多层螺旋雾幕技术的喷雾模拟及降尘试验研究*

荆德吉，徐 放，葛少成，张 天，孟祥曦

(1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000； 2.辽宁工程技术大学 安全科学与工程研究院，辽宁 阜新 123000; 3.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室(辽宁工程技术大学)，辽宁 阜新 123000； 4.太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原 030024)

0 引言

掘进工作面是煤矿的主要产尘区域，随着采掘技术的进步，矿井掘进的效率逐步提高，然而高效率的掘进作业随之带来的是产尘量的增加，导致更严重的粉尘污染[1-3]。

目前对于煤矿的开放性尘源所采用的除尘方法多为喷雾除尘[4]，然而传统的内外喷雾有很多弊端，如水雾的扩散速度较慢，水雾范围较小，不能有效阻止粉尘的扩散，导致除尘效率不高[5-6]。多项模拟和实验表明，利用雾幕相比传统喷雾控尘效果更好，且风幕对集尘与除尘也有良好的效果。刘宝明等对掘进机旋转喷雾降尘进行了应用研究[7]；张建卓等基于Fluent模拟论证提出了掘进面集尘风幕除尘方案[8]；李雨成等设计风幕控尘装置并通过试验验证装置的优越性[2]；Nie等采用数值模拟与现场测试的方法对旋转风幕对掘进工作面的抑尘效果展开研究[9];钱杰等在现有旋转风幕除尘的基础上加入了喷雾，对旋转水雾除尘进行了研究[10]。

为了进一步提高掘进工作面喷雾除尘效率，以旋风雾幕除尘为依据，结合已知除尘方法进行改进，提出了多层螺旋雾幕除尘方法。与风机提供风力不同，该方法以空压机提供气压，通过喷嘴射出气流。相比传统的单层雾幕，喷嘴的多层螺旋排列方式也有助于形成多层且范围更广的螺旋雾幕。利用气水两相流的方式喷雾，研究这种方式下喷射出的气流对水雾的运动轨迹及结构的影响以及对除尘效果的影响。通过Comsol模拟软件的模拟仿真得出多层雾幕装置工作时的风流场和雾滴运动轨迹并分析其对除尘效果的影响，为喷雾除尘试验提供理论依据。再通过搭建试验平台来测试自然沉降、传统喷雾和多层螺旋雾幕3种除尘方法的除尘效果，确定多层螺旋雾幕除尘方法的高效性。

1 多层螺旋喷雾模拟计算分析

利用Comsol软件模拟计算多层螺旋喷雾的气流流场、风速、粒子轨迹，以此说明该方法对气流及水雾流向的影响，为下一步的试验提供保证和可靠依据[11-12]。

1.1 装置设计与模型建立

该方法主要应用于掘进工作面，通过在掘进机上安装多层螺旋雾幕装置形成多层雾幕来提高控尘效果。在众多的可形成多层雾幕的装置构造方案中，将喷嘴呈螺旋排布的方法结构简单容易实现，且该构造可使射出的水雾有向前的分速度，有利于水雾的向前推进。如图1所示，该装置设计为：在掘进机的截割臂上安装管路支架，用以固定管路和喷嘴；供水管与供气管一端分别与水泵、空压机相连，另一端管体呈螺旋状盘绕在管路支架上；支架固定的供水管与供气管之间连接若干喷嘴，由水泵和空压机提供喷雾动力，由若干喷嘴喷出水雾形成多层雾幕，且有效除尘区域可随着掘进机头位置的变化而变化，进一步提高掘进工作面的除尘效果。

1.喷嘴；2.供水管；3.供气管；4.水泵；5.空压机。图1 多层雾幕除尘装置设计示意Fig.1 Schematic diagram of multi-layer fog curtain dust removal device

利用Comsol数值模拟研究该装置应用在掘进工作面时的工作效果，分析该方法的特点及可行性。以2层雾幕为例，如图2所示，建立宽度和高度均为4 m的巷道模型，以巷道中心轴为准建立10只以2层螺旋排布的空气雾化喷嘴，喷嘴的气流出口与喷雾出口的方向均为沿螺旋线向前的切线方向，螺旋的外环半径为0.15 m，轴向截距为0.35 m，径向截距为0.25 m。

图2 模型建立及网格划分Fig.2 Model building and meshing

1.2 湍流模型

风流场和风速的计算采用标准k-ω湍流模型，该模型对逆压梯度流场的计算有较高的精度，可应用于墙壁束缚流动，即可应用于对掘进巷道的气流流向、流速的计算[13]。

(1)

设巷道内空气不可压缩，湍流动能k的输运方程为：

ρ(u·)k=

(2)

湍流耗散率ω的输运方程为：

ρ(u·)ω=·[(μ+μTσω)
ω=om

(3)

式中：ρ为密度，kg/m3；μT为湍流黏性系数；u为风速，m/s；σk和σω分别为湍流动能k和耗散率ω的普朗系数；-pl为雷诺应力，N；F为其他外力，N。

1.3 曳力模型

水雾粒子轨迹的可利用流体曳力模型计算。只要物体在流体中存在相对速度，这个物体就会受到流体给它的作用力，即为流体曳力。

流体曳力服从Schiller-Naumann定律[14]：

(4)

式中：FD为曳力，N；τp为剪切应力，N；CD为曳力系数；Rer为雷诺数；mp为液滴质量，kg；u，v分别为风速和液滴运动速度，m/s；ρp为液滴密度，kg/m3；dp为液滴直径，μm；μ为气体动力黏度，Pa·s。

1.4 液滴破碎模型

K-H破碎模型用来解释2种运动流体产生的不稳定性，当2种流体做平行运动且达到一定的相对速度，就会过渡至不稳定状态而破碎成更小的液滴[15]。基于该原理可以模拟水雾的破碎情况，计算出雾滴粒径。

基于液体射流的线性稳定分析，液滴破碎时半径变化率为：

(5)

式中，rch为破碎后液滴半径，μm；t为时间，s；rKH为破碎前液滴半径，μm；τKH为破碎时间，s。

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：ΛKH为不稳定波波长；ΩKH为增长最快的不稳定波频率；τKH为破碎时间；Z为液体Ohnesorge数；T为泰勒数；Wel为液体韦伯数；Weg为气体韦伯数；Rel为液体雷诺数；Urel为气液速度差，m/s；rp为初始的液滴半径，μm；ρ为气体密度，kg/m3；σp为液体表面张力N/m；μp为液体动力黏度，Pa·s；BKH为经验模型参数，取值与喷孔尺寸设计和喷雾状态有关，通常取10。

破碎后形成的液滴半径：

当B0ΛKH≤rp时，

rch=B0ΛKH

(10)

当B0ΛKH≥rp时，

(11)

式中：B0为模型经验参数，用来控制破碎时间。

1.5 模型条件参数设定

以下参数设置均以环境温度为20 ℃时的工作状态为依据设定。环境和喷雾参数设定如表1所示。

表1 参数设定Table 1 Parameter setting

1.6 模拟结果分析

计算待风流稳定后的稳态结果，风流走向如图3所示。

图3 风流走向Fig.3 Wind flow direction

从图3可以看出，在各个喷嘴射出的风流之间相互扰动与巷道墙壁对风流的顺向引导的作用下，形成了旋风，且旋风布满整个巷道。根据箭头的走向也可直观地看出其风向是旋转的。

将该巷道的速度场沿y轴方向分为4层切面，观察并分析各层之间风速分布的规律(见图4)。

图4 风速分布Fig.4 Wind speed distribution map

由图4可以看出，y轴正方向0～1 m处的最大风速在9～10 m/s左右，y轴正方向2～3 m处的最大风速在7～9 m/s左右，风速缓慢减小，各层最低风速在2～3 m/s左右。风速的分布规律为：巷道中间风速较小，各层风速大于7 m/s的区域为环状分布，且向前环状区域的范围逐渐变大。

将曳力模型的计算与湍流模型的计算结果耦合进行水雾粒子轨迹的计算，辅以K-H破碎模型计算雾滴的粒径变化[13]。设置每只喷嘴在1 s内喷出雾滴的数量为50，雾化模拟结果显示了雾滴分布和运动轨迹，分析水雾分布的特点及对除尘的影响。

图5的模拟结果显示出了喷雾第2 s时水雾的运动情况及形成的结构。喷嘴附近的水雾刚刚由喷嘴射出而没有大量扩散，因此雾滴分布密集，且喷嘴呈2层螺旋排列，在旋风的作用下会形成2层明显的螺旋雾幕并覆盖巷道截面，2层雾幕相比单层雾幕可进一步阻止粉尘的扩散，提高除尘效果。水雾刚刚喷出时粒径分布约在10 μm左右，而水雾也会受到风流的影响破碎成为粒径更小的雾滴。

图5 喷雾2 s时水雾分布Fig.5 Water fog distribution at 2 s after spray

图6为喷雾第5 s时粒子轨迹，此时2层雾幕仍然可见，然而由于旋风的作用，2层雾幕中的水雾很快扩散并充斥整个巷道，并根据图4可知风速分布对于粒子轨迹的影响。风速的不同决定了水雾疏密程度的不同，根据伯努利能量守恒原理，风速大的区域气压相对较低，气压低的区域更易聚集水雾与粉尘，由此可见喷雾5 s后水雾分布与图4的风速分布相近，内部风速较快，水雾的流动也较快，水雾分布也会比外部更密集，这便形成了喇叭状的旋转水雾。粉尘由于气压差的作用更易卷入水雾密集区域，在风流作用下快速与雾滴结合，实现控尘效果。巷道墙壁附近也有旋转水雾的分布，可对扩散至低风速取区的粉尘进行控制，且由于风速较小，扩散至低风速区水雾的粒径变化率较小，有利于水雾扩散至更远的区域，使除尘范围更广。

图6 喷雾5 s时水雾分布Fig.6 Water fog distribution at 5 s after spray

2 试验模型及设备

2.1 掘进工作面模型

试验将仿真掘进工作面在掘进过程中产尘和除尘过程，目的是将传统喷雾和多层环绕雾幕的除尘效果进行对比。本试验以长、宽、高分别为4，4，4 m的试验棚作为掘进巷道，前端模拟掘进过程中的产尘过程，后端模拟喷雾过程。多层旋涡雾幕装置设计如图7所示，用以固定喷嘴的管路支架结构与数值模拟中的喷嘴排列结构相同。

图7 多层旋涡雾幕试验模型设计Fig.7 Design of experimental model for multi-layer vortex fog curtain

2.2 主要试验设备和材料

如图8所示，主要试验设备有：水泵、空气压缩机、连接10只SV882气动喷嘴的供水管与供气管、螺旋状管路支架、由鼓风机和风筒组成的发尘装置、煤粉、粉尘浓度测试仪等。

图8 试验平台场景Fig.8 Scene of experimental platform

2.3 试验过程及方法

该试验在室内进行，试验棚的一端设置发尘装置，由风筒以及后端连接的鼓风机组成，可将煤粉吹入棚内。另一端模拟掘进机的多层螺旋雾幕除尘装置，由螺旋管和10只喷嘴组成，空压机与水泵共同提供喷雾动力，喷雾装置距尘源2.5 m，且正对尘源。由于喷雾除尘时工作人员距产尘点较远，且后端角落处极易聚集粉尘，所以测点设置在实验棚最左侧后端的一角。喷雾时水泵的水压设为0.12 MPa，空压机气压设为0.52 MPa。

2.4 3种不同除尘方式试验对比

用秤分别量取3组1.5 kg的煤粉用来分别进行3组试验，第1组用自然沉降的方法，第2组用传统喷雾除尘方法，第3组用多层螺旋雾幕除尘的方法。发尘装置启动后大约45 s发尘完毕，测量3组试验的粉尘浓度变化情况，粉尘浓度测试仪放在测点处。

第1组：取1.5 kg的煤粉发尘，发尘完毕使煤尘布满整个空间后，立即开启粉尘浓度测定仪进行浓度测量，发尘完毕以后的粉尘浓度C0及自然沉降1，2，3 min时粉尘浓度C1，C2，C3。

第2组：将喷嘴排列成环形，喷射方向调至向前并向外辐射，喷射角度60°，进行传统喷雾除尘。将1.5 kg煤粉装入发尘装置发尘，发尘完毕后启动水泵和空压机，水雾从喷嘴喷出，与此同时测量在发尘完毕后的粉尘浓度C0及喷雾1，2，3 min时粉尘浓度C1，C2，C3。

第3组：将喷嘴固定在管路支架上，喷射方向为沿支架螺旋的切线方向。取1.5 kg的煤粉发尘，发尘完毕后立即启动水泵和空压机，同时测出发尘完毕后的粉尘浓度C0及喷雾1，2，3 min时粉尘浓度C1，C2，C3。

记录3组试验各个时间段的粉尘浓度，根据该浓度数据，计算各组试验在除尘进行3 min时的除尘速率vn，用公式(12)计算：

(12)

式中：vn为第n阶段的除尘速率；C0为初始粉尘浓度，Cn为第nmin的粉尘浓度；h为除尘时间，min。

试验结果汇总见表2。

2.5 试验结果分析

由表2数据可知，1.5 kg煤尘发尘完毕后，试验棚内测点处的初始粉尘浓度始终保持在470 mg/m3左右，浮动微弱，可近似看做浓度相同。通过3组数据可知，传统喷雾的降尘效果好于自然降尘，多层螺旋雾幕的除尘效果好于传统喷雾除尘，其中仅用多层螺旋雾幕除尘的方法，在3 min后浓度降为3.68 mg/m3，达到了国家标准的4 mg/m3以下，呼尘的浓度也降到了1 mg/m3以下。在进行双层螺旋雾幕试验时，可清晰观察到2层密集水雾(拍照时，照片显示不明显，故未附图)，雾滴粒径更加细小，这与数值模拟结果一致，并且粉尘浓度变化结果也验证了该方案的正确性，说明多层螺旋雾幕除尘可更加有效地降低粉尘浓度。

表2 3种除尘方式下的各个时间的粉尘浓度变化及除尘速率对比Table 2 Comparison of dust concentration variation and dust removal efficiency at each time by three dust removal modes

多层螺旋雾幕除尘相比传统喷雾，有3点重要的优势：

1)传统喷雾除尘方法射出的气流无法相互作用形成连续的风流，容易造成气流紊乱并停滞。且水雾扩散速度较慢，水雾在巷道角落区域也仅处于缓慢沉降或布朗运动状态，无法使其与粉尘更快碰撞结合，造成除尘速率较低。而多层螺旋雾幕除尘方法由于可形成多层雾幕，旋风的作用使多层雾幕中的水雾很快扩散形成旋转水雾，水雾的覆盖范围更广且运动速度较快，可使雾滴与粉尘有更多的机会接触。

2)风流会使粒径较大的雾滴破碎成多个粒径较小的雾滴，粒径较小的雾滴更易与粉尘碰撞结合，且雾滴的数量增多也可增加雾滴与粉尘结合的可能性，提高控尘效果。

3)高速旋风形成负压区，由于气压的作用可使粉尘被吸入旋风流中，使粉尘有更多机会与水雾结合。

3 结论

1)通过湍流模型与流体曳力模型耦合计算表明，采用多层螺旋雾幕的方法，将喷嘴以2层螺旋排列，可产生2层较大范围的螺旋雾幕。且旋风的作用可使雾幕中的水雾很快扩散形成旋转水雾，快速流动的水雾可使粉尘迅速与雾滴结合，同时风流也会对水雾起到一定的破碎作用，使雾滴与粉尘的碰撞几率增加，提高控尘效果。

2)通过试验将自然降尘、传统喷雾除尘、多层螺旋雾幕除尘的除尘速率对比，多层螺旋雾幕对全尘与呼尘的除尘效果明显好于自然降尘与传统喷雾除尘。且仅使用多层螺旋雾幕除尘3 min后可使近470 mg/m3的全尘浓度降至国家标准4 mg/m3以下，并可将呼尘的浓度降到1 mg/m3以下。多层螺旋雾幕的试验也验证了数值模拟的正确性。