喷嘴角度对矿用引射除尘器的性能影响研究

张子鹏 杨小彬 周 杰 陈希昂

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)

随着现代矿井机械化程度的不断提高，矿井粉尘一直以来严重威胁着煤矿安全高效生产和井下工人的身体健康。现代除尘方式主要有通风除尘、湿式除尘、密闭抽尘和引射除尘器除尘等，引射除尘器作为一种新型的除尘设备，可以在不直接消耗机械能的情况下利用高压流体来引射低压流体进而提高低压流体的压力，由于其具有成本低廉、连接方式简便以及不使用电力作为动力源等特点，因此将引射除尘器应用于井下除尘对矿山除尘的发展具有重要意义。

各部段的结构参数、引射压力大小、喷嘴位置、喷嘴尺寸和喷嘴倾斜角度变化等都能影响引射除尘器的引射性能，其中喷嘴的倾斜角度是非常重要的一个因素，探究喷嘴角度的最佳范围可以有效提高引射除尘器的工作效率，减少能量损耗。国内大多是针对燃烧器、制冷、供暖等方面的小型引射除尘器参数研究，对于应用于矿山的大型引射除尘器喷嘴角度涉及甚少。CFD相当于“虚拟”地在计算机做实验，在研究流动现象、解决流体工程实际问题等方面发挥着重要作用，利用CFD模拟软件对不同喷嘴角度下的引射面的压力分布进行模拟分析，可以清楚地对比引射效果，增强系统的安全可靠性，对后期实验也有较大的指导意义。

1 引射除尘器构造

引射除尘器的主要结构部件包括工作喷嘴、接受段、渐缩段、混合段、扩压段。高压气体(引射气流)经喷嘴高速喷出，被引射气流在引射气流的剪切作用下被卷吸进入混合段，并与引射气流发生动量和能量交换，逐渐形成单一均匀的混合气流。矿用引射除尘器基于此原理，井下高压气体经小孔喷嘴把含尘的低压气体从大孔引射口引射至接受段，经混合段气流混合均匀，通过扩压段来升高静压，使得大部分动能被回收，同时收集含尘气体进行滤尘处理。矿用引射除尘器示意图如图1所示。

1-接受段；2-渐缩段；3-喷嘴；4-混合段；5-扩压段图1 矿用引射除尘器示意图

2 模型构建

2.1 网格模型构建

在Gambit软件中依照矿用引射除尘器的真实尺寸建立模型，本文主要研究喷嘴角度对引射性能的影响，扩压段不是本项研究的重点，因此模型只建立工作喷嘴、接受段、渐缩段和混合段。喷嘴直径D1为28 mm，引射口直径D2为600 mm，混合段直径D3为200 mm,接受段长度L1为600 mm，渐缩段长度L2为200 mm，混合段长度L3为2900 mm。喷嘴轴向位置沿引射除尘器的中轴线，径向位置在引射除尘器径向线的中点，喷嘴出口与混合段入口截面平齐，在此位置处来改变喷嘴的倾斜角度。矿用引射除尘器Gambit模型图如图2所示。

2.2 网格划分

在Gambit软件中对所建模型进行网格划分，注意划分网格距离精度不能太大，否则会使后期Fluent计算不精确，残差不容易收敛，从而影响模拟效果。

图2 矿用引射除尘器Gambit模型图

利用Gambit网格划分体网格时，有Hex(六面体)Hex/Wedge(六面体/契形)和Tet/Hybrid(四面体/混合)网格3种类型。为了提高网格质量，增加划分的网格数量，采用四面体混合网格划分方式，划分网格数量均在40万以上。

2.3 尘源构建

不同矿井由于煤、岩地质条件和物理性质的不同，以及采掘方法、作业方式、通风状况和机械化程度的不同，矿尘的生成量有较大的差异。模拟过程中设置一个通用粉尘参数比较困难，因此只选取某一矿井粉尘参数。设置尘源初速度为零，动力只有引射压力。将模型文件导入Fluent中后，进行的尘源参数设置见表1。

表1 喷射源参数设置

2.4 边界环境

井下气泵压力为0.5 MPa，但是某些矿井由于管路沿程较长，能量损失较多，实际压力往往较小，故较低压力下进行引射模拟对多数矿井更有实际意义，本次模拟设定喷嘴压力为0.2 MPa，其余压力面的压力均为大气压。不同角度下的压力面参数设置见表2。

表2 不同角度下边界环境参数设置

2.5 控制方程和湍流模型

模拟流体对象为气-固混合流体，在引射除尘器内部运移为湍流模型。采用κ-ε两方程模型来求解湍流扩散问题时, 控制方程包括连续性方程、动量方程、组分运输方程和κ-ε方程。选择Discrete Phase Model(离散相)模型模拟粉尘在气体中的流动。模拟过程中为计算方便，将流体对象视为不可压缩、不计粘性的理想流体，并忽略管壁摩擦。

3 模拟结果

本研究主要探讨喷嘴角度的一个最佳范围，在引射除尘器管壁模型不变的情况下，喷嘴分别设置0°、15°、30°、45°、60°和75°这6个角度来进行数据模拟。本次模拟综合引射除尘器内部流线走向、引射面压力分布、引射面压力与外部大气压压差变化曲线、引射风量变化4个指标，来评判引射除尘器性能的优良，使得分析结果更为准确。

3.1 射除尘器内部流线分析

不同喷嘴倾斜角度下引射除尘器内部流线图如图3所示。

从图3的模拟结果可以看出，喷嘴角度为0°和15°时，引射除尘器的接受段流线图比较平滑；喷嘴角度在15°～75°过程中，接受段流线出现旋涡，随着喷嘴角度的增大，旋涡范围逐渐增大，喷嘴角度在60°和75°时甚至出现了回流。

3.2 引射面压力分布分析

不同喷嘴倾斜角度下引射面压力分布云图如图4所示。

从图4的模拟结果可以看出，喷嘴角度为0°和15°时，引射面压力分布比较均匀，喷嘴角度15°时引射面绝对压力较小；喷嘴角度在15°～75°过程中，随着喷嘴角度的增大，引射面绝对压力分布越来越不均匀，且引射面绝对压力逐渐升高。

图4 不同喷嘴倾斜角度下引射面压力分布云图

3.3 引射压差大小分析

对引射效果进行直观的定性分析后，通过对喷嘴不同角度下的引射压差的大小比较进行定量分析，引射压差是引射面绝对压力与外部环境(大气压)的压差，引射压差越大，则说明引射效果越好。不同喷嘴角度下的引射压差折线图如图5所示。

图5 不同喷嘴角度下的引射压差折线图

从图5可以看出，各角度下引射面压力与外部大气压压差均较小。随着喷嘴倾斜角度逐渐变大，引射面与大气压的压差先增大后减小，尤其在0～15°引射压差变化速率较快。在喷嘴角度为15°时存在压差最大值，此时引射效果最好。

3.4 引射风量分析

本次模拟中采用的性能指标为引射风量计算公式见式(1)：

Q=S×V×60

(1)

式中：Q——引射风量，m3/min；

S——引射面面积，m2；

V——引射速度，m/s。

根据井下的实际情况，引射式除尘器的引射风量约为500～600 m3/min。

不同喷嘴角度下的引射风量折线图如图6所示。

从图6可以看出，随着喷嘴倾斜角度逐渐变大，引射风量先增大后减小，其变化趋势与引射压差一致。在喷嘴角度为15°左右时达到最大值，引射风量最大，满足井下引射风量需求。

综上所述，喷嘴在倾斜15°时，引射除尘器的引射面压差最大，引射风量最大，压力分布均匀。

图6 不同喷嘴角度下的引射风量折线图

4 结论

本文利用CFD模拟喷嘴不同角度下引射除尘器的引射性能可以得出，喷嘴倾斜角度过小或者过大以及引射除尘器内部流线不光滑容易出现旋涡或回流；引射面压力分布不均容易导致引射气流紊乱；引射压差达不到理想最大值，引射风量较小。经模拟分析结果可以看出，喷嘴角度在15°时，其引射压差达到最大值，获得最大的引射风量。如此，可在最佳角度值下对引射除尘器进行设计来提高除尘效率，减少能量损失，对以后的现场试验也有较大的指导意义。