露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)壓風(fēng)射流驅(qū)霧效果數(shù)值模擬

楊小彬， 孫秋迪， 慕蘭蘭， 裴艷宇， 吳佳寧， 程虹銘

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院， 北京 100083)

露天礦冬季鏟裝作業(yè)點(diǎn)易產(chǎn)生大量濃霧，霧氣長時(shí)間滯留在作業(yè)空間內(nèi)，難以短時(shí)間內(nèi)消散，這將降低露天礦作業(yè)空間的能見度，影響作業(yè)人員工作視線，導(dǎo)致嚴(yán)重的安全隱患。因此，采取相關(guān)措施驅(qū)除露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)的濃霧具有重要的實(shí)際意義。

許多學(xué)者針對產(chǎn)霧機(jī)理以及霧氣消散進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了一些有意義的成果，秦憲禮等[1]分析了東榮二礦井霧氣成因并提出治理霧氣的措施；肖翔等[2]利用Fluent模擬分析了研究霧化室霧氣濃度分布；孫寶芝等[3]利用熱力學(xué)原理分析海水巷道內(nèi)霧氣形成機(jī)制，指出霧氣形成的主要形式，提出消霧的綜合方法并應(yīng)用于工程實(shí)際；龍久生[4]研制出紅外線與超聲波雙重控制的自動(dòng)風(fēng)門控制豎井中的水霧；谷正氣等[5]采用計(jì)算流體力學(xué)和優(yōu)化算法相集成的方法研究某車型前擋風(fēng)玻璃除霜除霧性能的改進(jìn)。但這些研究只針對礦井、地下海水巷道、汽車擋風(fēng)玻璃等提出產(chǎn)霧機(jī)理以及除霧措施，現(xiàn)有的驅(qū)霧技術(shù)措施無法有效實(shí)現(xiàn)露天礦半開放空間短時(shí)濃霧驅(qū)散，考慮露天礦實(shí)際生產(chǎn)工藝及冬季濃霧產(chǎn)生特點(diǎn)，提出采用人工干預(yù)露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)流場為主的濃霧驅(qū)散技術(shù)-壓風(fēng)射流驅(qū)霧技術(shù)。

壓風(fēng)射流驅(qū)霧技術(shù)的關(guān)鍵是合理的壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)選擇和壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)現(xiàn)場安裝控制。射流風(fēng)機(jī)可用于鐵路和公路隧道的通風(fēng)[6]、排煙[7]以及煤礦除塵[8]等，但鮮見用于露天礦濃霧消散方面的報(bào)道。基于此，在提出采用壓風(fēng)射流驅(qū)霧技術(shù)方案基礎(chǔ)上，現(xiàn)建立露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)壓風(fēng)射流驅(qū)霧模型；在相同濃霧擴(kuò)散條件下，利用流體計(jì)算軟件ANSYS Fluent模擬壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)不同出口風(fēng)速、不同安裝數(shù)量及不同安裝角度對驅(qū)霧效果的影響，分析得出合理可行的壓風(fēng)射流驅(qū)霧方案，現(xiàn)場安裝試驗(yàn)驗(yàn)證該方案的可行性。

1 露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)壓風(fēng)射流驅(qū)霧效果分析模型

1.1 數(shù)值模型及網(wǎng)格剖分

露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)空氣流動(dòng)復(fù)雜，影響因素較多，為有效模擬露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)空氣流動(dòng)以及霧氣分布情況，對露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)的氣體流動(dòng)情況進(jìn)行簡化：假設(shè)露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)內(nèi)空氣流動(dòng)、壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)射流運(yùn)動(dòng)均為不可壓縮定常流動(dòng)；壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)假定為一個(gè)圓柱體，壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)噴口假設(shè)為均勻速度[9]。

以某露天礦為背景，采用ANSYS Workbench建立露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)壓風(fēng)射流驅(qū)霧模型，模型示意圖如圖1所示。整個(gè)驅(qū)霧模型大約呈長方體型，其中露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)的外輪廓的長、寬、高分別為30、15、20 m；壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)簡化為直徑為0.71 m、軸長1 m的圓柱，壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)距地面3 m，兩臺(tái)壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)之間的間距為10 m。

利用ANSYS中Mesh模塊對驅(qū)霧模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮計(jì)算機(jī)性能以及網(wǎng)格劃分精度問題[10]，露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)和壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)模型分別劃分網(wǎng)格，露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)劃分的單元尺寸為0.8 m，壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)劃分的單元尺寸為0.2 m，劃分方法為Automatic，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于會(huì)自動(dòng)根據(jù)露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)和壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)流場特點(diǎn)劃分為不同類型的網(wǎng)格，且在流場變形處自動(dòng)加密網(wǎng)格，適當(dāng)調(diào)整最大單元尺寸得到質(zhì)量較高的網(wǎng)格文件[11]。經(jīng)過查看網(wǎng)格質(zhì)量、網(wǎng)格劃分調(diào)整，并考慮計(jì)算問題，最終得到網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖1 露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)壓風(fēng)射流驅(qū)霧模型Fig.1 Fog dispersal model by compressed air jet at shovel loading operation point in open-pit mine

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.2 Meshing results

1.2 邊界條件

模型網(wǎng)格劃分完成后導(dǎo)入Fluent，根據(jù)鏟裝作業(yè)現(xiàn)場設(shè)置邊界條件以及霧源參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值模擬。

使用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，選用SSTK-ω湍流模型。露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)模型和壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)均設(shè)置為流體，流體介質(zhì)為空氣。露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)壓風(fēng)射流驅(qū)霧模型中，壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)出口所對的方向的壁面和右側(cè)壁面為煤體壁面，煤體壁面設(shè)為速度入口，其值為2 m/s；底面為碎煤地面，地面邊界設(shè)為wall；其余壁面邊界條件均設(shè)為開放出口，設(shè)為outflow；壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)出口均為速度入口，其值分別為39.7、35.8、28.5 m/s，湍流強(qiáng)度分別為2.5%、2.5%、2.6%，水力直徑均為0.71 m。打開離散相(discrete phase model，DPM)模式，DPM的邊界條件設(shè)置如下：壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)出口的DPM邊界條件設(shè)為escape，煤壁的DPM邊界條件設(shè)為reflect，地面的DPM邊界條件設(shè)為trap。相關(guān)離散相參數(shù)設(shè)定如表1所示。

2 不同參數(shù)對壓風(fēng)射流驅(qū)霧效果影響數(shù)值模擬分析

2.1 射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速對壓風(fēng)射流驅(qū)霧效果影響

為確定合理壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速，保證射流流場能達(dá)到臺(tái)階煤壁，即能保證射流流場達(dá)到煤壁時(shí)具有一定的流場速度，從而實(shí)現(xiàn)從射流分級出風(fēng)口到煤壁范圍內(nèi)的有效流場擾動(dòng)驅(qū)霧。為此，分別設(shè)置壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)的出口速度為39.7、35.8、28.5 m/s，模擬右邊風(fēng)機(jī)(風(fēng)機(jī)2)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)流場情況。壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)開啟后，壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)所在平面(z=3 m)的流場圖以及壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)的射流中心線所在位置露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)氣流速度變化曲線如圖3和圖4所示。

由圖3可以看出，大部分氣流在壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)入口處涌入風(fēng)機(jī)，小部分氣流不通過壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)，在壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)出口段與高速氣流匯聚形成新的氣流[12]。壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)的射流風(fēng)速呈均勻?qū)ΨQ分布，且向四周擴(kuò)散，從壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)出口到壁面沿射流方向下降，出口處的速度最大，煤壁面附近速度最小。通過圖3比較不同出口速度壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)開啟時(shí)的露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)空氣流動(dòng)情況可以看出：壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速越大其射流距離越遠(yuǎn)，射流作用于煤壁的有效范圍越大。

圖4 不同出口風(fēng)速的壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)的中心線所在位置氣流速度變化曲線圖Fig.4 Flow velocity change curve at center line of compressed air jets with different outlet wind speeds

不同出口風(fēng)速的壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)中心線所在位置露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)氣流速度變化曲線圖如圖4所示，不同的出口速度，速度衰減大致相同，初期流場速度衰減較快，后期衰減逐漸趨于平緩，但是出口速度為39.7 m/s的壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)中心線所在位置速度曲線明顯高于其他兩條，相同位置，開啟出口風(fēng)速為39.7 m/s的壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)時(shí)，露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)氣流速度更大，所以它的能量大，輸送能力更強(qiáng)，射流速度保持的距離更大[13]。由此看出射流能力強(qiáng)弱的順序依次為：出口風(fēng)速為39.7 m/s的壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)、出口風(fēng)速為35.8 m/s的壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)、出口風(fēng)速為28.5 m/s的壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)。

鏟車司機(jī)距離煤壁5 m，鏟車作業(yè)時(shí)，產(chǎn)生濃霧，露天礦作業(yè)環(huán)境可見度不足3 m，取y=13 m(距離煤壁2 m)垂直面霧的濃度變化情況檢驗(yàn)壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)的驅(qū)霧效果。不同出口風(fēng)速的壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)驅(qū)霧效果不同，不同出口風(fēng)速的壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)開啟時(shí)霧濃度變化對比圖如圖5所示。

圖5 不同出口風(fēng)速的壓風(fēng)射流驅(qū)霧效果對比云圖(y=13 m)Fig.5 Cloud diagram of fog dispersal effect of compressed air jet at different outlet wind speeds(y=13 m)

由圖5可知：壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)的驅(qū)霧范圍，形狀近似成圓形，與壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)的外輪廓相似。開啟壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)后，隨著壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)出口速度的增大，壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)的驅(qū)霧范圍半徑逐漸增大，驅(qū)霧范圍下限逐漸向地面靠近，司機(jī)能夠逐漸看清地面，驅(qū)霧效果逐漸提高。壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)出口速度越大，射流到達(dá)煤壁時(shí)速度越大，可以有效吹散濃霧，降低霧的濃度。綜合考慮壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)的作用范圍、射程以及驅(qū)霧效果，出口風(fēng)速為39.7 m/s的壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)輸送能力最強(qiáng)，驅(qū)霧范圍半徑最大，可達(dá)4 m，驅(qū)霧下限可到達(dá)地面，司機(jī)能夠看清地面，所以選擇出口風(fēng)速為39.7 m/s的壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)驅(qū)霧。

2.2 風(fēng)機(jī)數(shù)量對壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)驅(qū)霧效果影響

為保證鏟車司機(jī)左右視線范圍，在鏟車上同時(shí)開啟兩臺(tái)壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)，數(shù)值模擬其流場狀態(tài)和驅(qū)霧效果。兩臺(tái)出口風(fēng)速為39.7 m/s的壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟后風(fēng)機(jī)所在平面(z=3 m)的流場情況如圖6所示，可以看出壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)射流造成靠近煤壁氣流交匯，射流作用范圍較一臺(tái)壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)作用范圍明顯增大。

圖6 兩臺(tái)壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)平面流場云圖Fig.6 Cloud diagram of the plane flow field of two compressed air jets

風(fēng)機(jī)數(shù)量對驅(qū)霧效果的影響云圖如圖7所示，位置為y=13 m和z=3 m。從圖7可以看出：兩臺(tái)壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)安裝其驅(qū)霧范圍明顯增大，但兩臺(tái)風(fēng)機(jī)在煤壁處驅(qū)霧區(qū)域未能形成明顯重疊，難以達(dá)到良好的驅(qū)霧效果，甚至?xí)趦娠L(fēng)機(jī)間形成流場干擾而加劇濃霧聚集。

2.3 風(fēng)機(jī)安裝角度對壓風(fēng)射流驅(qū)霧效果影響

從上述模擬可以看出，兩臺(tái)壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)平行安轉(zhuǎn)時(shí)，未能造成流場明顯重疊，兩風(fēng)機(jī)間煤壁處驅(qū)霧效果欠佳。為此，嘗試偏轉(zhuǎn)壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)的安裝角度，即僅一臺(tái)壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)內(nèi)偏15°及兩臺(tái)壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)均內(nèi)偏15°的情況，模擬不同安裝角度對鏟裝作業(yè)點(diǎn)流場及驅(qū)霧效果的影響。

不同安裝角度下，壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)所在平面(z=3 m)鏟裝作業(yè)點(diǎn)流場對比云圖如圖8所示。由圖8可以看出：當(dāng)平行安裝兩臺(tái)風(fēng)機(jī)和僅內(nèi)偏一臺(tái)風(fēng)機(jī)的安裝方式時(shí)，其流場在煤壁前方及一定區(qū)域方位內(nèi)難以形成流場互相覆蓋；當(dāng)兩臺(tái)壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)均內(nèi)偏15°時(shí)，其流場在煤壁前方及一定區(qū)域方位內(nèi)能形成流場干擾，從而實(shí)現(xiàn)較好的驅(qū)霧效果。

壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)不同安裝角度下，y=13 m(距離煤壁2 m)垂直面和z=3 m(風(fēng)機(jī)所在平面)的驅(qū)霧效果對比云圖如圖9所示。由圖9可以看出，兩臺(tái)壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)平行安裝時(shí)，壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)射流水平射向煤壁，y=13 m垂直面上以射流中心為中心附近4 m左右的霧被驅(qū)散，但是兩風(fēng)機(jī)之間還有濃霧存在，且局部造成濃霧聚集加重現(xiàn)象；僅一臺(tái)壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)偏轉(zhuǎn)時(shí)，y=13 m垂直面上兩臺(tái)壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)之間的霧仍不能完全被驅(qū)散，但相比兩臺(tái)沒有偏角的壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)，兩臺(tái)壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)之間有霧的范圍縮??；當(dāng)兩臺(tái)壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)均內(nèi)偏15°時(shí)，兩臺(tái)壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的射流交匯疊加，送風(fēng)動(dòng)能增加，加速霧的驅(qū)散，y=13 m垂直面上兩風(fēng)機(jī)之間區(qū)域的霧都被驅(qū)散，鏟車司機(jī)視線在很大程度上得到提高。對此，當(dāng)兩臺(tái)壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)均內(nèi)偏15°時(shí)，驅(qū)霧效果最佳，能夠提高鏟車司機(jī)的視線。

圖7 兩臺(tái)壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)驅(qū)霧效果對比云圖Fig.7 Cloud diagram of fog dispersal effect comparison between single and two compressed air jets

圖8 不同安裝角度下壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)所在平面(z=3m)流場對比云圖Fig.8 Cloud diagram of the plane flow field(z=3m)of the compressed air jet at different installation angles

2.4 現(xiàn)場效果檢驗(yàn)

通過上述射流風(fēng)機(jī)出口速度的確定選擇了相應(yīng)的壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)，根據(jù)流場和驅(qū)霧效果確定了風(fēng)機(jī)數(shù)量和安裝方式。利用數(shù)值模擬結(jié)果(風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速39.7 m/s，兩臺(tái)射流風(fēng)機(jī)各內(nèi)偏15°安裝)在某露天鏟裝作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行了壓風(fēng)射流消霧方式的風(fēng)機(jī)安裝調(diào)試并進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，未開啟壓風(fēng)射流驅(qū)霧和開啟壓風(fēng)射流驅(qū)霧后的效果對比圖如圖10所示。從圖中可以看出，壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)安裝開啟后，鏟車前方霧氣明顯減少，鏟車司機(jī)視線與風(fēng)機(jī)所在平面相交區(qū)域霧被驅(qū)散，鏟車司機(jī)能夠較為清晰地看到鏟斗以及地面，作業(yè)環(huán)境良好。這也說明，采用壓風(fēng)射流的驅(qū)霧方式能在現(xiàn)場起到良好的驅(qū)霧作用，提高了鏟裝作業(yè)電鏟司機(jī)的作業(yè)視線，保證了鏟裝作業(yè)點(diǎn)鏟裝作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)了露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)冬季安全高效鏟裝作業(yè)。

圖9 壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)不同安裝角度下驅(qū)霧效果對比云圖Fig.9 Cloud diagram of fog dispersal effect comparison at different installation angles

圖10 現(xiàn)場壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)啟動(dòng)前后霧氣分布圖Fig.10 Fog distribution diagram before and after the compressed air jet is started

3 結(jié)論

(1)考慮露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)冬季產(chǎn)霧及流場特點(diǎn)，提出采用壓風(fēng)射流形成人工流場干預(yù)的驅(qū)霧方式。

(2)建立露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)壓風(fēng)射流驅(qū)霧模型，利用ANSYS Fluent軟件，模擬不同壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)出口速度、風(fēng)機(jī)數(shù)量及安裝角度對鏟裝作業(yè)點(diǎn)流場及驅(qū)霧效果的影響，分析得到：壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速為39.7 m/s，安裝數(shù)量為兩臺(tái)且安裝角度均內(nèi)偏15°時(shí)能起到良好的驅(qū)霧效果。

(3)將模擬得到的壓風(fēng)射流驅(qū)霧方案應(yīng)用到露天礦實(shí)際鏟裝作業(yè)中，進(jìn)行現(xiàn)場驅(qū)霧效果檢驗(yàn)，結(jié)果表明分析確定的壓風(fēng)射流驅(qū)霧方式及技術(shù)參數(shù)能夠有效解決鏟裝作業(yè)點(diǎn)的濃霧聚集問題。