露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)壓風(fēng)射流驅(qū)霧數(shù)值模擬研究

徐 煦，于海旭，杜勇志，閆海峰，李 強(qiáng)，于景斌，孫秋迪，楊小彬

（1.大雁公司（神寶能源）寶日希勒露天煤礦,內(nèi)蒙古 海拉爾 021008；2.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）

露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)冬季松散煤巖體內(nèi)含濕空氣與大氣溫度溫差大，且作業(yè)點(diǎn)有大量作為凝結(jié)核的粉塵，加之采場地勢低氣流慢，電鏟鏟裝作業(yè)時(shí)易產(chǎn)生強(qiáng)濃霧[1]。對(duì)于露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)強(qiáng)濃霧驅(qū)散問題及相關(guān)技術(shù)目前尚未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。為提高鏟裝司機(jī)視線及鏟裝作業(yè)效率，改善鏟裝作業(yè)點(diǎn)環(huán)境從而提高其安全性，提出了采用人工干預(yù)露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)流場為主的壓風(fēng)射流驅(qū)霧技術(shù)[2]，現(xiàn)場驗(yàn)證表明該技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行。由于鏟裝作業(yè)點(diǎn)為開放空間，裸露面積大，電鏟及鏟裝作業(yè)空間位置隨時(shí)間空間變化，現(xiàn)場布設(shè)儀器設(shè)備對(duì)射流驅(qū)霧前后的現(xiàn)場流場及強(qiáng)濃霧參數(shù)測試難以實(shí)施。結(jié)合露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)空間特征及流場、強(qiáng)濃霧基本參數(shù)，建立合理的數(shù)值模型，采用數(shù)值模擬方法厘清強(qiáng)濃霧運(yùn)移規(guī)律、流場演化特征是切實(shí)可行的方法，根據(jù)模擬結(jié)果更好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工作業(yè)。

CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）模擬作為一種高效低成本的研究方式被廣泛地應(yīng)用于射流的研究。張峰等[3]利用Fluent 模擬研究3 種不同結(jié)構(gòu)的水氣同軸噴嘴在土體介質(zhì)中關(guān)于射流方向、橫向擴(kuò)散寬度、中心軸線速度場的變化規(guī)律；余興勇等[4]基于固態(tài)流化開采中射流破碎的背景利用Fluent 開展射流壓力、收縮段長度及噴嘴直徑對(duì)錐直形單噴嘴射流速度影響的研究；張福宏等[5] 利用Fluent 研究環(huán)狀狹縫射流和鉆桿持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的雙重條件下煤層干式鉆孔粉塵運(yùn)移特性；許江等[6]通過COMSOL 軟件模擬得出T 型巷道下煤與瓦斯突出啟動(dòng)瞬間，氣流以射流形式進(jìn)入巷道的結(jié)論；潘業(yè)俊等[7]利用多流體－準(zhǔn)VOF 模型模擬某船用低速柴油機(jī)的噴嘴內(nèi)流和初次破碎現(xiàn)象。

雖然許多學(xué)者采用CFD 模擬諸多場景中射流現(xiàn)象，但鮮有文獻(xiàn)針對(duì)霧場驅(qū)散以及露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)霧場運(yùn)移及人工流場干預(yù)驅(qū)霧射流－強(qiáng)濃霧的流動(dòng)特性研究。為此，考慮現(xiàn)場測試缺陷，建立強(qiáng)濃霧、射流場理論模型，數(shù)值模擬研究壓風(fēng)射流條件下，露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)射流與強(qiáng)濃霧的三維分布特性，分析人工流場干預(yù)驅(qū)霧效果，為露天礦冬季鏟裝作業(yè)點(diǎn)驅(qū)霧技術(shù)提供技術(shù)支持。

1 氣流－強(qiáng)濃霧數(shù)學(xué)模型

結(jié)合露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)冬季強(qiáng)濃霧形成及運(yùn)移特點(diǎn)，基于氣固兩相流理論，利用歐拉－拉格朗日方法，采用DPM（Discrete Phase Model）模型，將露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)自然風(fēng)流、壓風(fēng)射流視為連續(xù)相，強(qiáng)濃霧視為離散相，模擬露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)壓風(fēng)射流驅(qū)霧過程，研究壓風(fēng)射流－強(qiáng)濃霧的流動(dòng)特性。假設(shè)露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)氣體為不可壓縮氣體，不考慮露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)大氣溫度的變化，即不考慮水霧相變問題，同時(shí)忽略霧滴顆粒之間的碰撞、破裂、蒸發(fā)；建立露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)壓風(fēng)射流驅(qū)霧控制模型。

1.1 氣流數(shù)學(xué)模型

氣流連續(xù)方程如式（1）：

式中：ui為空氣在i 方向的速度，m/s；xi為i 方向空間位置。

氣流動(dòng)量方程如式（2）：

式中：ρ 為空氣密度，kg/m3；t 為時(shí)間，s；uj為空氣在j 方向的速度，m/s；xj為j 方向位置；p 為空氣的絕對(duì)靜壓，Pa；μ 為層流黏性系數(shù)，Pa·s；μt為湍流的黏性系數(shù)，Pa·s。

采用MENTER F R 等[8-9]提出的SST（Shear stress transport）k－w 湍流模型描述湍流運(yùn)動(dòng)，SST k－w 湍流模型巧妙結(jié)合k－ε、k－w 以及J－K 模型的優(yōu)點(diǎn)，具有精度高、適用性廣、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)[10]。在SST kw 湍流模型中，湍動(dòng)能k 和比耗散率w 2 個(gè)輸運(yùn)方程分別為式（3）和式（4）：

式中：k 為湍流動(dòng)能，m2/s2；w 為比耗散率，1/s；ρk為湍流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；β 非常數(shù)；F1為混合函數(shù)；νt為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，m2/s；σk、σw分別為k 和w 的湍流普朗特?cái)?shù)；β＊、α、α＊、σw，2均為常數(shù)，分別為0.09、0.52、1、1.168。

1.2 霧顆粒數(shù)學(xué)模型

在忽略霧液滴顆粒間碰撞的條件下，只考慮液滴顆粒受重力、浮力和拖曳力，根據(jù)牛頓第二定律，單個(gè)液滴顆粒的運(yùn)動(dòng)方程為[11]：

式中：mp為單個(gè)液滴顆粒的質(zhì)量，kg；up為液滴顆粒的速度，m/s；u 為空氣氣流的速度，m/s；τr為弛豫時(shí)間；ρp為液滴顆粒的密度，kg/m3。

式中：dp為液滴顆粒直徑，m；Re 為相對(duì)雷諾數(shù)；Cd為阻力系數(shù)；a1、a2、a3為系數(shù)。

當(dāng)1 000 ＜Re ＜5 000 時(shí)，a1＝0.357，a2＝148.62，a3＝－4.57×104；當(dāng)5 000 ＜Re ＜10 000 時(shí)，a1＝0.46，a2＝－490.546，a3＝57.87×104。

2 射流－強(qiáng)濃霧數(shù)值模型

2.1 物理模型

以某露天礦為研究背景，建立露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)壓風(fēng)射流驅(qū)霧等比例模型，該模型包括煤壁及壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)。鏟裝作業(yè)點(diǎn)長30 m、寬15 m、高20 m。壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)直徑為0.71 m，軸長為1 m，懸掛距地面高度為3 m，2 臺(tái)壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)之間的間距為10 m。在水平面上，將沿x 方向定義為橫向，將沿y 方向定義為縱向。露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)壓風(fēng)射流驅(qū)霧物理模型如圖1。

圖1 露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)壓風(fēng)射流驅(qū)霧物理模型

2.2 模型網(wǎng)格檢驗(yàn)

考慮射流場和霧場的相互作用，基于CFD 流體軟件進(jìn)行建模，將壓風(fēng)射流與霧顆粒耦合，實(shí)現(xiàn)流場霧場的耦合數(shù)值模擬。模擬效果及精度受網(wǎng)格影響明顯，故首先要進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。網(wǎng)格獨(dú)立性是判斷網(wǎng)格數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的重要標(biāo)準(zhǔn)[12]，為證明模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)[13]。以壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)軸心速度作為網(wǎng)格獨(dú)立性的參考依據(jù)，對(duì)比不同數(shù)量網(wǎng)格剖分下壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)軸心速度的大小及變化趨勢，不同數(shù)量網(wǎng)格剖分下壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)軸心速度變化如圖2。

圖2 不同數(shù)量網(wǎng)格剖分下壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)軸心速度變化

由圖2 可知：除模型網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為90 000 的壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)軸心速度變化曲線外，其余4 種網(wǎng)格數(shù)量下壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)軸心速度大小及變化趨勢曲線幾乎一致且誤差較??；表明除網(wǎng)格數(shù)量為90 000 的模擬結(jié)果外，其余4 種數(shù)量網(wǎng)格下的模擬結(jié)果滿足計(jì)算準(zhǔn)確性的要求。在確保計(jì)算精度的條件下[14]，選擇模型劃分網(wǎng)格數(shù)量為160 000，劃分露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)和壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)，單元?jiǎng)澐殖叽绶謩e為0.8 m和0.2 m，以保證模擬的運(yùn)算效率[15]。

2.3 邊界條件及參數(shù)

根據(jù)露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)壓風(fēng)射流驅(qū)霧工況設(shè)定模擬參數(shù)，設(shè)露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)為計(jì)算區(qū)域，邊界主要包括入口、出口、DPM 設(shè)置。射流風(fēng)機(jī)的入口設(shè)為速度入口，水力直徑0.71 m，湍流強(qiáng)度2.6 m2/s2；將上方煤壁邊界類型設(shè)置為自由出流；在計(jì)算域內(nèi)創(chuàng)建并加入霧滴追蹤模塊，霧滴顆粒材料設(shè)為水，直徑設(shè)為50 μm，質(zhì)量流量設(shè)為100 kg/s，速度設(shè)為10 m/s，入射類型選擇surface 以模擬露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)強(qiáng)濃霧涌出現(xiàn)象。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 壓風(fēng)射流流動(dòng)特征

壓風(fēng)射流流場分布圖如圖3。

圖3 壓風(fēng)射流流場分布圖

由圖3（a）可以看出：壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)氣流在風(fēng)機(jī)中心水平面上能到達(dá)煤壁面，形成電鏟前方流場擾動(dòng)；壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)出口位置形成的射流沿軸向方向射出，與露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)氣流發(fā)生動(dòng)量交換，形成錐形氣流場；壓風(fēng)射流對(duì)露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)氣流的擾動(dòng)逐漸增多，但由于能量守恒，射流半徑逐漸增大的同時(shí)，射流速度遞減[16]。

從圖3（b）中可以看出：兩風(fēng)機(jī)射流流場達(dá)到煤壁面后，形成沿著煤壁面向上的流動(dòng)，形成近似扇形的壁面流動(dòng)（紅色實(shí)線、虛線圍成區(qū)域），兩風(fēng)機(jī)在壁面形成交叉重疊區(qū)，能實(shí)現(xiàn)鏟車作業(yè)時(shí)壁面霧擴(kuò)散的充分?jǐn)_動(dòng)，同時(shí)，氣流受壁面約束的影響向射流兩側(cè)漫流，并且部分折返形成回流，向風(fēng)機(jī)方向運(yùn)移[17]；在射流與回流的交界面由于卷吸作用形成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的螺旋狀式氣流漩渦[18]；在壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)兩側(cè)，沿x 軸負(fù)方向形成沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的漩渦，沿x 軸的正方向形成沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的漩渦。

3.2 強(qiáng)濃霧運(yùn)移特征

為了對(duì)比壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)工作前后驅(qū)霧效果，分別設(shè)置壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)入口速度為0 m/s 和30 m/s。首先將壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)的入口速度設(shè)為0 m/s，以模擬壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)未開啟時(shí)強(qiáng)濃霧的運(yùn)移狀態(tài)。強(qiáng)濃霧涌出8 s 后，以霧顆粒的顏色代表霧運(yùn)移的時(shí)間。霧顆粒迭代時(shí)間分布圖如圖4。

圖4 霧顆粒迭代時(shí)間分布圖

強(qiáng)濃霧的運(yùn)移特征根據(jù)流場的變化而變化，電鏟車產(chǎn)煤后，由于松散煤體含濕空氣與大氣溫差大，霧從作業(yè)點(diǎn)瞬間涌入采場的前方和上側(cè)，在露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)自然風(fēng)流的作用下，強(qiáng)濃霧隨風(fēng)流方向擴(kuò)散。風(fēng)流交叉位置附近形成渦流，霧在風(fēng)流的攜帶的作用下進(jìn)入渦流區(qū)，渦流阻滯了霧氣的排出運(yùn)移。隨著時(shí)間的推移，強(qiáng)濃霧主要集中在采場的中下部，嚴(yán)重影響了電鏟司機(jī)作業(yè)視線。

3.3 射流－強(qiáng)濃霧運(yùn)移特征

將壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)的入口速度設(shè)為30 m/s，以模擬壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)開啟時(shí)強(qiáng)濃霧的運(yùn)移特征。壓風(fēng)射流影響霧濃度的分布，露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)霧濃度分布云圖如圖5。

圖5 露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)霧濃度分布云圖

未開啟壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)時(shí)，隨著霧的涌出，霧濃度梯度呈環(huán)形分布，越靠近煤壁面霧濃度越大，由于濃度梯度的存在，霧逐漸向周圍擴(kuò)散，可以看出，初期霧濃度場分布紊亂，隨著時(shí)間的推移，霧濃度分布均勻，濃度分界線明顯。風(fēng)機(jī)開啟后，受壓風(fēng)射流的影響，風(fēng)流流場紊亂，從風(fēng)機(jī)開啟到運(yùn)行8 s，霧濃度分布不均勻，且壓風(fēng)射流對(duì)霧的濃度分布影響較大，射流經(jīng)過區(qū)域霧濃度幾乎趨近于0，尤其風(fēng)機(jī)開啟8 s時(shí)，鏟車前方的霧濃度相比未開啟風(fēng)機(jī)時(shí)降低50%，但隨著霧的持續(xù)涌出，強(qiáng)濃霧對(duì)壓風(fēng)射流的影響愈加明顯，尤其對(duì)左邊風(fēng)機(jī)射流的影響?？傮w而言，風(fēng)機(jī)開啟后，相同位置較未開啟風(fēng)機(jī)時(shí)霧濃度要低，隨著霧的持續(xù)涌出，壓風(fēng)射流對(duì)霧濃度的影響先增大后減小。

以顆粒的空間堆積程度模擬霧顆粒的空間分布，以顆粒的顏色模擬霧的運(yùn)移速度，分析壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)對(duì)霧運(yùn)移規(guī)律的影響。霧顆粒空間分布及速度分布如圖6。

圖6 霧顆?？臻g、速度分布圖

鏟車剛開始作業(yè)時(shí)，霧涌出量較少，隨著鏟車的持續(xù)作業(yè)，霧不斷涌出，霧濃度增加，顆粒逐漸遍布在露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)。風(fēng)機(jī)開啟前后，相同時(shí)間段，靠近風(fēng)機(jī)的濃霧顆粒速度大。風(fēng)機(jī)開啟4 s 時(shí)，壓風(fēng)射流擾亂流場，霧顆粒相比風(fēng)機(jī)未開啟時(shí)主要聚集在露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)中部，開啟8s 時(shí)，壓風(fēng)射流對(duì)濃霧顆粒的運(yùn)移影響最大，露天礦鏟裝作業(yè)點(diǎn)中部濃霧顆粒分布明顯減少，開啟12 s 時(shí)，局部顆粒相比未開啟風(fēng)機(jī)時(shí)減少，但由于壓風(fēng)射流動(dòng)量損失增大，對(duì)濃霧顆粒的運(yùn)移影響減少，風(fēng)機(jī)開啟16 s 時(shí)，相比未開啟風(fēng)機(jī)時(shí)，遠(yuǎn)離煤壁側(cè)霧顆粒分布稀疏，壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)附近霧顆粒的速度明顯提高。

隨著霧的持續(xù)涌出，壓風(fēng)射流對(duì)霧濃度分布影響方式不同。不同運(yùn)行時(shí)間下霧空間分布矢量圖如圖7，風(fēng)機(jī)開啟8 s 和16 s 時(shí)z＝3 m 和y＝9 m 平面流線圖如圖8，風(fēng)機(jī)開關(guān)狀態(tài)下z＝3 m 和y＝9 m 平面流線圖如圖9。

圖7 不同運(yùn)行時(shí)間下霧空間分布矢量圖

圖8 風(fēng)機(jī)開啟8 s 和16 s 時(shí)z＝3 m 和y＝9 m 平面流線圖

由圖6、圖7 及圖8 可知：風(fēng)機(jī)開啟8 s 時(shí)霧的顆粒在采場中的分布比風(fēng)機(jī)開啟16 s 時(shí)少，壓風(fēng)射流動(dòng)能損失小，推動(dòng)前方的霧氣順著射流方向移動(dòng)的同時(shí)，鏟車前方形成射流與霧交匯的漩渦，降低霧的濃度。隨著霧的涌出，壓風(fēng)射流損失增大，風(fēng)機(jī)開啟16 s 時(shí)主要通過裹挾霧的顆粒折返到鏟車側(cè)面降低霧的濃度。風(fēng)機(jī)開啟32 s 時(shí)，霧顆粒的運(yùn)移方向整體向上，壓風(fēng)射流高速帶離霧顆粒離開鏟車前方。

通過比較z＝3 m 平面流線圖及圖7（a）發(fā)現(xiàn)，未開啟風(fēng)機(jī)時(shí)，霧顆粒從煤壁四周涌來，在x＝－10 m，y＝7 m 處形成順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的小尺度漩渦結(jié)構(gòu)，開啟風(fēng)機(jī)后，濃霧顆粒與壓風(fēng)射流之間存在的剪切作用，致使?jié)忪F顆粒軌跡發(fā)生縱向偏轉(zhuǎn)，繞過射流，阻滯濃霧顆粒橫向移動(dòng)，并且壓風(fēng)射流方向也發(fā)生彎曲[19]，沒有形成漩渦結(jié)構(gòu)。同時(shí)壓風(fēng)射流阻礙縱向運(yùn)移的霧顆粒的運(yùn)移，并且裹挾著霧顆粒的射流折返到鏟車側(cè)面，使得鏟車前方霧濃度進(jìn)一步降低。由y＝9 m 的云圖及圖7（b）可以看出，未開啟風(fēng)機(jī)時(shí)，在x＝－3 m 處沿地面形成大尺度的漩渦，開啟風(fēng)機(jī)后，霧顆粒受到壓風(fēng)射流的沖擊被向上擠壓[20]，在射流右方靠近下煤壁的位置形成較大的渦旋結(jié)構(gòu)。通過圖9（d）可以看出，渦旋結(jié)構(gòu)所在區(qū)域裹挾了大量霧顆粒，且風(fēng)速較低，霧難以運(yùn)移，導(dǎo)致霧濃度較大，x＝－7 m 附近由于壓風(fēng)射流風(fēng)機(jī)經(jīng)過，霧運(yùn)移速度增大，霧濃度較低。

4 結(jié)語

1）相同的強(qiáng)濃霧涌出時(shí)間，開啟風(fēng)機(jī)后相同位置霧濃度比未開啟風(fēng)機(jī)時(shí)要低，壓風(fēng)射流對(duì)霧濃度的影響隨著強(qiáng)濃霧的不斷涌出先增加后減少。

2）壓風(fēng)射流與霧顆粒發(fā)生動(dòng)量交換，壓風(fēng)射流經(jīng)過區(qū)域的霧粒運(yùn)移速度明顯增大。

3）壓風(fēng)射流驅(qū)霧的方式：①推動(dòng)霧顆粒順著壓風(fēng)射流的方向移動(dòng)；②在射流風(fēng)機(jī)流場出口前方，水平方向上驅(qū)動(dòng)霧顆粒運(yùn)移的同時(shí)，裹挾著霧顆粒折向電鏟兩側(cè)方繞流；③靠近煤壁的垂直方向上，射流驅(qū)使霧顆粒向上運(yùn)移；采用壓風(fēng)射流驅(qū)霧技術(shù)能降低電鏟前方霧場濃度。