基于CFD的二次负压降尘装置仿真研究*

郝英豪，李锋锋，张岩峰，孙孝华，薛景辉，王亮

(1.中天合创能源有限责任公司， 内蒙古 鄂尔多斯市 017010；2.山东科技大学， 山东 青岛市 266590)

0 引言

采煤机在进行工作时不可避免地会产生大量的粉尘，当粉尘达到一定浓度时会发生爆炸，从而危及生命安全，所以研究高效的降尘方法，解决粉尘带来的危害，是煤矿开采的重中之重。目前国内煤矿主要采用喷雾降尘，水流经过喷嘴，由高压喷嘴喷出的水流与空气相互作用而破裂形成水雾，水雾和空气中的粉尘颗粒吸附融合后，由于重力变大而沉降，从而达到降尘的效果，其优点是操作简单、制造成本低，但耗水量大。而二次负压降尘装置是通过该装置中的高压喷嘴喷射出的水雾，在高速运动过程中受到管道的约束形成水雾活塞，装置中的空气被水雾推出而形成负压，从而卷吸粉尘进入装置与水雾结合，使粉尘进一步被净化，该装置可以实现二次降尘，并且捕尘降尘效果好。本文通过Fluent仿真软件对二次负压装置的喷管结构进行仿真，主要研究渐缩管角度、渐缩管长度、喉管半径以及喷嘴安装位置对二次负压降尘装置产生的负压影响，从而提高降尘效果。

1 建立模型

1.1 物理模型建立

利用3D绘图软件SolidWorks对二次负压降尘装置的喷管进行三维建模，该喷管由形状为锥形的渐缩管、扩散管以及形状为直管的喉管组成。喷管模型如图1所示。

图1 二次负压降尘装置喷管模型

1.2 数学模型建立

本次研究的二次负压降尘装置内部有喷雾流场，介质为水，该装置中产生的负压卷吸含尘气流进入喷雾场，形成气雾两相流场，气雾两相流在该装置中以湍流形式流动，采用k-εRNG方程模型，相比于标准的k-ε模型做出了改进，提高了高速流动的准确性以及计算精度，使计算结果更加准确。

连续性方程：

式中，ρ为流体密度，kg/m3；μi为流体速度，m/s。

N-S动量守恒方程：

式中，P为压力，Pa。

2 对模型进行有限元仿真

2.1 网格划分

将画好的二次负压降尘装置喷管模型导入Workbench Mesh中，然后在Mesh中进行网格划分以及各个面的命名选择，选择左端面为速度入口，右端面为速度出口，其余面设置为壁面。网格划分过粗会造成仿真的结果误差比较大，网格划分过细会导致计算机生成网格时困难以及在Fluent进行求解时计算难度大。该模型网格划分采用非结构化四面体网格，网格尺寸3 mm（见图2），网格质量经过Fluent检查符合要求。

图2 喷管模型计算网络

2.2 参数设置

将网格模型导入Fluent进行参数设置，求解器类型选择基于压力的；速度公式选择绝对；时间设置为稳态；模型选择k-εRNG模型；时间步长设置为1 s；迭代步数设置为300步；打开离散相模型，设置喷嘴的一些相关参数，见表1。

表1 喷嘴相关参数设置

3 .仿真结果分析

在CFD-Post中对得到的仿真结果进行后处理，得到粒子轨迹图和速度矢量图，如图3所示。从图3明显可以看出水流喷出后受到管壁的约束，沿管壁运动，水流离开渐缩管进入喉管后速度急剧增加，并且从扩散管喷出时依然保持高速；同时由于喷管中的压力小于外界压力，空气中的粉尘被卷吸进入管中实现二次降尘，并且被卷吸的粉尘速度很小。

图3 粒子轨迹以及速度矢量

3.1 渐缩管角度α的A影响

保持二次负压降尘装置喷管模型总长度 200 mm、渐缩管长度120 mm、喉管半径30 mm、喉管长度40 mm以及渐扩管长度为40 mm不变，改变渐缩管的角度α，分别对渐缩管角度为 0°、10°、20°、25°的情况下进行仿真分析，得到不同渐缩管角度下二次负压降尘装置中心轴上压力变化，如图4所示。

图4 不同渐缩管角度下的压力变化

从图4可以看出，同一渐缩管角度下，该装置中的负压从渐缩管到扩散管先增大后减小，并且在喉管处的负压最大，当渐缩管角度为 25°时，喉管处的最大负压可以达到-9000 Pa，可以很好卷吸周围含尘气流进入装置中。同时随着渐缩管角度的增加，该装置中的压力逐渐增大，并且增大幅度越来越明显，该装置的体积也逐渐增大，考虑到煤矿下工作环境狭小，选择渐缩管角度为25°。

3.2 渐缩管长度L的负压影响

在渐缩管角度为 25°的情况下，其他参数、边界条件以及模型设置保持不变，分别对不同渐缩管长度L的二次负压降尘装置进行模拟，取渐缩管的长度为60，80，100，120 mm，得到不同渐缩管长度下的压力云图，如图5至图8所示。

图5 渐缩管长度60 mm压力云图

从图5至图8可以看出，随着渐缩管长度的增加，二次负压降尘装置中的负压也随之增加，负压越大，越利于卷吸粉尘。当渐缩管角度一定时，渐缩管长度越大，入口端的面积越大，负压吸尘的面积范围也会增大，单位时间内卷吸含尘气流越多，渐缩管内正压范围越大，综合考虑选择渐缩管长度为120 mm。

图6 渐缩管长度80 mm压力云图

图7 渐缩管长度100 mm压力云图

图8 渐缩管长度120 mm压力云图

3.3 喉管半径r负压影响

选择渐缩管角度为 25°、渐缩管长度为 120 mm，其他条件保持不变，改变喉管的半径r，分别对喉管半径为25，30，35 mm的情况进行仿真分析，得到不同喉管半径下二次负压降尘装置中心轴线上的压力变化，如图9所示。

从图9可以看出，同一喉管半径下，该装置中的负压先增大后减小。随着喉管半径的增加，从入口端到距入口端100 mm范围内，二次负压降尘装置中的负压大小很接近，从距入口端120 mm位置到出口端范围内，二次负压降尘装置中的负压逐渐增大，并且增大幅度明显。同时喷嘴的喷射角影响喉管的半径，当喉管半径大于喷射半径时该装置内不能形成负压，而喉管半径越小，单位时间内喷出的水雾越少。综合考虑，在喷嘴的喷射半角为 20°的情况下，选择喉管半径为25 mm。

图9 不同喉管半径下的压力变化

3.4 喷嘴安装位置的负压影响

在渐缩管角度为25°、渐缩管长度为120 mm、喉管半径为25 mm，其他条件及参数不变的情况下，改变喷嘴的安装位置，依次对喷嘴距离入口处120，90，60 mm处进行仿真分析，得到不同喷嘴安装位置下的压力变化，如图10所示。

图10 不同喷嘴安装位置时的压力变化

从图10可以看出，随着喷嘴安装位置的改变，二次负压降尘装置中的负压变化较小，而二次负压降尘装置中喉管处的负压最大，卷吸粉尘能力最强。因此，为了发挥喉管处负压最大的优势，将喷嘴安装在距离入口处120 mm的位置。

4 结语

（1）从仿真结果可以得出渐缩管角度、渐缩管长度、喉管半径对二次负压降尘装置中的负压有影响，并且对该装置中的负压影响大小依次是渐缩管角度、喉管半径、渐缩管长度。

（2）通过仿真结果可以分析出渐缩管角度25°、渐缩管长度120 mm、喉管半径25 mm、喷嘴安装位置距离二次负压降尘装置120 mm组合最优。

（3）喷嘴的不同安装位置对管中的负压影响较小，而管中的负压在喉管处产生的负压最大，为了使粉尘与水雾结合时可以更好地从管中喷出，减少管中残留，最好把喷嘴放置在渐缩管与喉管的交界处。