R分布，R-R的具體參數見表1。以煤堆上表面和粉煤灰上表面作為顆粒噴射源，噴射的顆粒質量流量見表1。

表1 顆粒參數和噴射量

通過計算，防雨罩當量直徑為1.857 m ，則Re=1. 71×106，大于臨界Re=2300，所以罩內的流動為湍流，選用k-ε湍流模型，壁面處均按照標準壁面函數處理。

3 計算結果分析

3.1 17 m/s側風影響下的流場分布圖

如圖3(a)和3(b)所示，分別表示有無側風時計算域剖面的流場分布情況。

圖3 有無側風時防雨罩速度分布矢量圖Fig.3 Vector diagram of velocity distribution of rain shield with or without crosswind

從圖3(a)中可以看出，沒有側風的時候罩內流速比較低,最大速度低于0.1 m/s，罩外側向流速小于0.01 m/s，而且罩外的空氣被吸入罩內，不會有粉塵被吹出。

由圖3(b)中可以看出，因為強側風的影響(17 m/s)，導致側風的一部分在防雨罩的側面下方受到阻擋，一部分側風進入罩內流動，而罩內由于上下運輸皮帶的相對運動，在兩個皮帶之間的空間形成了漩渦，側風的進入會強化兩者之間的漩渦的強度。如果漩渦強度過大就會導致部分流體攜帶粉塵顆粒沿罩右側內壁流動，之后被罩下方的側風攜帶流出至罩外。另外可以看到上下兩條皮帶之間的區域總體速度比較小(平均小于8 m/s)，特別是貼近煤堆上表面和粉煤灰上表面，基本上小于5.4 m/s。另外需要特別注意的是，由于防雨罩側面總體高度約為1.6 m，導致大量的風從防雨罩上方流過，在防雨罩頂部風速可以高達55 m/s，從而對防雨罩形成了巨大的沖擊力，這是設計防雨罩的強度時應當考慮的問題。

3.2 17 m/s側風影響下的粉塵濃度分布圖

有無側風時防雨罩內部流場不同，罩內粉塵的濃度分布也不同。穩態計算獲得的粉塵濃度在計算域橫剖面的分布圖如圖4(a)和4(b)所示。

圖4 防雨罩內粉塵濃度分布圖Fig.4 Dust concentration distribution diagram for rain shield

從圖4(a)中可以看到，在無側風的情況下，罩內煤堆和粉煤灰上表面的濃度比較大,都大于4×10-6kg/m3，但是罩外空間粉塵濃度都小于4×10-6kg/m3，均滿足《煤礦安全規程》的標準規定。

從圖4(b)中可以看到，在有強側風的情況下，最大的粉塵濃度1.78×10-4kg/m3出現在運煤皮帶和煤堆的交界處，其次則是運粉煤灰的皮帶和粉煤灰堆的交界處。在這里粉塵流動受到了側面皮帶的阻擋而沉積下來，而整個計算空間其他區域的粉塵濃度則很小，均小于3.75×10-5kg/m3。

由于粉塵濃度分布范圍跨度太大，因而為了更加清晰地顯示粉塵濃度在計算域的分布，圖5顯示了濃度小于4×10-6kg/m3的粉塵分布，該圖顯示的區域除紅色部分外均符合《煤礦安全規程》的標準。從圖中可以判斷粉塵濃度在罩外部空間均滿足《煤礦安全規程》的要求，表明防雨罩高度設計合理。

圖5 有側風(17 m/s)時粉塵濃度分布圖(濃度< 4×10-6 kg/m3)Fig.5 Dust concentration distribution map (concentration<4×10-6 kg/m3)

4 結論

本文以雙層皮帶機防雨罩為研究對象，對強側風(17 m/s)影響下防雨罩內流場和粉塵濃度場的分布進行了數值模擬。計算結果表明，強側風會強化雙層皮帶之間形成的流動漩渦，目前風速為17 m/s的側風不會導致形成的漩渦強度過大。雙層皮帶機防雨罩高度大會導致在其頂部出現非常高的流速(高達55 m/s)，所造成的沖擊力在進行防雨罩強度設計時必須考慮。粉塵濃度分布不均勻，按照目前計算的強側風情況下，防雨罩外部空間的粉塵濃度都小于4×10-6kg/m3，滿足煤礦安全規程的要求。

本文的研究結果給雙層皮帶機防雨罩的設計提供了參考，但是該研究主要基于數值模擬，還缺乏流場的相關實驗數據。今后將開展有關的實驗研究工作，對現有數值模擬結果進行驗證，并對數值模型進行改進。