独头掘进巷道排柴油机尾气通风参数的数值模拟优化研究

马东华，左 淳

(中核二十五建设有限公司,湖南 长沙 410000)

0 引 言

巷道掘进爆破后的具体施工过程是采用柴油装载机与矿用运渣车结合的施工方式，在掘进施工的出渣阶段会产生柴油尾气。但是，柴油设备工作时要排放出大量的有毒气体，如一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、醛类、致癌物质等有害成份，并造成巷道内空气的严重污染[1]。没有净化装置，有害成份超过卫生标准几百倍。因此，合理的确定巷道通风所需风量，保证工作人员具有安全的劳动条件是一个非常重要的问题。对于地下矿井，根据Y.Zheng等人的研究发现，柴油机尾气可用C8H18近似等效代替[2]，因此本文采用C8H18作为柴油机尾气的等效替代物进行模拟。根据《非金属地下矿山通风系统调查及检测研究》[3]，在矿井需风量计算时，有柴油设备运行的矿井，按同时作业机台数计算，供风量应不少于4 m3/(min·kW)。根据美国联邦矿法规限制矿工个人接触柴油机尾气不得超过总碳(total carbon,TC)160 μg/m3[2]。

目前矿井通风是控制柴油机尾气浓度的主要方法之一。独头掘进巷道的通风方式主要有压入式、抽出式和压抽混合式三种，压入式由于控制简单、成本较低等原因而被广泛使用[4]。高建良等[5]研究了风筒出口位置对瓦斯分布的影响，发现出口离掘进迎头越近，瓦斯量越少；朱红青等[6]利用数值模拟手段研究了大断面掘进工作面压入式通风风筒的最佳安设高度，结果表明大断面掘进工作面压入风筒最佳安装高度为3 m；但是前人仅考虑了排瓦斯、炮烟、粉尘等，很少考虑柴油机尾气的分布规律。并且对于衢州市某地下工程长距离、大断面的巷道，需要具体问题具体分析，来达到更好的排柴油机尾气的效果。因此了解柴油气尾气的迁移规律，确定合理的通风设计，不但可以节约成本，保障矿井下的安全，而且对于地下开采作业具有重要意义。计算流体力学数值模拟(CFD)可以在计算机环境中描述工作面附近的局部通风情况，因其具有直观快速、模拟预见性等特点，已逐渐成为一种成熟的分析方法，并在矿山的通风系统模拟优化中广泛应用[7]。因此通过构建CFD模型，从柴油机产生的尾气角度出发，采用数值模拟方法进行研究。

1 尾气运移数值模型构建

1.1 数学模型

计算域内的气体使用连续方程、动量守恒方程和能量守恒方程作为连续相求解。根据独头巷道的气体流动情况，做出一些假设：

1)柴油机尾气视为气体，不考虑尾气成分之间的化学反应。

2)空气和柴油机尾气都是不可压缩的。

3)忽略由流体的黏性力做功所引起的耗散能量[4]。

4)柴油车是静止的。

基本控制方程：由巷道内气体运动的基本假设，在绝对(惯性)坐标系中，可分别将连续性方程及动量守恒方程表示为[4]

(1)

(2)

能量方程：

(3)

组分运移方程:

(4)

式中ρ为流体密度，kg/m3;U为各时均速度分量，m/s;τ为应力张量;g为重力加速度；p为流体微元体受到的压力，N；cp为比热容；keff为流体导热系数；T为温度；ωi为C8H18的质量分数；Di，eff为C8H18的扩散系数；μt为湍流黏度；Prt为湍流普朗特尔数；Sct为湍流施密特数。

1.2 几何模型

利用ANSYS Workbench对模型简化并建立巷道几何模型，该掘进巷道为三心拱巷道，巷道宽4.3 m，巷道高4.45 m，长度为60 m掘进面按矩形巷处理，风筒敷设在巷道壁面右侧，风筒中心轴线到巷道顶板的距离0.5 m。中心轴距地面3 m，风筒直径为800 mm，风筒出口到掘进面距离为10 m。以靠近掘进面的风筒截面为新鲜风入口，远离掘进面的巷道末端截面为出口，整个巷道内部设为流体。

图1 几何模型Fig.1 Geometric Model

1.3 网格划分

结合所要解决的柴油机尾气扩散问题，在workbench建模之后，对巷道及风筒采用四面体加六面体网格，并对不同尺寸网格进行了高、中、低3种不同精度的网格测试，确保模拟结果的准确性。单元最小长度为0.25，网格总数为691 506个。网格划分结束之后，设定边界条件的类型为后处理器做准备，指定靠近掘进的风筒口为速度入口(velocity-inlet)，和装载机的排气筒出口设置为速度入口(velocity-inlet)。远离掘进面的巷道断面为气体出口(outflow)，柴油车、风筒和巷道壁面分别设置为壁面边界(wall)。网格生成结果如图2所示。

图2 几何模型的网格图Fig.2 Grid diagram of geometric model

1.4 模拟参数及其边界条件

k-ε模型在矿山通风类数值模拟中是最常用的模型之一[7-8]，因此使用标准k-ε模型进行模拟计算。边界条件的设置包括环境参数，压力设置为标准大气压101 325 Pa，风速入口温度设置为27 ℃。柴油车尾气在巷道中扩散时需要考虑重力和浮力的影响，设置重力加速度的方向为Z，大小为-9.81 m2/s。在柴油车尾气扩散过程中巷道壁面是静止的，没有发生任何位移，因此选用无滑移的壁面条件(wall)[9]。其中风筒、柴油车和巷道壁面的粗糙度分别设置为0.1 cm，0.2 cm和5 cm[7]。

柴油车功率162 kW，按照柴油机负荷率η=70%，经计算需风量为7.56 m3/s，得到通风出口风速15 m/s，同时设置湍流强度为2.93%和水力直径0.8 m。柴油车的排气筒出口风速22.8 m/s，温度为321 ℃，C8H18密度为4.84 kg/m3，质量分数设为4.0×10-6，在空气中的扩散系数为5.0×10-6，动力黏度为6.75×10-6kg/m·s，导热系数为0.017 8 W/m·K[10]。湍流参数选择湍流强度3.57%和水力直径0.1 m；按照排柴油机负荷率η=50%，经计算需风量为5.4 m3/s，得到通风出口风速10 m/s，同时设置湍流强度为3.08%和水力直径0.8 m。柴油车的排气筒出口风速16.3 m/s，温度为321 ℃，湍流参数选择湍流强度3.72%和水力直径0.1 m。

2 模拟结果分析

掘进面风流场的特征对柴油机尾气中C8H18质量浓度分布及其扩散情况至关重要，为了研究巷道内部空间风流流场的分布情况，分别对柴油机负荷率η=70%和η=50%(柴油机运行功率分别为额定功率的70%和50%)，风筒距地面高度3 m和2.5 m，风筒距工作面的距离La依次为5、7、9、11、13、15和17 m的情况对排柴油机尾气的影响。以工作面为起点，定义沿y轴方向每间隔1 m的断面柴油机尾气平均质量浓度为Cy，用于分析巷道内尾气质量浓度的分布规律；柴油车附近平均质量浓度为Cv，用于分析掘进作业空间排柴油机尾气的效果；La为风筒距离工作面的距离，m；Lb为断面到工作面的距离，m；H为风筒距地面的高度，m。模拟结果如图4所示。

图3 通风气流的流线图Fig.3 Streamline diagram of ventilation airflow

图4 Lb=7 m,H=3 m时柴油尾气浓度分布Fig.4 Diesel exhaust gas concentration distribution when Lb=7 m and H=3 m

2.1 压入通风下柴油机尾气的迁移规律

对柴油机负荷率η=70%，风筒距地面高度H=3 m，距工作面的距离La依次为5、7、9、11、13、15和17 m的情况对排柴油机尾气的影响。计算不同压入式风筒位置下的柴油机尾气质量浓度分布。当固定风筒高度后，随着压入式风筒距工作面的相对距离变化，对柴油机尾气的迁移产生了相应的改变。为了更好的展现出柴油机尾气的迁移规律，对巷道进行柴油机尾气质量浓度的面平均计算，并绘制折线图5。由折线图可以清楚地看出，7种风筒距工作面的距离，都随着Lb的增加，出现柴油机尾气质量浓度先增大再减小，最终保持不变的现象。在Lb的范围20～60 m时，Cy接近60 μg/m3。根据图6的断面柴油机质量浓度分布云图，同样显示在距20 m的情况下，Cy已基本保持不变，达到稳定的状态。

风筒出风口距工作面La=5 m时，当Lb在0～15 m的范围时，Cy快速上升，在Lb=15 m左右的范围时，柴油机尾气的平均质量浓度达到了峰值，超过140 μg/m3，在Lb约为30 m时，Cy基本达到平衡的状态，柴油机尾气的质量浓度在60 μg/m3；当La=7 m时，Lb在0～15 m的范围时，Cy快速上升，Lb在15～20 m，Cy快速下降，在Lb约为20 m时，Cy基本达到平衡的状态，柴油机尾气的质量浓度在60 μg/m3；发现Cy随着Lb的增加，先增大后减小，最终保持不变。Lb在0～20 m的情况范围内，随着La在5～13 m的范围增加，Cy随之减少；当La在13～17 m的范围增加，Cy呈现上升趋势。

图5 η=70%和H=3.0 m时Cy随Lb的变化Fig.5 Cy changes with Lb when η=70% and H=3.0 m

图6 La=13 m时，巷道Lb断面的Cy云图Fig.6 Cy phogram of Lb Section of Roadway when La=13 m

Lb=5 m时，为驾驶室位置的柴油机尾气质量浓度分布；Lb=8 m时，为排气管位置的柴油机尾气质量浓度分布，最高达到了800 μg/m3；根据图6的断面柴油机质量浓度分布云图，Lb=20 m的情况下，柴油机尾气质量浓度已基本保持不变，达到稳定的状态。

1)不同高度对比分析

对柴油机负荷率η=70%，H=2.5 m，风筒距工作面的距离La依次为5、7、9、11、13、15和17 m的情况对排柴油机尾气的影响。由图7可以看出，随着La的不同，巷道的排柴油机尾气的效果产生了差异。7种不同La的距离，Lb在0～10 m的范围内，Cy快速升高，Lb在15～20 m的范围内，Cy迅速下降。同样在Lb=20 m，Cy已基本保持不变，稳定在60 μg/m3左右。最终发现在La在13～15 m范围时，在60 m的巷道Cy较低。H=2.5 m相对于H=3.0 m，Lb在5～20 m的情况范围内，在La=5 m、7 m时，Cy大幅下降；La=9 m、11 m时，Cy基本不变；La=13 m、15 m时，Cy有部分降低；La=17m时，Cy略有增加。

图7 η=70%和H=2.5 m时Cy随Lb的变化Fig.7 Cy changes with Lb when η=70% and H=2.5 m

2)不同柴油机负荷率尾气排放对比分析

假设在不同负荷下，柴油机效率相同，按照柴油机负荷率η=50%的尾气需风量进行模拟。本组模拟首先固定H=3 m时的，La依次为5、7、9、11、13、15和17 m，对排柴油机尾气的影响，模拟结果如图8所示。

当La=5 m，在Lb在0～15 m的范围内，Cy迅速上升，达到接近160 μg/m3的峰值，又在Lb=15～20 m的范围内，Cy迅速下降。当La=7 m、9 m、11 m、13 m时，在Lb在0～13 m的范围内，Cy迅速上升，Lb在13～20 m的范围内，Cy迅速下降。根据图8发现La=15 m，在Lb比较小的距离，Cy迅速上升。发现Cy随着Lb的增加，先增大后减小，最终保持不变，在距工作面20 m，Cy接近60 μg/m3，已基本达到稳定的状态。Cy随着La的增加，Cy先降低后增加。在Lb0～20 m的情况范围内，当La在5～15 m的范围增加，Cy随之呈现下降趋势，La在13～15 m范围，Cy最低。在风筒距地面高度3 m时，在两种柴油机负荷率的条件下(风量和功率成正比)，柴油机尾气质量浓度Cy随Lb的变化曲线基本保持一致。

图8 η=50%和H=3.0 m时Cy随Lb的变化Fig.8 Cy changes with Lb when η=50% and H=3.0 m

2.2 压入通风下排柴油机尾气的效果

由于柴油车附近是人员活动密集的区域，因此确保柴油车附近柴油机尾气体质量浓度低，是评价通风效果的重要指标。因此取柴油机附近12 m的平均质量浓度，进行计算。计算结果如下表1所示。在La=13 m，H=3 m的情况下，柴油机周围体平均浓度达到最小值63.56 μg/m3，相比较与其他条件下的柴油机附近平均体积浓度最低。因为设定每间隔2 m一个La参数，理想的风筒距工作面的距离应是一个范围，La=15 m是次优选择。由此可以得出结论La在13～15 m范围排柴油机尾气效果较好。在同种风筒出风口距工作面13 m时，风筒距地面高度3 m时，比风筒距地面高度2.5 m的柴油机尾气的平均质量浓度低3 μg/m3。由此可以得出结论风筒距地面3 m与风筒距地面2.5 m相比较，风筒距地面3 m排柴油机尾气效果较好。

表1 柴油机周围平均质量浓度CvTable 1 Average mass concentration of the body around the diesel engine 单位:μg·m-3

3 总 结

为了分析地下无轨独头掘进巷道内柴油机尾气的迁移规律，以衢州某地下工程大断面独头掘进巷道为对象，采用CFD数值模拟的方法对柴油机产生的尾气进行计算。通过模拟结果得到压入式通风方式下，风筒距工作面和地面的相对位置对柴油机尾气运移的影响。获得的结论为：1)在两种柴油机负荷率下，风量和功率成正比，压入式的风筒距工作面的距离为13～15 m，距地面3 m时，排柴油机尾气效果最好；2)在风筒距地面高度3 m时，随着风筒距工作面的距离增加，在独头掘进巷道内柴油机尾气平均质量浓度先减少后增加。