硐室车辆尾气污染物扩散特性研究

张 宏，张金贵，马 亮，暴海英，陈照杰，张 伟，叶宇希，赵俊伟

(1.陕煤集团神木红柳林矿业有限公司，陕西 榆林 719000；2.中国矿业大学(北京)，北京 100083；3.神木市能源局，陕西 榆林 719000；4.安徽理工大学，安徽 淮南 232000；5.山东科技大学安全与环境工程学院，山东青岛 266590)

随着煤矿开采技术迅速发展，各煤矿开采的机械化程度加深，对各种车辆的使用量增大[1-4]，但各种车辆产生的尾气若处理不当，会导致严重的尾气污染[5，6]，对煤矿工人的身体健康产生严重危害[7]，其中无轨胶轮车作为矿井中最常见交通工具，其产生的尾气已成为井下尾气污染的主要来源。

目前国内外学者针对井下燃油车尾气污染规律研究已取得了一些成果[8，9]，赵普生、吕智海研究了矿用防爆柴油车排放的尾气中含有的CO2、H2O、CO、碳氢化合物、氮氧化合物、SO2、颗粒物和醛类等组分对人体的危害作用[10]；2012年，李红军、吴玉文研究了井下无轨胶轮车配风量的几种计算方法并以枣泉煤矿为例进行了计算分析[11]；2014年，贠少强研究了井下防爆柴油车排放得到尾气的危害，并提出了相应的对策及防范措施[12]；2015年，王登山根据相似理论以陕西红石岩煤矿为蓝本研究了不同条件下CO、CO2及CH4等在巷道中的分布情况[13]；2017年，宋建村、姜坤序研究了溜矿井的产尘问题及治理措施，并揭示了生产现场的柴油尾气问题以及解决办法[14]。国内针对硐室内怠速车辆尾气研究成果比较少，尤其巷道中不同风流场影响下车辆尾气污染物扩散与污染规律不够清晰。本文结合数值模拟、现场实测综合方法，以红柳林煤矿25211工作面硐室作为研究对象，以期获得风流场影响下无轨胶轮车停靠在硐室中尾气污染物扩散机制，为提出针对性防治与控制措施提供理论依据。

1 连续相风流模型构建

硐室内风流采用欧拉方法进行描述，其运动遵从流体力学基本定律，连续性方程可被表达为以下形式[15-17]：

(1)

式中，Sm表示源项，可通过用户自定义的方式进行添加。

由于硐室环境相对复杂，风流场内湍流效应较强，局部区域的雷诺数高达106以上，选取合适的风流湍流模型尤为重要[18，19]。目前可用于求解湍流流动的数值模拟方法主要有两种——直接数值模拟法(DNS)和非直接数值模拟法，其中后者又包括了雷诺平均法(RANS)和大涡模拟法，在工程领域中应用最为广泛的是雷诺平均法，在本文的数值模拟中也选用这种方法。上述方程组利用Realizablek-ε模型进行封闭，k方程见式(2)、ε方程见式(3)[20-22]。

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(2)

(3)

车辆尾气污染物中包含多种组分，每种组分占尾气污染物的比重不同，且各组分间的化学生成率为零，故选用可求解组分运输过程的无反应组分运输模型，组分输送模型中遵循组分守恒定律，见式(4)：

(4)

(5)

式中，Sct为湍流的施密特数；Dt，i为热扩散系数；Di·m为质量扩散系数；μt为湍流粘度。车辆排放的尾气在空气中的扩散可用高斯模型来描述，扩散方程如式(6)：

(6)

式中，C(x，y，z)为空间点处尾气的浓度；Q为尾气释放速率；H为高度；Σ为扩散参数；u为风速。

2 硐室尾气扩散物理模型构建

2.1 几何模型及网格

红柳林煤矿25211工作面硐室长12m、宽5m、高4.2m，利用SolidWorks软件建立无轨胶轮车停靠于硐室中的物理模型。车辆为国三WC19R(A)防爆无轨胶轮人车，外形尺寸为6m×1.97m×2.26m，车辆距离硐室尾部4.0m，此时车辆排气口距离硐室尾部4.7m，并于巷道中设立直径为1000mm的柔性正压阻燃风筒及DSJ100/100/200带式输送机。

因模型的局部复杂性，采用质量更高适应性更强的非结构化网格进行划分。其中，全局网格系数设为0.35，并根据模型局部细节进一步实施加密，划分结果中网格质量均高于0.25，最小网格为4.177786×10-8m3，最大网格为8.587842×10-3m3，网格数量为2.458721×107，无负体积网格出现，划分结果如图1所示。

图1 无轨胶轮车仿真模型

2.2 边界条件及参数设置

按照红柳林煤矿25211工作面巷道实际情况，将巷道入口及车辆排气口设置为Velocity_Inlet，将巷道出口设置为Pressure_Outlet。因车辆排放尾气成分复杂，包括一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、二氧化硫、多环芳烃、乙炔等有害物质，根据现场实际情况考虑，选取尾气成分中三种主要成分CO、NO、NO2进行研究分析。依据现场风速仪实际测得巷道进风风速为0.5m/s，温度湿度计实际测得现场温度为11.0℃、湿度为28.0%，并按照气体检测仪测得数据，设置车辆排放尾气中CO为366.40×10-6、NO为147.16×10-6、NO2为73.56×10-6，风流场采用稳态计算，尾气污染物扩散与污染采用瞬态计算，主要参数见表1。

表1 主要参数设定

3 风流对硐室尾气污染物影响规律分析

采用ANSYS Fluent软件获得了不同巷道风速影响下车辆尾气污染物的扩散结果，选取距巷道底板1.5m呼吸道高度截面进行分析，并在车辆两侧分别设置距底板1.5m、距胶轮车0.5m从硐室口至硐室尾部测线两条，测线上均匀布置30个测点，以测取各点的浓度值。此外，在硐室内设置水平、垂直间距均为1.0m的16根测线，获得间隔1.0m空间的184个测点，得到截面、测点及两测线测取的不同尾气组分浓度。

3.1 硐室中尾气扩散规律

在怠速状态下无轨胶轮车尾气浓度受巷道风速影响结果如图2所示，对比风速为0.25m/s和4.0m/s时的浓度分布规律可知，距离排气管出口处越近，尾气浓度越高。随着巷道风速的增加，硐室内涡流场风速也相应增加，导致硐室中空气循环频率加快，尾气难以聚集，硐室内尾气浓度有所降低。在巷道风速为0.25m/s时，巷道内风速较低，车辆尾气未受到显著的巷道负压卷吸作用，尾气聚集在车辆尾部，如图2(a)(b)(c)所示；当巷道风速达到4.0m/s时，巷道内风流惯性较大、动能较高，部分风流运移至硐室右壁发生碰撞后仍保持较高风速，自硐室右侧流入左侧流出，致使硐室内风流形成涡流场，尾气在涡流场影响下向硐室口扩散程度升高，硐室内尾气浓度趋于均匀，具体如图2(d)—图2(f)所示。

图2 硐室内尾气浓度分布及风流矢量图

通过对比CO、NO、NO2在硐室内的扩散规律，发现三种气体的扩散规律比较相似，三种气体在硐室内的分布主要存在浓度差异。考虑到CO、NO相对分子质量分别为28、30，与空气的相对分子质量相近，而NO2相对分子质量为46，比空气的相对分子质量大，究其原因为胶轮车在怠速状态下所产生尾气占空气比重极小，尾气浓度较低，重力作用不占主导地位，尾气中气体趋向于均一混合状态，其扩散规律受重力作用影响不够显著。

3.2 硐室内NO2浓度分布

结合煤矿安全规程尾气浓度要求，分析不同巷道风速影响下硐室内NO2浓度分布，如图3—图7所示。从不同风速影响下硐室内NO2分布结果可知：在风速为0.25m/s时，尾气主要积聚在车辆尾部，浓度达到0.50×10-6以上，向硐室口扩散现象不显著；当风速超过1.0m/s时，随着风速的增加，尾气受硐室内横向涡流影响增强，NO2随涡流场经车辆左侧流入巷道及车辆右侧，向硐室口扩散现象逐渐显著，硐室其他区域浓度趋于均匀，车辆尾部大部分区域NO2浓度逐渐减小至0.10×10-6以下。车身左后方区域尾气浓度始终高于其余位置，主要是由于尾气受硐室内顺时针方向涡流场影响，聚集位置自车辆正后方发生偏移，且在此区域存在一个较大的涡流区域，流线封闭，NO2流动较困难，易导致NO2大量积聚。

图3 风速为0.25m/s时NO2浓度分布

图4 风速为4.0m/s时NO2浓度分布

图5 NO2散点数量所占百分比随风速变化曲线

图6 不同风速车辆左侧NO2浓度折线

图7 不同风速车辆右侧NO2浓度折线

随着巷道入口风速由0.25m/s增加至4.0m/s，进入硐室的风流流动速度加快，同时在硐室内涡流的作用下，车辆尾气趋于向外部扩散，硐室内所有区域NO2浓度均低于2.50×10-6，风速为0.25m/s时NO2浓度超过2.50×10-6的区域为3.26%，NO2浓度超过1.0×10-6的区域从5.98%降低为1.63%，且浓度最高值从22.41×10-6降低至2.36×10-6，降幅为89.47%，平均值从0.54×10-6降低至0.33×10-6，降幅为38.89%。如图5所示，硐室内的NO2浓度低于1.0×10-6所占的比例越大，表示气体在硐室内扩散的越均匀。

当巷道入口风速在0.25～1.0m/s范围内时，随着巷道风速的增加，硐室内涡流场风速增大，聚集在车辆尾部的尾气在硐室中进一步扩散，使得高于2.50×10-6的区域减少。但随着巷道风速的进一步增大，车辆左侧风流与巷道风流速度差明显，硐室左侧与巷道间气压低于硐室内其余位置，且巷道进入硐室的有效风增加，车辆排放的尾气顺应此趋势向巷道中扩散越发显著，大部分尾气未在硐室内进行充分扩散便进入巷道中，NO2在硐室内的扩散程度降低，使得98%以上的区域尾气浓度均低于1.0×10-6。巷道风速与尾气浓度等级I和II的拟合公式分别为：C(NO2)=97.1-21.35V+13.38V2-2.0V3，C(NO2)=-1.18+20.0V-11.45V2+1.66V3，等级Ⅰ和Ⅱ的R2分别为0.91和0.90，拟合曲线如图5所示。

由图6—图7可知，车辆左侧NO2浓度大致呈先增加后减少趋势。NO2从排气管中排出时，其浓度远远大于周围空气中的浓度，由于气体在扩散的过程中总是遵循菲克定律，从高浓度向低浓度扩散，以减弱这种浓度不均匀的趋势。在距硐室口9.0～10.0m左右达到峰值，风速为0.25m/s时距硐室口9.52m处达到峰值15.43×10-6，当风速增加至4.0m/s，NO2浓度均趋于1.0×10-6以下；车辆右侧NO2浓度大致呈先增加后减少趋势，在距硐室口0～2.0m范围达到峰值，风速为0.25m/s时NO2浓度分布较为均匀，风速超过1.0m/s时，随着风速增加，浓度大致呈减少趋势，1.0m/s时距硐室口1.24m处达到峰值0.47×10-6。

3.3 硐室内CO、NO浓度分布

无轨胶轮车排放尾气组分中除了比空气重的NO2以外，还存在与空气分子质量相似的CO和NO，对硐室内不同巷道入口风速影响下CO分布情况进行分析，如图8—图15所示。由图8、图9可知：在风速为0.25m/s时，受到低风速影响下车辆后方尾气主要集中在车辆尾部，浓度达到15.0×10-6以上，向硐室口扩散现象不显著；当风速超过1.0m/s时，随着风速的增加，尾气受硐室内横向涡流影响增强，CO经车辆左侧流入巷道及车辆右侧，向硐室口扩散现象逐渐显著，硐室其他区域浓度趋于均匀，车辆尾部大部分区域CO浓度逐渐减小至10.0×10-6以下。

图8 风速为0.25m/s时CO浓度分布

图9 风速为4.0m/s时CO浓度分布

图10 CO散点数量所占百分比随风速变化曲线

图11 不同风速车辆左侧CO浓度折线

图12 不同风速车辆右侧CO浓度折线

图13 NO散点数量所占百分比随风速变化曲线

图14 不同风速车辆左侧NO浓度折线

图15 不同风速车辆右侧NO浓度折线

由图10可知，随着巷道入口风速由0.25m/s增加至4.0m/s，硐室内CO浓度超过24.0×10-6的区域从1.63%降低至0，浓度超过1.0×10-6的区域从14.67%增加至79.89%，且浓度最高值从111.62×10-6降低至11.77×10-6，降幅为89.46%，平均值从2.71×10-6降低至1.65×10-6，降幅为39.11%，表明随着巷道内的风速不断增加，硐室内CO的扩散程度升高。

从不同风速影响下硐室内CO折线图可知：车辆左侧CO浓度大致呈先增加后减少趋势，在距硐室口7.0～11.0m左右达到峰值，风速为0.25m/s时距硐室口9.52m处达到峰值76.83×10-6，当风速增加至4.0m/s，CO浓度均趋于8.0×10-6以下；车辆右侧CO浓度大致呈先增加后减少趋势，在距硐室口0.0～2.0m范围达到峰值，风速为0.25m/s时CO浓度分布较为均匀，风速超过1.0m/s时，随着风速增加，其浓度大致呈减少趋势，1.0m/s时距硐室口1.24m处达到峰值2.36×10-6。

下面对NO的模拟结果进行分析研究，如图13—图15所示。从不同风速影响下硐室内NO浓度分布图可知：硐室内NO浓度分布规律与CO基本一致，但因组分占比不同，硐室内NO浓度值与CO差异较大。随着巷道入口风速由0.25m/s增加至4.0m/s，硐室内NO浓度超过1.63×10-6的区域从8.15%降低为2.72%，NO浓度超过1.0×10-6的区域从10.32%降低为9.24%，且NO浓度最高值从44.83×10-6降低至4.73×10-6，降幅为89.45%，平均值从1.09×10-6降低至0.66×10-6，降幅为39.45%。由于NO和NO2在尾气中所占的比例相似，且都远小于CO所占的比例，因此硐室内的NO的气体扩散规律与NO2相似。

从不同风速影响下硐室内NO浓度折线图可知：车辆两侧NO浓度分布规律与CO基本一致，车辆左侧NO浓度在风速为0.25m/s时距硐室口9.52m处达到峰值30.86×10-6，车辆右侧NO浓度在1.0m/s时距硐室口1.24m处达到峰值0.95×10-6。

4 现场验证

为确保数值模拟结果的可靠性，采取现场采样测量尾气浓度以验证模拟的准确性。使用三合一气体检测仪测量并每分钟记录一次各测点处的CO、NO、NO2浓度，使用卷尺确定仪器放置位置，使用风速仪和温度湿度计测量风速、温度及湿度。其测量方法为：车辆抵达15206内撤架巷后熄火，10min后测量环境初始参数，包括环境风速、环境温度、环境湿度、尾气各组分浓度等。以车辆排气口为原点，以车辆车尾朝向为正方向，在距离原点0m、3.0m、5.0m处各放置一台检测仪，之后同时启动仪器及车辆，使车辆原地怠速运行，记录各测点处CO、NO、NO2浓度，见表2。

表2 尾气检测数据表

将现场尾气浓度均值与数值模拟结果进行对比，距原点0m、3.0m和5.0m处尾气模拟最大相对误差为21.0%、23.7%和23.1%，其中NO气体的数据相对误差最小，考虑到现场环境的复杂性，认为模拟结果相对准确。

5 结 论

本文针对陕北矿业红柳林公司25211工作面煤矿硐室中车辆尾气排放，连续相组分输送模型并开展模拟研究，通过现场实测发现尾气浓度相对误差在23.7%以下，并得到结论如下：

1)气体在扩散的过程中总是遵循菲克定律，在风速为0.25m/s时，在低风速影响下尾气主要集中在车辆尾部，浓度达到限值以上，向硐室口扩散现象不显著；当风速超过1.0m/s时，随着风速的增加，尾气受到硐室内横向涡流影响增强，尾气经车辆左侧流入巷道及车辆右侧，向硐室口扩散现象逐渐显著，硐室其他区域浓度趋于均匀，车辆尾部90%以上区域尾气浓度逐渐减少至1.0×10-6以下。

2)在风速为0～1.0m/s范围内NO、NO2受到硐室口处负压作用的影响较大，导致其在硐室内扩散程度降低，8.15%的区域NO浓度高于1.63×10-6，3.26%的区域NO2浓度高于2.5×10-6；而CO的扩散几乎不受硐室涡流作用的影响，随着巷道内风速的不断增大，气体在硐室内的扩散程度升高，当风速为0.25m/s，硐室内1.63%的区域CO浓度高于24.0×10-6，在风速达到4.0m/s时，硐室内所有区域CO浓度均低于24.0×10-6，同时获得了三种气体的拟合函数关系。当巷道入口风速为2.0m/s时，可保证硐室内主要尾气组分浓度符合要求。