露天礦鏟裝作業點壓風射流驅霧數值模擬研究

徐 煦，于海旭，杜勇志，閆海峰，李 強，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,內蒙古 海拉爾 021008；2.中國礦業大學（北京）應急管理與安全工程學院，北京 100083）

露天礦鏟裝作業點冬季松散煤巖體內含濕空氣與大氣溫度溫差大，且作業點有大量作為凝結核的粉塵，加之采場地勢低氣流慢，電鏟鏟裝作業時易產生強濃霧[1]。對于露天礦鏟裝作業點強濃霧驅散問題及相關技術目前尚未見相關文獻報道。為提高鏟裝司機視線及鏟裝作業效率，改善鏟裝作業點環境從而提高其安全性，提出了采用人工干預露天礦鏟裝作業點流場為主的壓風射流驅霧技術[2]，現場驗證表明該技術經濟可行。由于鏟裝作業點為開放空間，裸露面積大，電鏟及鏟裝作業空間位置隨時間空間變化，現場布設儀器設備對射流驅霧前后的現場流場及強濃霧參數測試難以實施。結合露天礦鏟裝作業點空間特征及流場、強濃霧基本參數，建立合理的數值模型，采用數值模擬方法厘清強濃霧運移規律、流場演化特征是切實可行的方法，根據模擬結果更好地指導現場施工作業。

CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學）模擬作為一種高效低成本的研究方式被廣泛地應用于射流的研究。張峰等[3]利用Fluent 模擬研究3 種不同結構的水氣同軸噴嘴在土體介質中關于射流方向、橫向擴散寬度、中心軸線速度場的變化規律；余興勇等[4]基于固態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 研究環狀狹縫射流和鉆桿持續轉動的雙重條件下煤層干式鉆孔粉塵運移特性；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瞬間，氣流以射流形式進入巷道的結論；潘業俊等[7]利用多流體－準VOF 模型模擬某船用低速柴油機的噴嘴內流和初次破碎現象。

雖然許多學者采用CFD 模擬諸多場景中射流現象，但鮮有文獻針對霧場驅散以及露天礦鏟裝作業點霧場運移及人工流場干預驅霧射流－強濃霧的流動特性研究。為此，考慮現場測試缺陷，建立強濃霧、射流場理論模型，數值模擬研究壓風射流條件下，露天礦鏟裝作業點射流與強濃霧的三維分布特性，分析人工流場干預驅霧效果，為露天礦冬季鏟裝作業點驅霧技術提供技術支持。

1 氣流－強濃霧數學模型

結合露天礦鏟裝作業點冬季強濃霧形成及運移特點，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，將露天礦鏟裝作業點自然風流、壓風射流視為連續相，強濃霧視為離散相，模擬露天礦鏟裝作業點壓風射流驅霧過程，研究壓風射流－強濃霧的流動特性。假設露天礦鏟裝作業點氣體為不可壓縮氣體，不考慮露天礦鏟裝作業點大氣溫度的變化，即不考慮水霧相變問題，同時忽略霧滴顆粒之間的碰撞、破裂、蒸發；建立露天礦鏟裝作業點壓風射流驅霧控制模型。

1.1 氣流數學模型

氣流連續方程如式（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。

氣流動量方程如式（2）：

式中：ρ 為空氣密度，kg/m3；t 為時間，s；uj為空氣在j 方向的速度，m/s；xj為j 方向位置；p 為空氣的絕對靜壓，Pa；μ 為層流黏性系數，Pa·s；μt為湍流的黏性系數，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動，SST k－w 湍流模型巧妙結合k－ε、k－w 以及J－K 模型的優點，具有精度高、適用性廣、魯棒性強的特點[10]。在SST kw 湍流模型中，湍動能k 和比耗散率w 2 個輸運方程分別為式（3）和式（4）：

式中：k 為湍流動能，m2/s2；w 為比耗散率，1/s；ρk為湍流動能產生項；β 非常數；F1為混合函數；νt為運動黏性系數，m2/s；σk、σw分別為k 和w 的湍流普朗特數；β＊、α、α＊、σw，2均為常數，分別為0.09、0.52、1、1.168。

1.2 霧顆粒數學模型

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，根據牛頓第二定律，單個液滴顆粒的運動方程為[11]：

式中：mp為單個液滴顆粒的質量，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 為相對雷諾數；Cd為阻力系數；a1、a2、a3為系數。

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

2 射流－強濃霧數值模型

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點壓風射流驅霧等比例模型，該模型包括煤壁及壓風射流風機。鏟裝作業點長30 m、寬15 m、高20 m。壓風射流風機直徑為0.71 m，軸長為1 m，懸掛距地面高度為3 m，2 臺壓風射流風機之間的間距為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。露天礦鏟裝作業點壓風射流驅霧物理模型如圖1。

圖1 露天礦鏟裝作業點壓風射流驅霧物理模型

2.2 模型網格檢驗

考慮射流場和霧場的相互作用，基于CFD 流體軟件進行建模，將壓風射流與霧顆粒耦合，實現流場霧場的耦合數值模擬。模擬效果及精度受網格影響明顯，故首先要進行質量檢驗。網格獨立性是判斷網格數值模擬準確性的重要標準[12]，為證明模擬結果的準確性，進行網格獨立性檢驗[13]。以壓風射流風機軸心速度作為網格獨立性的參考依據，對比不同數量網格剖分下壓風射流風機軸心速度的大小及變化趨勢，不同數量網格剖分下壓風射流風機軸心速度變化如圖2。

圖2 不同數量網格剖分下壓風射流風機軸心速度變化

由圖2 可知：除模型網格劃分數量為90 000 的壓風射流風機軸心速度變化曲線外，其余4 種網格數量下壓風射流風機軸心速度大小及變化趨勢曲線幾乎一致且誤差較??；表明除網格數量為90 000 的模擬結果外，其余4 種數量網格下的模擬結果滿足計算準確性的要求。在確保計算精度的條件下[14]，選擇模型劃分網格數量為160 000，劃分露天礦鏟裝作業點和壓風射流風機，單元劃分尺寸分別為0.8 m和0.2 m，以保證模擬的運算效率[15]。

2.3 邊界條件及參數

根據露天礦鏟裝作業點壓風射流驅霧工況設定模擬參數，設露天礦鏟裝作業點為計算區域，邊界主要包括入口、出口、DPM 設置。射流風機的入口設為速度入口，水力直徑0.71 m，湍流強度2.6 m2/s2；將上方煤壁邊界類型設置為自由出流；在計算域內創建并加入霧滴追蹤模塊，霧滴顆粒材料設為水，直徑設為50 μm，質量流量設為100 kg/s，速度設為10 m/s，入射類型選擇surface 以模擬露天礦鏟裝作業點強濃霧涌出現象。

3 數值模擬結果

3.1 壓風射流流動特征

壓風射流流場分布圖如圖3。

圖3 壓風射流流場分布圖

由圖3（a）可以看出：壓風射流風機氣流在風機中心水平面上能到達煤壁面，形成電鏟前方流場擾動；壓風射流風機出口位置形成的射流沿軸向方向射出，與露天礦鏟裝作業點氣流發生動量交換，形成錐形氣流場；壓風射流對露天礦鏟裝作業點氣流的擾動逐漸增多，但由于能量守恒，射流半徑逐漸增大的同時，射流速度遞減[16]。

從圖3（b）中可以看出：兩風機射流流場達到煤壁面后，形成沿著煤壁面向上的流動，形成近似扇形的壁面流動（紅色實線、虛線圍成區域），兩風機在壁面形成交叉重疊區，能實現鏟車作業時壁面霧擴散的充分擾動，同時，氣流受壁面約束的影響向射流兩側漫流，并且部分折返形成回流，向風機方向運移[17]；在射流與回流的交界面由于卷吸作用形成逆時針旋轉的螺旋狀式氣流漩渦[18]；在壓風射流風機兩側，沿x 軸負方向形成沿逆時針旋轉的漩渦，沿x 軸的正方向形成沿順時針旋轉的漩渦。

3.2 強濃霧運移特征

為了對比壓風射流風機工作前后驅霧效果，分別設置壓風射流風機入口速度為0 m/s 和30 m/s。首先將壓風射流風機的入口速度設為0 m/s，以模擬壓風射流風機未開啟時強濃霧的運移狀態。強濃霧涌出8 s 后，以霧顆粒的顏色代表霧運移的時間。霧顆粒迭代時間分布圖如圖4。

圖4 霧顆粒迭代時間分布圖

強濃霧的運移特征根據流場的變化而變化，電鏟車產煤后，由于松散煤體含濕空氣與大氣溫差大，霧從作業點瞬間涌入采場的前方和上側，在露天礦鏟裝作業點自然風流的作用下，強濃霧隨風流方向擴散。風流交叉位置附近形成渦流，霧在風流的攜帶的作用下進入渦流區，渦流阻滯了霧氣的排出運移。隨著時間的推移，強濃霧主要集中在采場的中下部，嚴重影響了電鏟司機作業視線。

3.3 射流－強濃霧運移特征

將壓風射流風機的入口速度設為30 m/s，以模擬壓風射流風機開啟時強濃霧的運移特征。壓風射流影響霧濃度的分布，露天礦鏟裝作業點霧濃度分布云圖如圖5。

圖5 露天礦鏟裝作業點霧濃度分布云圖

未開啟壓風射流風機時，隨著霧的涌出，霧濃度梯度呈環形分布，越靠近煤壁面霧濃度越大，由于濃度梯度的存在，霧逐漸向周圍擴散，可以看出，初期霧濃度場分布紊亂，隨著時間的推移，霧濃度分布均勻，濃度分界線明顯。風機開啟后，受壓風射流的影響，風流流場紊亂，從風機開啟到運行8 s，霧濃度分布不均勻，且壓風射流對霧的濃度分布影響較大，射流經過區域霧濃度幾乎趨近于0，尤其風機開啟8 s時，鏟車前方的霧濃度相比未開啟風機時降低50%，但隨著霧的持續涌出，強濃霧對壓風射流的影響愈加明顯，尤其對左邊風機射流的影響?？傮w而言，風機開啟后，相同位置較未開啟風機時霧濃度要低，隨著霧的持續涌出，壓風射流對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移速度，分析壓風射流風機對霧運移規律的影響。霧顆?？臻g分布及速度分布如圖6。

圖6 霧顆?？臻g、速度分布圖

鏟車剛開始作業時，霧涌出量較少，隨著鏟車的持續作業，霧不斷涌出，霧濃度增加，顆粒逐漸遍布在露天礦鏟裝作業點。風機開啟前后，相同時間段，靠近風機的濃霧顆粒速度大。風機開啟4 s 時，壓風射流擾亂流場，霧顆粒相比風機未開啟時主要聚集在露天礦鏟裝作業點中部，開啟8s 時，壓風射流對濃霧顆粒的運移影響最大，露天礦鏟裝作業點中部濃霧顆粒分布明顯減少，開啟12 s 時，局部顆粒相比未開啟風機時減少，但由于壓風射流動量損失增大，對濃霧顆粒的運移影響減少，風機開啟16 s 時，相比未開啟風機時，遠離煤壁側霧顆粒分布稀疏，壓風射流風機附近霧顆粒的速度明顯提高。

隨著霧的持續涌出，壓風射流對霧濃度分布影響方式不同。不同運行時間下霧空間分布矢量圖如圖7，風機開啟8 s 和16 s 時z＝3 m 和y＝9 m 平面流線圖如圖8，風機開關狀態下z＝3 m 和y＝9 m 平面流線圖如圖9。

圖7 不同運行時間下霧空間分布矢量圖

圖8 風機開啟8 s 和16 s 時z＝3 m 和y＝9 m 平面流線圖

由圖6、圖7 及圖8 可知：風機開啟8 s 時霧的顆粒在采場中的分布比風機開啟16 s 時少，壓風射流動能損失小，推動前方的霧氣順著射流方向移動的同時，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，壓風射流損失增大，風機開啟16 s 時主要通過裹挾霧的顆粒折返到鏟車側面降低霧的濃度。風機開啟32 s 時，霧顆粒的運移方向整體向上，壓風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）發現，未開啟風機時，霧顆粒從煤壁四周涌來，在x＝－10 m，y＝7 m 處形成順時針方向旋轉的小尺度漩渦結構，開啟風機后，濃霧顆粒與壓風射流之間存在的剪切作用，致使濃霧顆粒軌跡發生縱向偏轉，繞過射流，阻滯濃霧顆粒橫向移動，并且壓風射流方向也發生彎曲[19]，沒有形成漩渦結構。同時壓風射流阻礙縱向運移的霧顆粒的運移，并且裹挾著霧顆粒的射流折返到鏟車側面，使得鏟車前方霧濃度進一步降低。由y＝9 m 的云圖及圖7（b）可以看出，未開啟風機時，在x＝－3 m 處沿地面形成大尺度的漩渦，開啟風機后，霧顆粒受到壓風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構。通過圖9（d）可以看出，渦旋結構所在區域裹挾了大量霧顆粒，且風速較低，霧難以運移，導致霧濃度較大，x＝－7 m 附近由于壓風射流風機經過，霧運移速度增大，霧濃度較低。

4 結語

1）相同的強濃霧涌出時間，開啟風機后相同位置霧濃度比未開啟風機時要低，壓風射流對霧濃度的影響隨著強濃霧的不斷涌出先增加后減少。

2）壓風射流與霧顆粒發生動量交換，壓風射流經過區域的霧粒運移速度明顯增大。

3）壓風射流驅霧的方式：①推動霧顆粒順著壓風射流的方向移動；②在射流風機流場出口前方，水平方向上驅動霧顆粒運移的同時，裹挾著霧顆粒折向電鏟兩側方繞流；③靠近煤壁的垂直方向上，射流驅使霧顆粒向上運移；采用壓風射流驅霧技術能降低電鏟前方霧場濃度。