硐室車輛尾氣污染物擴(kuò)散特性研究

張 宏，張金貴，馬 亮，暴海英，陳照杰，張 偉，葉宇希，趙俊偉

(1.陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083；3.神木市能源局，陜西 榆林 719000；4.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232000；5.山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東青島 266590)

隨著煤礦開采技術(shù)迅速發(fā)展，各煤礦開采的機(jī)械化程度加深，對(duì)各種車輛的使用量增大[1-4]，但各種車輛產(chǎn)生的尾氣若處理不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的尾氣污染[5，6]，對(duì)煤礦工人的身體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害[7]，其中無軌膠輪車作為礦井中最常見交通工具，其產(chǎn)生的尾氣已成為井下尾氣污染的主要來源。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)井下燃油車尾氣污染規(guī)律研究已取得了一些成果[8，9]，趙普生、呂智海研究了礦用防爆柴油車排放的尾氣中含有的CO2、H2O、CO、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物、SO2、顆粒物和醛類等組分對(duì)人體的危害作用[10]；2012年，李紅軍、吳玉文研究了井下無軌膠輪車配風(fēng)量的幾種計(jì)算方法并以棗泉煤礦為例進(jìn)行了計(jì)算分析[11]；2014年，贠少強(qiáng)研究了井下防爆柴油車排放得到尾氣的危害，并提出了相應(yīng)的對(duì)策及防范措施[12]；2015年，王登山根據(jù)相似理論以陜西紅石巖煤礦為藍(lán)本研究了不同條件下CO、CO2及CH4等在巷道中的分布情況[13]；2017年，宋建村、姜坤序研究了溜礦井的產(chǎn)塵問題及治理措施，并揭示了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的柴油尾氣問題以及解決辦法[14]。國內(nèi)針對(duì)硐室內(nèi)怠速車輛尾氣研究成果比較少，尤其巷道中不同風(fēng)流場(chǎng)影響下車輛尾氣污染物擴(kuò)散與污染規(guī)律不夠清晰。本文結(jié)合數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)綜合方法，以紅柳林煤礦25211工作面硐室作為研究對(duì)象，以期獲得風(fēng)流場(chǎng)影響下無軌膠輪車停靠在硐室中尾氣污染物擴(kuò)散機(jī)制，為提出針對(duì)性防治與控制措施提供理論依據(jù)。

1 連續(xù)相風(fēng)流模型構(gòu)建

硐室內(nèi)風(fēng)流采用歐拉方法進(jìn)行描述，其運(yùn)動(dòng)遵從流體力學(xué)基本定律，連續(xù)性方程可被表達(dá)為以下形式[15-17]：

(1)

式中，Sm表示源項(xiàng)，可通過用戶自定義的方式進(jìn)行添加。

由于硐室環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，風(fēng)流場(chǎng)內(nèi)湍流效應(yīng)較強(qiáng)，局部區(qū)域的雷諾數(shù)高達(dá)106以上，選取合適的風(fēng)流湍流模型尤為重要[18，19]。目前可用于求解湍流流動(dòng)的數(shù)值模擬方法主要有兩種——直接數(shù)值模擬法(DNS)和非直接數(shù)值模擬法，其中后者又包括了雷諾平均法(RANS)和大渦模擬法，在工程領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的是雷諾平均法，在本文的數(shù)值模擬中也選用這種方法。上述方程組利用Realizablek-ε模型進(jìn)行封閉，k方程見式(2)、ε方程見式(3)[20-22]。

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(2)

(3)

車輛尾氣污染物中包含多種組分，每種組分占尾氣污染物的比重不同，且各組分間的化學(xué)生成率為零，故選用可求解組分運(yùn)輸過程的無反應(yīng)組分運(yùn)輸模型，組分輸送模型中遵循組分守恒定律，見式(4)：

(4)

(5)

式中，Sct為湍流的施密特?cái)?shù)；Dt，i為熱擴(kuò)散系數(shù)；Di·m為質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)；μt為湍流粘度。車輛排放的尾氣在空氣中的擴(kuò)散可用高斯模型來描述，擴(kuò)散方程如式(6)：

(6)

式中，C(x，y，z)為空間點(diǎn)處尾氣的濃度；Q為尾氣釋放速率；H為高度；Σ為擴(kuò)散參數(shù)；u為風(fēng)速。

2 硐室尾氣擴(kuò)散物理模型構(gòu)建

2.1 幾何模型及網(wǎng)格

紅柳林煤礦25211工作面硐室長12m、寬5m、高4.2m，利用SolidWorks軟件建立無軌膠輪車?？坑陧鲜抑械奈锢砟Ｐ?。車輛為國三WC19R(A)防爆無軌膠輪人車，外形尺寸為6m×1.97m×2.26m，車輛距離硐室尾部4.0m，此時(shí)車輛排氣口距離硐室尾部4.7m，并于巷道中設(shè)立直徑為1000mm的柔性正壓阻燃風(fēng)筒及DSJ100/100/200帶式輸送機(jī)。

因模型的局部復(fù)雜性，采用質(zhì)量更高適應(yīng)性更強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。其中，全局網(wǎng)格系數(shù)設(shè)為0.35，并根據(jù)模型局部細(xì)節(jié)進(jìn)一步實(shí)施加密，劃分結(jié)果中網(wǎng)格質(zhì)量均高于0.25，最小網(wǎng)格為4.177786×10-8m3，最大網(wǎng)格為8.587842×10-3m3，網(wǎng)格數(shù)量為2.458721×107，無負(fù)體積網(wǎng)格出現(xiàn)，劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1 無軌膠輪車仿真模型

2.2 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

按照紅柳林煤礦25211工作面巷道實(shí)際情況，將巷道入口及車輛排氣口設(shè)置為Velocity_Inlet，將巷道出口設(shè)置為Pressure_Outlet。因車輛排放尾氣成分復(fù)雜，包括一氧化碳、氮氧化物、碳?xì)浠衔?、二氧化硫、多環(huán)芳烴、乙炔等有害物質(zhì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況考慮，選取尾氣成分中三種主要成分CO、NO、NO2進(jìn)行研究分析。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速儀實(shí)際測(cè)得巷道進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為0.5m/s，溫度濕度計(jì)實(shí)際測(cè)得現(xiàn)場(chǎng)溫度為11.0℃、濕度為28.0%，并按照氣體檢測(cè)儀測(cè)得數(shù)據(jù)，設(shè)置車輛排放尾氣中CO為366.40×10-6、NO為147.16×10-6、NO2為73.56×10-6，風(fēng)流場(chǎng)采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算，尾氣污染物擴(kuò)散與污染采用瞬態(tài)計(jì)算，主要參數(shù)見表1。

表1 主要參數(shù)設(shè)定

3 風(fēng)流對(duì)硐室尾氣污染物影響規(guī)律分析

采用ANSYS Fluent軟件獲得了不同巷道風(fēng)速影響下車輛尾氣污染物的擴(kuò)散結(jié)果，選取距巷道底板1.5m呼吸道高度截面進(jìn)行分析，并在車輛兩側(cè)分別設(shè)置距底板1.5m、距膠輪車0.5m從硐室口至硐室尾部測(cè)線兩條，測(cè)線上均勻布置30個(gè)測(cè)點(diǎn)，以測(cè)取各點(diǎn)的濃度值。此外，在硐室內(nèi)設(shè)置水平、垂直間距均為1.0m的16根測(cè)線，獲得間隔1.0m空間的184個(gè)測(cè)點(diǎn)，得到截面、測(cè)點(diǎn)及兩測(cè)線測(cè)取的不同尾氣組分濃度。

3.1 硐室中尾氣擴(kuò)散規(guī)律

在怠速狀態(tài)下無軌膠輪車尾氣濃度受巷道風(fēng)速影響結(jié)果如圖2所示，對(duì)比風(fēng)速為0.25m/s和4.0m/s時(shí)的濃度分布規(guī)律可知，距離排氣管出口處越近，尾氣濃度越高。隨著巷道風(fēng)速的增加，硐室內(nèi)渦流場(chǎng)風(fēng)速也相應(yīng)增加，導(dǎo)致硐室中空氣循環(huán)頻率加快，尾氣難以聚集，硐室內(nèi)尾氣濃度有所降低。在巷道風(fēng)速為0.25m/s時(shí)，巷道內(nèi)風(fēng)速較低，車輛尾氣未受到顯著的巷道負(fù)壓卷吸作用，尾氣聚集在車輛尾部，如圖2(a)(b)(c)所示；當(dāng)巷道風(fēng)速達(dá)到4.0m/s時(shí)，巷道內(nèi)風(fēng)流慣性較大、動(dòng)能較高，部分風(fēng)流運(yùn)移至硐室右壁發(fā)生碰撞后仍保持較高風(fēng)速，自硐室右側(cè)流入左側(cè)流出，致使硐室內(nèi)風(fēng)流形成渦流場(chǎng)，尾氣在渦流場(chǎng)影響下向硐室口擴(kuò)散程度升高，硐室內(nèi)尾氣濃度趨于均勻，具體如圖2(d)—圖2(f)所示。

圖2 硐室內(nèi)尾氣濃度分布及風(fēng)流矢量圖

通過對(duì)比CO、NO、NO2在硐室內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律，發(fā)現(xiàn)三種氣體的擴(kuò)散規(guī)律比較相似，三種氣體在硐室內(nèi)的分布主要存在濃度差異?？紤]到CO、NO相對(duì)分子質(zhì)量分別為28、30，與空氣的相對(duì)分子質(zhì)量相近，而NO2相對(duì)分子質(zhì)量為46，比空氣的相對(duì)分子質(zhì)量大，究其原因?yàn)槟z輪車在怠速狀態(tài)下所產(chǎn)生尾氣占空氣比重極小，尾氣濃度較低，重力作用不占主導(dǎo)地位，尾氣中氣體趨向于均一混合狀態(tài)，其擴(kuò)散規(guī)律受重力作用影響不夠顯著。

3.2 硐室內(nèi)NO2濃度分布

結(jié)合煤礦安全規(guī)程尾氣濃度要求，分析不同巷道風(fēng)速影響下硐室內(nèi)NO2濃度分布，如圖3—圖7所示。從不同風(fēng)速影響下硐室內(nèi)NO2分布結(jié)果可知：在風(fēng)速為0.25m/s時(shí)，尾氣主要積聚在車輛尾部，濃度達(dá)到0.50×10-6以上，向硐室口擴(kuò)散現(xiàn)象不顯著；當(dāng)風(fēng)速超過1.0m/s時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，尾氣受硐室內(nèi)橫向渦流影響增強(qiáng)，NO2隨渦流場(chǎng)經(jīng)車輛左側(cè)流入巷道及車輛右側(cè)，向硐室口擴(kuò)散現(xiàn)象逐漸顯著，硐室其他區(qū)域濃度趨于均勻，車輛尾部大部分區(qū)域NO2濃度逐漸減小至0.10×10-6以下。車身左后方區(qū)域尾氣濃度始終高于其余位置，主要是由于尾氣受硐室內(nèi)順時(shí)針方向渦流場(chǎng)影響，聚集位置自車輛正后方發(fā)生偏移，且在此區(qū)域存在一個(gè)較大的渦流區(qū)域，流線封閉，NO2流動(dòng)較困難，易導(dǎo)致NO2大量積聚。

圖3 風(fēng)速為0.25m/s時(shí)NO2濃度分布

圖4 風(fēng)速為4.0m/s時(shí)NO2濃度分布

圖5 NO2散點(diǎn)數(shù)量所占百分比隨風(fēng)速變化曲線

圖6 不同風(fēng)速車輛左側(cè)NO2濃度折線

圖7 不同風(fēng)速車輛右側(cè)NO2濃度折線

隨著巷道入口風(fēng)速由0.25m/s增加至4.0m/s，進(jìn)入硐室的風(fēng)流流動(dòng)速度加快，同時(shí)在硐室內(nèi)渦流的作用下，車輛尾氣趨于向外部擴(kuò)散，硐室內(nèi)所有區(qū)域NO2濃度均低于2.50×10-6，風(fēng)速為0.25m/s時(shí)NO2濃度超過2.50×10-6的區(qū)域?yàn)?.26%，NO2濃度超過1.0×10-6的區(qū)域從5.98%降低為1.63%，且濃度最高值從22.41×10-6降低至2.36×10-6，降幅為89.47%，平均值從0.54×10-6降低至0.33×10-6，降幅為38.89%。如圖5所示，硐室內(nèi)的NO2濃度低于1.0×10-6所占的比例越大，表示氣體在硐室內(nèi)擴(kuò)散的越均勻。

當(dāng)巷道入口風(fēng)速在0.25～1.0m/s范圍內(nèi)時(shí)，隨著巷道風(fēng)速的增加，硐室內(nèi)渦流場(chǎng)風(fēng)速增大，聚集在車輛尾部的尾氣在硐室中進(jìn)一步擴(kuò)散，使得高于2.50×10-6的區(qū)域減少。但隨著巷道風(fēng)速的進(jìn)一步增大，車輛左側(cè)風(fēng)流與巷道風(fēng)流速度差明顯，硐室左側(cè)與巷道間氣壓低于硐室內(nèi)其余位置，且巷道進(jìn)入硐室的有效風(fēng)增加，車輛排放的尾氣順應(yīng)此趨勢(shì)向巷道中擴(kuò)散越發(fā)顯著，大部分尾氣未在硐室內(nèi)進(jìn)行充分?jǐn)U散便進(jìn)入巷道中，NO2在硐室內(nèi)的擴(kuò)散程度降低，使得98%以上的區(qū)域尾氣濃度均低于1.0×10-6。巷道風(fēng)速與尾氣濃度等級(jí)I和II的擬合公式分別為：C(NO2)=97.1-21.35V+13.38V2-2.0V3，C(NO2)=-1.18+20.0V-11.45V2+1.66V3，等級(jí)Ⅰ和Ⅱ的R2分別為0.91和0.90，擬合曲線如圖5所示。

由圖6—圖7可知，車輛左側(cè)NO2濃度大致呈先增加后減少趨勢(shì)。NO2從排氣管中排出時(shí)，其濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周圍空氣中的濃度，由于氣體在擴(kuò)散的過程中總是遵循菲克定律，從高濃度向低濃度擴(kuò)散，以減弱這種濃度不均勻的趨勢(shì)。在距硐室口9.0～10.0m左右達(dá)到峰值，風(fēng)速為0.25m/s時(shí)距硐室口9.52m處達(dá)到峰值15.43×10-6，當(dāng)風(fēng)速增加至4.0m/s，NO2濃度均趨于1.0×10-6以下；車輛右側(cè)NO2濃度大致呈先增加后減少趨勢(shì)，在距硐室口0～2.0m范圍達(dá)到峰值，風(fēng)速為0.25m/s時(shí)NO2濃度分布較為均勻，風(fēng)速超過1.0m/s時(shí)，隨著風(fēng)速增加，濃度大致呈減少趨勢(shì)，1.0m/s時(shí)距硐室口1.24m處達(dá)到峰值0.47×10-6。

3.3 硐室內(nèi)CO、NO濃度分布

無軌膠輪車排放尾氣組分中除了比空氣重的NO2以外，還存在與空氣分子質(zhì)量相似的CO和NO，對(duì)硐室內(nèi)不同巷道入口風(fēng)速影響下CO分布情況進(jìn)行分析，如圖8—圖15所示。由圖8、圖9可知：在風(fēng)速為0.25m/s時(shí)，受到低風(fēng)速影響下車輛后方尾氣主要集中在車輛尾部，濃度達(dá)到15.0×10-6以上，向硐室口擴(kuò)散現(xiàn)象不顯著；當(dāng)風(fēng)速超過1.0m/s時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，尾氣受硐室內(nèi)橫向渦流影響增強(qiáng)，CO經(jīng)車輛左側(cè)流入巷道及車輛右側(cè)，向硐室口擴(kuò)散現(xiàn)象逐漸顯著，硐室其他區(qū)域濃度趨于均勻，車輛尾部大部分區(qū)域CO濃度逐漸減小至10.0×10-6以下。

圖8 風(fēng)速為0.25m/s時(shí)CO濃度分布

圖9 風(fēng)速為4.0m/s時(shí)CO濃度分布

圖10 CO散點(diǎn)數(shù)量所占百分比隨風(fēng)速變化曲線

圖11 不同風(fēng)速車輛左側(cè)CO濃度折線

圖12 不同風(fēng)速車輛右側(cè)CO濃度折線

圖13 NO散點(diǎn)數(shù)量所占百分比隨風(fēng)速變化曲線

圖14 不同風(fēng)速車輛左側(cè)NO濃度折線

圖15 不同風(fēng)速車輛右側(cè)NO濃度折線

由圖10可知，隨著巷道入口風(fēng)速由0.25m/s增加至4.0m/s，硐室內(nèi)CO濃度超過24.0×10-6的區(qū)域從1.63%降低至0，濃度超過1.0×10-6的區(qū)域從14.67%增加至79.89%，且濃度最高值從111.62×10-6降低至11.77×10-6，降幅為89.46%，平均值從2.71×10-6降低至1.65×10-6，降幅為39.11%，表明隨著巷道內(nèi)的風(fēng)速不斷增加，硐室內(nèi)CO的擴(kuò)散程度升高。

從不同風(fēng)速影響下硐室內(nèi)CO折線圖可知：車輛左側(cè)CO濃度大致呈先增加后減少趨勢(shì)，在距硐室口7.0～11.0m左右達(dá)到峰值，風(fēng)速為0.25m/s時(shí)距硐室口9.52m處達(dá)到峰值76.83×10-6，當(dāng)風(fēng)速增加至4.0m/s，CO濃度均趨于8.0×10-6以下；車輛右側(cè)CO濃度大致呈先增加后減少趨勢(shì)，在距硐室口0.0～2.0m范圍達(dá)到峰值，風(fēng)速為0.25m/s時(shí)CO濃度分布較為均勻，風(fēng)速超過1.0m/s時(shí)，隨著風(fēng)速增加，其濃度大致呈減少趨勢(shì)，1.0m/s時(shí)距硐室口1.24m處達(dá)到峰值2.36×10-6。

下面對(duì)NO的模擬結(jié)果進(jìn)行分析研究，如圖13—圖15所示。從不同風(fēng)速影響下硐室內(nèi)NO濃度分布圖可知：硐室內(nèi)NO濃度分布規(guī)律與CO基本一致，但因組分占比不同，硐室內(nèi)NO濃度值與CO差異較大。隨著巷道入口風(fēng)速由0.25m/s增加至4.0m/s，硐室內(nèi)NO濃度超過1.63×10-6的區(qū)域從8.15%降低為2.72%，NO濃度超過1.0×10-6的區(qū)域從10.32%降低為9.24%，且NO濃度最高值從44.83×10-6降低至4.73×10-6，降幅為89.45%，平均值從1.09×10-6降低至0.66×10-6，降幅為39.45%。由于NO和NO2在尾氣中所占的比例相似，且都遠(yuǎn)小于CO所占的比例，因此硐室內(nèi)的NO的氣體擴(kuò)散規(guī)律與NO2相似。

從不同風(fēng)速影響下硐室內(nèi)NO濃度折線圖可知：車輛兩側(cè)NO濃度分布規(guī)律與CO基本一致，車輛左側(cè)NO濃度在風(fēng)速為0.25m/s時(shí)距硐室口9.52m處達(dá)到峰值30.86×10-6，車輛右側(cè)NO濃度在1.0m/s時(shí)距硐室口1.24m處達(dá)到峰值0.95×10-6。

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

為確保數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，采取現(xiàn)場(chǎng)采樣測(cè)量尾氣濃度以驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性。使用三合一氣體檢測(cè)儀測(cè)量并每分鐘記錄一次各測(cè)點(diǎn)處的CO、NO、NO2濃度，使用卷尺確定儀器放置位置，使用風(fēng)速儀和溫度濕度計(jì)測(cè)量風(fēng)速、溫度及濕度。其測(cè)量方法為：車輛抵達(dá)15206內(nèi)撤架巷后熄火，10min后測(cè)量環(huán)境初始參數(shù)，包括環(huán)境風(fēng)速、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、尾氣各組分濃度等。以車輛排氣口為原點(diǎn)，以車輛車尾朝向?yàn)檎较?，在距離原點(diǎn)0m、3.0m、5.0m處各放置一臺(tái)檢測(cè)儀，之后同時(shí)啟動(dòng)儀器及車輛，使車輛原地怠速運(yùn)行，記錄各測(cè)點(diǎn)處CO、NO、NO2濃度，見表2。

表2 尾氣檢測(cè)數(shù)據(jù)表

將現(xiàn)場(chǎng)尾氣濃度均值與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，距原點(diǎn)0m、3.0m和5.0m處尾氣模擬最大相對(duì)誤差為21.0%、23.7%和23.1%，其中NO氣體的數(shù)據(jù)相對(duì)誤差最小，考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，認(rèn)為模擬結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)陜北礦業(yè)紅柳林公司25211工作面煤礦硐室中車輛尾氣排放，連續(xù)相組分輸送模型并開展模擬研究，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)尾氣濃度相對(duì)誤差在23.7%以下，并得到結(jié)論如下：

1)氣體在擴(kuò)散的過程中總是遵循菲克定律，在風(fēng)速為0.25m/s時(shí)，在低風(fēng)速影響下尾氣主要集中在車輛尾部，濃度達(dá)到限值以上，向硐室口擴(kuò)散現(xiàn)象不顯著；當(dāng)風(fēng)速超過1.0m/s時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，尾氣受到硐室內(nèi)橫向渦流影響增強(qiáng)，尾氣經(jīng)車輛左側(cè)流入巷道及車輛右側(cè)，向硐室口擴(kuò)散現(xiàn)象逐漸顯著，硐室其他區(qū)域濃度趨于均勻，車輛尾部90%以上區(qū)域尾氣濃度逐漸減少至1.0×10-6以下。

2)在風(fēng)速為0～1.0m/s范圍內(nèi)NO、NO2受到硐室口處負(fù)壓作用的影響較大，導(dǎo)致其在硐室內(nèi)擴(kuò)散程度降低，8.15%的區(qū)域NO濃度高于1.63×10-6，3.26%的區(qū)域NO2濃度高于2.5×10-6；而CO的擴(kuò)散幾乎不受硐室渦流作用的影響，隨著巷道內(nèi)風(fēng)速的不斷增大，氣體在硐室內(nèi)的擴(kuò)散程度升高，當(dāng)風(fēng)速為0.25m/s，硐室內(nèi)1.63%的區(qū)域CO濃度高于24.0×10-6，在風(fēng)速達(dá)到4.0m/s時(shí)，硐室內(nèi)所有區(qū)域CO濃度均低于24.0×10-6，同時(shí)獲得了三種氣體的擬合函數(shù)關(guān)系。當(dāng)巷道入口風(fēng)速為2.0m/s時(shí)，可保證硐室內(nèi)主要尾氣組分濃度符合要求。