采煤机外喷雾系统数值模拟研究

赵丽娟,田 震,王 野

(1.辽宁工程技术大学机械工程学院,辽宁阜新 123000;2.沈阳航天新光集团有限公司,辽宁沈阳 110043)

采煤机外喷雾系统数值模拟研究

赵丽娟1,田 震1,王 野2

(1.辽宁工程技术大学机械工程学院,辽宁阜新 123000;2.沈阳航天新光集团有限公司,辽宁沈阳 110043)

为提高采煤机外喷雾系统性能,改善工作面作业环境,基于Pro/E与GAMBIT联合建立了采煤工作面模型,选用标准k-ε湍流模型构造采煤机外流场数学模型,并通过FLUENT仿真得到巷道内风流平均速度为1.8 m/s左右,符合《煤矿安全规程》的规定;对采煤机外喷雾系统进行了数值模拟,通过改变喷嘴口径、喷雾压力和扩散角等参数,得到了不同喷雾参数下的雾滴粒径和雾化浓度的变化规律:随着喷雾压力的增大,雾滴粒径减小,喷雾浓度分布更加均匀;小口径喷嘴雾化浓度较高,大口径喷嘴雾化区域浓度均匀、捕集面积大;小雾化扩散角下的雾粒速度相对较大,大扩散角下的雾流浓度分布均匀,但其穿透力差。分析结果为提高采煤机喷雾降尘效率,降低采煤工作面粉尘浓度提供了依据。

采煤机;外喷雾;粒径;雾化浓度;数值模拟

近年来,高浓度煤矿粉尘引起的事故造成了大量的人员伤亡,如2005年11月,黑龙江东风煤矿发生特大煤尘爆炸事故,造成171人死亡,48人受伤[1]; 2006年7月,山西蔺家庄煤矿发生一起特别重大煤尘爆炸事故,共有53人遇难[2];2007年12月,山西新窑煤矿由于煤尘爆炸继而引起瓦斯爆炸,造成105人遇难[3];2012年5月新疆洪山煤矿粉尘爆炸事故造成6名矿工死亡[4]。高浓度粉尘不仅使煤矿的安全开采面临严峻的考验,还将会导致煤矿工人患上职业尘肺病,危害煤矿工人的身心健康[5-6]。据相关数据统计,我国尘肺病患者2010年已累计超过67万人,2011年,我国煤矿检出尘肺病人达14 000例,呈上升趋势[7]。因此,降低煤矿井下工作面粉尘浓度和减少呼吸性粉尘的危害已成为煤矿安全生产的主要研究课题。

在综采工作面,采煤机截割过程产生的粉尘占整个工作面粉尘总量的60%～85%[8]。在采煤机开采过程中,工作面粉尘量过大、喷嘴易堵等问题使采煤机作业环境粉尘的沉降难以达到煤矿安全规程的要求[9]。本文基于流体动力学仿真技术,对采煤机外喷雾系统进行数值模拟,得到不同喷嘴口径、喷雾压力和扩散角条件下喷雾系统的工作效果,找出了不同喷雾参数下的雾滴粒径和雾化浓度的变化规律;将数值模拟技术应用到煤矿粉尘控制的研究中,通过调整喷雾参数,达到提高喷雾降尘效果的目的,为改善工作面作业环境和提高煤矿生产安全提供了参考。

1 模型的建立

综采工作面较多的设备(如采煤机、刮板输送机、液压支架等)导致巷道内部通风区域形状极为复杂,建立准确模型十分困难,需对计算模型进行适当的简化[10-11],如图1所示,其中工作面尺寸如下:进风区8.5 m(长)×4.17 m(宽)×1.3 m(高);采空区17.5 m(长)×4.8 m(宽)×1.3 m(高);工作面高度为1.3 m,液压支柱间距1.5 m。

图1 综采工作面Fig.1 Simplified diagram of fully mechanized coal face

利用Pro/E建立简化后的采煤机模型(其中在摇臂壳体输出端颈部上下各分布3个外喷雾喷嘴),将其导入到GAMBIT中,并在此基础之上建立综采工作面的整体模型。在GAMBIT中划分计算网格,考虑到数值模拟准确度及仿真时间问题,网格精度应根据物理量场在模型区域中的变化情况酌情而定。模型选择Tet/Hybrid网格单元进行划分,划分类型为TGrid[12],划分好的网格模型如图2所示。

图2 模型网格划分Fig.2 Mesh division ofmodel

为了便于对喷雾颗粒进行采样分析,研究喷雾参数变化对喷雾效果的影响,在滚筒与煤壁距离100～600 mm范围内,沿滚筒轴线方向依次建立与煤壁平行的A～F六个采样平面,如图3所示。

图3 采样截面位置Fig.3 Sampling section position

2 外流场数值模拟

针对采煤机外流场的数值模拟,采用标准k-ε湍流模型,在湍动能k方程的基础上,引入湍动耗散率ε方程建立封闭的数学模型,其中湍流动能方程[13]为

式中,Gk为由平均速度梯度引起的湍动能的产生项; Gb为由浮力引起的湍动能的产生项;YM为可压缩湍流中脉动扩张的贡献;C1ε,C2ε和C3ε为经验常数;σk和σε分别为与湍动能和耗散率对应的Prandtl数;Sk和Sε为用户定义的源项。

模型选择Pressure-Swirl Atomizer(压力旋转雾化喷嘴)作离散相喷射源,用液滴的最可几分布直径以及分布指数来确定液滴的Rosin-Rammler分布[14], Rosin-Ramm ler分布是以累积体积分布来表达的,可用式(3)描述。

式中,Vc为粒径在D以下的所有颗粒的体积与总体积的比值;D为雾滴粒径;n为均匀度指数;c为常数。

为了与实验数据更好的拟合,Rizk和Lefebvre等[15]对Rosin-Rammler分布进行了修正,修正后的表达式为

求解得到整个工作面通风流场的速度矢量,如图4所示。风流进入工作面后,受到液压支柱的阻碍作用,在其附近呈现绕流流动,导致风流速度减小,模型中距离风流入口最远处的液压支柱附近风流速度减小到了0.2 m/s左右。在采煤工作面内,采煤机阻碍了风流运动,并且占据了一部分截割段巷道空间内的体积,促使风流速度有所增加,在采煤机机身附近风流速度大约为2.64 m/s。由于风流在截割段冲击煤壁和采煤机滚筒,致使滚筒附近产生了回流区和涡流区,整个巷道内风流平均速度为1.8 m/s左右,符合《煤矿安全规程》[16]中规定的0.25～4.0 m/s之内。

图4 通风流场的速度矢量Fig.4 Velocity vectorgraph of ventilation flow field

3 喷雾参数对雾滴粒径的影响分析

3.1 喷雾压力对雾滴粒径的影响

当喷嘴口径为1.5 mm、喷雾扩散角为60°时,对其分别施加3,6和8 MPa的压力。利用采样截面对喷雾颗粒进行采样统计,得到雾滴平均粒径Y向分布情况,如图5所示。由图5可见,压力越大,喷嘴喷出的雾滴粒径越小,不同压力下雾滴粒径沿程分布变化趋势相同,且压力越高,雾滴粒径沿程分布越均匀,雾滴粒径随着距离煤壁越来越近而逐渐变大,低压下雾滴粒径沿程增大趋势要大于高压喷雾下的情况。

选定F截面作为采样截面,对截面上雾滴粒径大小进行统计,统计结果如图6所示。当压力为3,6和8 MPa时,在直径60～160μm范围内的雾粒分别占采样数据总数的78%,82%和74%。从粒径分布的集中区域及其所占的百分比可以看出,随着喷雾压力的增加,雾粒直径分布集中区域有逐渐向小粒度范围集中的趋势。

图5 不同压力下雾滴粒径沿Y向分布Fig.5 Diameter distribution along the Y direction of different pressures

图6 F截面上雾粒直径的统计分布Fig.6 Diameter’s statistical distribution of spray particles at F section

3.2 喷嘴口径对雾滴粒径的影响

对口径分别为1.0,1.2和1.5 mm的喷嘴(喷雾扩散角均为60°)分别施加3,4,5和6 MPa的喷雾压力,统计得到B截面在不同喷嘴口径下的雾滴粒径见表1。其中大口径喷嘴的雾滴粒径较大,但在相同压力下,随着喷嘴口径的增大,雾滴粒径的增幅逐渐减小;随着喷雾压力的提高,雾滴粒径随口径增大而增大的幅度也逐渐减缓。

表1 不同喷嘴口径下的雾滴粒径Table 1 Diameter of spray par ticles of d ifferent nozzle caliber

3.3 雾化扩散角对雾滴粒径的影响

对口径为1.0 mm、喷雾扩散角分别为30°,60°和75°的喷嘴均施加3 MPa的压力。选取B采样平面进行采样统计,得到在不同喷雾扩散角度下的雾滴平均粒径以及喷雾颗粒沿Y轴的平均速度见表2。雾滴粒径随着喷雾扩散角度的增加而减小,喷雾扩散角的增大,加大了喷嘴雾化的扩散区域,同时扩大了多个喷嘴之间的喷雾重叠区,使更多的喷雾颗粒发生碰撞产生碎裂,进而导致了喷雾粒径的减小。随着喷雾扩散角的增大,在整体坐标系下雾滴沿Y轴的运动速度减小,但是减小的幅度很小。由于Y轴方向并不是喷雾轴线的方向,因此,在B采样平面处,随雾化角的增大,雾滴沿Y轴方向的运动速度变化不是很明显。

表2 不同喷雾扩散角下的雾滴粒径及速度Table2 Diameter and velocity of spray particles under different diffusion angles

4 喷雾参数对雾化浓度的影响分析

4.1 喷雾压力对雾化浓度的影响

对口径为1.0 mm、喷雾扩散角60°的喷嘴,分别施加3和6 MPa的压力,得到喷嘴雾化浓度如图7所示。由图7可见,采煤机摇臂外喷雾可以较好的将粉尘抑制在产尘源处,当压力为3 MPa时,雾化区域周边浓度较低,只有4.56 g/m3,但区域内的最大浓度达到了91.2 g/m3,整体浓度主要集中在27.3～63.8 g/m3;当压力达到6 MPa时,喷雾区域的雾化浓度更加的均匀,其浓度分布规律与3 MPa时大致相同,都是中间部分浓度高,周边浓度低,但随着压力的增高,喷雾区域的整体浓度也随之增加,整体浓度的大小主要集中在36～72 g/m3。

4.2 喷嘴口径对雾化浓度的影响

对口径分别为1.0和1.2 mm的喷嘴(喷雾扩散角均为60°)施加3 MPa的压力。选取F截面作为观察平面,得到不同喷嘴口径下的雾化浓度,如图8所示。由图8可见,当压力及雾化扩散角相同时,口径为1.0 mm的喷嘴其雾化浓度高于口径为1.2 mm的喷嘴。喷嘴口径为1.0 mm时,雾流较为紧密,喷雾区的中心处出现了高浓度区,且喷雾区的整体浓度变化梯度比较明显;当喷嘴口径为1.2 mm时,雾流较为分散,喷雾区的浓度分布相对均匀,没有出现明显的梯度变化。这主要是由于大口径喷嘴的雾化液滴具有较大粒径,在喷雾过程中没有进一步破碎,进而降低了喷雾区的浓度。

4.3 喷雾扩散角对雾化浓度的影响

图7 不同压力下喷嘴雾化浓度Fig.7 Atomizing concentration of different pressures

图8 不同喷嘴口径在F截面处的雾化浓度Fig.8 Atomizing concentration of different calibers at F section

对口径为1.0 mm、喷雾扩散角分别为30°和75°的喷嘴施加3 MPa的压力,得到喷嘴雾化浓度如图9所示。由图9可见,随着喷雾扩散角度的增大,喷雾区域体积增加,雾化浓度逐渐均匀。喷雾扩散角为30°时,雾流较细,在喷嘴出口较远处各喷嘴的雾流开始重叠,摇臂上侧与下侧雾化区域中心处浓度分布较高,最大浓度达到98.2 g/m3;当雾化角度为75°时,雾流在离开喷嘴不远处开始重叠,雾滴发生激烈碰撞进而破碎,使雾化区域浓度分布较为均匀,且雾化区域体积明显增大,同时由于雾滴破碎成了较小液滴,在雾化区域周边有部分液滴颗粒产生了比较明显的飘散现象。

5 结 论

图9 不同扩散角下的雾化浓度Fig.9 Atom izing concentration of different diffusion angles

(1)由于受到液压支柱和采煤机等设备的阻碍,巷道内的风流呈现出不均匀分布,其中在出风口液压支柱处风速减小到了0.2 m/s左右,采煤机处风速为2.64 m/s左右,在滚筒附近产生了回流区和涡流区;整个巷道内风流平均速度在1.8 m/s左右,符合《煤矿安全规程》的规定。

(2)随着喷雾压力增加,雾粒分布集中区域出现逐渐向小粒度范围集中的趋势,同时喷雾区域也会增大,且分布更加均匀。小口径喷嘴因雾滴粒径较小而使雾化浓度较高,但大口径喷嘴所形成的雾化区域浓度更加均匀,捕集面积更大,粒径增大的幅度随口径的增加逐渐趋于平缓。小扩散角下的雾流较细,雾粒速度相对较大;大扩散角下的液膜破碎更加完全,使得其捕集范围较大,雾流浓度分布均匀,但雾滴速度较小。在实际的生产中,根据不同喷雾参数下雾滴粒径和雾化浓度的变化规律,对相关参数进行合理匹配,可以提高喷雾降尘效率。

(3)基于本文提出的研究方法,可为采煤机外喷雾系统的优化设计和性能评价提供技术支持,同时也为提高外喷雾降尘效率、降低采煤工作面粉尘浓度、减少呼吸性粉尘的危害提供参考。

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Numerical simulation of shearer external spray system

ZHAO Li-juan1,TIAN Zhen1,WANG Ye2
(1.College ofMechanical Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2.Shenyang Aerospace Xinguang Group Co.,Ltd.,Shenyang 110043,China)

In order to improve the shearer external spray system performance and environment ofworking face,amodel ofmechanized coal face was established by the union of Pro/E and GAMBIT,a standard k-εturbulence flow model was selected to build the external flow field of shearer,the average speed of ventilation in roadway was about1.8 m/ s,itwas comply with the provisions of the Safety Standard of Coal Mine.The numerical simulation of shearer external spray situation wasestablished by the software FLUENT,the law of the influence about the effectof parameter variation to spray was obtained through the changes of nozzle caliber,spray pressure and diffusion angle.As the spray pressure increase,the diameter decreases and the spray concentration distribution ismore uniform;Small-bore nozzle’s concentration is higher,large-bore nozzle’s concentration is uniform and trapping area is large;the fog particles velocity with small diffusion angle is opposite bigger,the spray concentration distribution with large diffusion angle ismore uniform, but its penetration is poor.The result provides foundation for improving the efficiency of shearer spraying dust and reducing the coalface dust concentration.

shearer;external spray;diameter;atomizing concentration;numerical simulation

TD421.6

A

0253-9993(2014)06-1172-05

赵丽娟,田 震,王 野.采煤机外喷雾系统数值模拟研究[J].煤炭学报,2014,39(6):1172-1176.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0981

Zhao Lijuan,Tian Zhen,Wang Ye.Numerical simulation of shearer external spray system[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6): 1172-1176.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0981

2013-07-10 责任编辑:许书阁

中国煤炭工业科技计划资助项目(MTKJ2009-264)

赵丽娟(1964—),女,辽宁阜新人,教授,博士生导师。Tel:0418-3352413,E-mail:zlj2120@163.com。通讯作者:田 震(1987—),男,安徽界首人,博士研究生。E-mail:lntutian2008@126.com