基于CFD非定常模拟分析掘进面粉尘运移规律研究＊

胡方坤，王帅领，王德明，陈汝豪

（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221008；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008；3.内蒙古双欣矿业有限公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017000）

基于CFD非定常模拟分析掘进面粉尘运移规律研究＊

胡方坤1，2，王帅领1，2，王德明1，2，陈汝豪3

（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221008；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008；3.内蒙古双欣矿业有限公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017000）

建立了压入式通风条件下掘进面全尺寸巷道模型，采用非定常离散相模型解算，得到了从掘进开始后0～5 min的粉尘浓度分布图像，并生成了连续动画。模拟结果显示，在掘进机附近，粉尘主要从回风一侧向后扩散，在掘进巷道25～30 m处，粉尘开始由回风侧向整个巷道扩散，沿巷道方向运移速度衰减很快，并且可以看出在掘进巷道前部存在2个涡流区域，使得粉尘从后方流经司机位置，可以考虑在司机位置后方及右侧面增设粉尘阻挡或捕获设施，以减少流经该处的粉尘量。

掘进面 粉尘 非定常数值模拟 离散相模型

矿井粉尘灾害一直以来威胁着煤矿安全高效生产和井下工作人员的身体健康。采煤工作面、掘进面、锚喷支护以及转载运煤是煤矿生产中的主要产尘地点。掘进面的粉尘量大、空间相对狭小，煤矿工人尤其是掘进机司机距离掘进面产尘地点最近，大量的粉尘会对工人的身体健康造成极大危害；同时由于粉尘会阻挡视线，妨碍司机观察前方的掘进头，极易造成安全事故。目前对掘进工作面粉尘运移规律的模拟主要采用定常解算模拟，运用Fluent中的离散相模型 （DPM）得出粉尘在巷道中的分布规律。这种定常模拟得出的结果可以认为是进行了长时间掘进工作后，粉尘在理想状态下的稳定分布情况。这对于工作面粉尘防治工作有一定的指导意义，但是从原理上并不是粉尘实时运移情况的反映。粉尘随风流运移是一个实时变化的过程，如果考虑粉尘与风流的实时耦合状态，就能更加贴近粉尘真实的运移情况。

本文运用Ansys Fluent模拟软件，依据实际尺寸建立了压入式通风条件下掘进面巷道模型，采用以时间为步长的非定常解算，给出了粉尘从产生到扩散至后部巷道的全过程。本文以掘进开始后300 s内粉尘实时分布图像为例，分析了其运移规律。

1 CFD模型构建

1.1 网格模型构建

在CFD建模软件Ansys mesh中依照掘进面真实尺寸，建立全尺寸巷道模型。模型长为50 m，断面为半圆拱型，上部半圆半径为2.5 m，下部矩形高为1 m。掘进机位简化为长方体，尺寸为10 m×3.6 m×1.8 m （长×宽×高），掘进机前段距掘进断面1 m。风筒直径为0.8 m，位于掘进机司机侧上方，距巷道顶板和侧壁均为0.2 m，出风口距掘进断面4 m。以四面体填充方式生成整体网格模型。图1（a）所示为模型整体网格，图1（b）所示为竖直刨面后展示的内部网格。

图1 巷道网格模型

1.2 非定常DPM模型设置

在计算流体动力学中，根据流体流动的物理量（如速度v、压力p、温度T等）是否随时间t变化，分为定常流动 （steady）与非定长流动 （unsteady）两大类。当流动的物理量不随时间变化，即=0时，为定常流动；当流动的物理量随时间变化，即时，则为非定长流动。非定长时间设定体现在计算流体力学控制学方程组中。包含粉尘的空气流遵循Navier-Stokes方程，即动量守恒方程，如式 （1）（2）（3）所示。

式中：ρ——流体密度，kg／m3；

V→——速度矢量，u、v、w分别是速度矢量在x、y、z方向的分量，m／s；

t——时间，s；

p——流体压力，Pa；

Su、Sv和Sw——动量守恒方程的广义源项。

在掘进工作中，粉尘随风流运移是非定常流动状态，其运动要素时刻变化。粉尘从钻头处不断产生，随风流逐渐向巷道后方扩散，其运动状态、浓度分布等随时间变化而变化。该模型中对粉尘颗粒有如下简化假设：风流场中的粉尘颗粒均视为球体，且密度相同；忽略粉尘颗粒之间碰撞影响，只考虑粉尘颗粒与壁面的碰撞；忽略巷道内温度场变化对流场的影响。

在非定常流动迭代计算时，设定重力加速度为9.8 m／s2，时间步长为0.5 s，时间步数为600步，最大迭代次数为100次，在解算动画设置面板中设置每2步即输出粉尘浓度分布云图。粉尘材质自定义密度为 1.450×103kg／m3，质量流为0.018 kg／s，粒径分布为Rosin-Rammler分布，y方向初始速度为0.5 m／s，粒子起止时间设为0～300 s，风筒出口风速为4.52 m／s。

2 模拟结果及分析

利用Fluent提供的离散相模型 （DPM），首先对掘进面风流流场进行解算；再设置掘进头的粉尘喷射源，计算颗粒轨道，从而在计算域中引入离散相；然后使用已经得到的颗粒计算结果中的相间动量、热量、质量交换项重新计算连续相流场，计算修正后的连续相流场中的颗粒轨迹，不断迭代直至计算收敛。本模拟得到了从掘进开始时刻起0～300 s间每一秒粉尘的分布云图，并生成了粉尘运移动画。通过对该模拟结果的分析，得出了该通风条件下粉尘的一般运移规律。本文选取了其中的几张粉尘云图来反映其运移特点，加以分析说明。

2.1 粉尘沿巷道实时运移规律分析

（1）在掘进机附近，粉尘主要从回风一侧向后扩散。由于受单侧压入式通风影响，粉尘主要运移路径集中在掘进机旁回风一侧前15 m左右的范围内，且这一特点不随时间改变。掘进巷道50 m粉尘浓度实时分布云图见图2。从图2可以看出，在30 s、50 s、177 s、245 s时，本例掘进机左侧狭长的区域内通过了大量的粉尘，即后面巷道中绝大部分的粉尘都是通过该路径运移而来的。故在此通风条件下，在回风一侧前部加强降尘、捕尘工作，会对提高除尘效率、有效降低后部巷道粉尘浓度起到很大的作用。

图2 掘进巷道50 m粉尘浓度实时分布云图（距底板1.85 m处切面，俯视）

（2）在掘进巷道25～30 m处，粉尘开始由回风侧向整个巷道扩散。从图2可以看出，50 s、177 s、245 s的粉尘在25～30 m处扩散至整个巷道断面，随风流向后扩散，巷道中心区域浓度相对较高。这是由于风流在贴近壁面处受摩擦等因素影响，风速降低，携带粉尘的能力也降低，故粉尘在从风流中所获得动能减少或者与壁面相撞等因素影响下沉降。相比之下巷道中心处风流速度较快，携带粉尘能力较强。因此形成了巷道中心粉尘浓度高、两侧粉尘浓度低的现象。

（3）本模拟中粉尘沿巷道方向运移速度是由快到慢的。在掘进机附近的粉尘运动速度相对较快，从图2可以看出，在30 s时，粉尘就已经扩散至巷道25 m处。而后粉尘运移速度迅速降低，在177 s为粉尘刚刚扩散至巷道50 m处的时刻。粉尘运移速度主要受风流速度影响，前部风流速度较大，粉尘扩散速度也较大，在巷道后方，受摩擦、紊流等因素影响，风流动能随传播距离的增大而降低，故携带粉尘能力也降低，使得粉尘运移的速度和粉尘浓度均降低。

2.2 粉尘在涡流区域实时运移规律分析

风流从风筒流出后在前部冲洗掘进面，然后从回风侧流向掘进面后部巷道，在此过程中明显存在两个风流涡流区域，对粉尘运移有明显影响。在本模拟通风条件下，从图3中连续4 s的粉尘浓度分布图以及图4中对应区域的风速矢量图可以明显看出，在掘进机上方前部存在风流涡流区域，粉尘从掘进机右侧沿风流回到风筒下方，围绕涡流做环状运移。同理，对比图5中连续7 s的粉尘浓度分布图和图6对应区域的风速矢量图可以看出，从掘进机后方约10 m处开始至风筒出口下方这一区域也存在涡流，粉尘从掘进机后方右侧运移至左侧并顺着风筒下方风流回到掘进头前部。这两个涡流造成粉尘不断从后方通过掘进机左侧和风筒下方区域，而掘进机司机位置一般在此区域内，造成司机位置粉尘浓度较大。如图5和图6中所示，未与风流混合均匀的粉尘团浓度较高，平均在500～800 mg／m3，这对掘进机司机的健康造成危害。由此也可体现出CFD运用在粉尘研究时，非定长解算比定长解算能更为客观地反映粉尘运移的路径、浓度等，利用Fluent中Report-Surface Integrals面积分项，还可实时监测模型中某个面的粉尘净通量。

图3 第一处涡流区域粉尘实时运移图像（距底板1.85 m处切面，俯视）

考虑到司机位置的粉尘主要来自于后方，可以在其位置后方及右侧面加设阻挡粉尘或者捕捉粉尘的设施，以减小经过该处的粉尘量。

3 结论

（1）CFD非定常解算能较为客观地反映粉尘在模拟通风条件下的运移轨迹与混合、扩散状态，比定常解算更适合于粉尘运移规律方面的研究。

（2）在掘进机附近，粉尘主要从回风一侧向后扩散。故在此通风条件下，在回风一侧前部加强降尘、捕尘工作，会对提高除尘效率、有效降低后部巷道粉尘浓度起到很大的作用。

（3）在掘进巷道25～30 m处，粉尘开始由回风侧向整个巷道扩散，且巷道中心粉尘浓度高、两侧粉尘浓度低。

（4）本模拟中在掘进机附近的粉尘运动速度相对较快，而扩散至掘进机后方时粉尘运移速度迅速降低，同时浓度也因沉降、与壁面碰撞等因素而降低。

（5）掘进头前部存在两个涡流区域，使得粉尘从后方和侧面通过司机位置。可以考虑在掘进机司机后方和右侧增设阻挡、捕获粉尘设施，以减少通过该处的粉尘量，降低粉尘对掘进机司机的伤害。

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Unsteady simulation analysis of dust movement law at driving face based on CFD

Hu Fangkun1，2，Wang Shuailing1，2，Wang Deming1，2，Chen Ruhao3
（1.Faculty of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；3.Inner Mongolia Shuangxin Mining Co.，Ltd.，Erdos，Inner Mongolia 017000，China）

The model of the whole size roadway at diving face under the condition of forced ventilation was set up.The distribution images of dust concentration in 5 min after diving were obtained and the continuous animation was formed.The simulation results showed that the dust spread backward from the air-return roadway.At the position of 25～30 m in the driving roadway，the dust spread to the whole roadway，and the moving speed decreased fast along the roadway.Two vortex areas formed in the front of driving roadway，making dust spread backward to the driver position.Therefore，the dust stopping or capturing facilities should be set up behind and to the right of the driver to reduce the dust capacity.

driving face，dust，unsteady numerical simulation，discrete phase model

TD 714

A

国家自然科学基金资助 （51134020，51104153）

胡方坤 （1989-），男，山东东营市人，硕士学历，现从事矿井粉尘防治研究工作。

（责任编辑 张艳华）