[发明专利]一种风幕控尘气固两相流数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于煤矿技术领域，尤其涉及一种风幕控尘气固两相流数值模拟方法。

背景技术

综掘工作面的除尘系统必须是高效集尘与高效除尘的统一，而首先要解决的是集尘效率问题，有效控制流场尘源，防止扩散，继而除尘。针对传统防尘技术在掘进生产应用的优点和不足点，国内外专家进行了风幕集尘除尘技术的研究，以求得更好地除尘效果。风幕是使空气以一定的风速从条缝口吹出而形成的隔断气帘。当出风窄缝长边与短边比超过10:1时，称为条缝射流。利用条缝射流原理，用压风机提供动力并通过风筒与风幕射流装置相连，将风幕射流装置安装在综掘面的综掘机上并位于综掘机司机的操作前方，利用射流装置喷射出的气流形成一道“无形透明屏障”，将掘进面产生的粉尘与人员工作的区域隔离开来，风幕起到的作用就是隔离粉尘也是风幕控尘的原理，风幕幕控尘原理中，然后利用长压短抽的抽出式风筒将控制处的粉尘抽出通过除尘风机净化，净化后的风流再流入掘进巷道，最后进入掘进巷道的回风系统，这样保证了掘进巷道的清洁和工作区域的卫生条件。风幕不像固体墙壁那样阻挡尘粒穿透，它的作用是利用射流气流将司机与煤壁侧分离开来，射流射向巷道的顶板和两壁，这道“无形透明屏障”使综掘机截煤时产生的粉尘不向掘进机司机方向扩散。另外在条缝射流的影响及压入和抽出风筒的作用下，射流卷携周围空气冲向顶板和巷道两壁，这样司机位置上方的粉尘折转向上，司机位两侧的粉尘被压入风流带入掘进工作面，污染区域的粉尘被阻隔在煤壁侧，阻止粉尘向掘进巷道内扩散，尤其是阻止粒径小于5μm的呼吸性粉尘向司机处扩散。实际上在风幕的卷吸作用下，只有少数尘粒在气流的横向脉动作用下穿过风幕，大部分粉尘粒子被隔绝在污染区域内，从而保证司机呼吸带空气的清洁以达到粉尘防治的目的。

风幕隔尘作用实际上相当于在综掘司机前方增加一个附加阻力层，形成一个无形屏障以阻止粉尘从煤壁侧向司机处扩散。因此，影响风幕隔尘效果的因素主要有两个：一个是风幕卷吸两侧空气的能力；另一个是风幕的抗扩散能力。为了提高风幕的隔尘效果，总希望风幕的卷吸能力越小越好，风幕下部卷吸的空气量越少，则从风幕上部卷出又进入防尘区的含尘空气量也就少，相应可降低防尘区的粉尘浓度，提高风幕的隔尘效率；同时又希望风幕的抗扩散能力越强越好，这样有利于阻挡粉尘从煤壁侧扩散到司机侧，然而风幕在实际应用中，这两个方面的作用又是相互牵制的，要使风幕的抗扩散能力增强，必须要求风幕具有较宽的厚度和较大的风速。风幕出口宽度越大，喷口风速越高，它的抗扩散能力越强，但同时风幕的卷吸作用也越大。如何来合理选取风幕的有关设计参数，保证风幕既能有效的阻止粉尘向防尘区扩散，又能使风幕卷吸空气量较小，这是实验研究的关键。

经过反复的现场实测得出，一般情况下，风流风速在综掘面巷道中较低，粉尘随着风流的运动呈现一定的分布规律，当距离工作面端头比较远时，其呼吸性粉尘或全尘的浓度都在迅速减小，此时离开发尘源的各种粒级都在纷纷沉降，一般远离工作面20～30m后沉降速度逐渐减慢，浓度也逐渐稳定。细微粒子、可呼吸性粉尘浓度变化更微弱，而距工作面3～4m范围内是高浓度粉尘最集中的地方，在此距离内大颗粒或相对大些粒子沉降速度很快，剩下的近乎于飘尘，随着风流飘动，通常情况下，风速在0.15m/s以上就可以进行排尘。所以，即使叠加流场边界流速很低，只要控制住尘源内的空气流场，并且风速达到0.3m/s，一般飘尘都会被驱赶、混扰进而排出。那么，如何控制含尘气流不向巷道内逸散便成为主要研究问题。通过实验表明，风幕技术可以较好地控制综掘面粉尘的扩散，尤其是控制呼吸性粉尘向司机处扩散。

综上所述，现有技术存在的问题是：

对于在原有综掘面供风和除尘系统上，如何合理地加装风幕，封住综掘自由面，如何通过合理地调整流场风速和风量，控制粉尘不向巷道扩散，在不影响人员的工作、通行和观察，有效达到粉尘治理目的，缺乏指导意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种风幕控尘气固两相流数值模拟方法。

本发明是这样实现的，一种风幕控尘气固两相流数值模拟方法，所述风幕控尘气固两相流数值模拟方法包括：

有风幕的巷道内粉尘运动的数值模型建立；

有风幕的巷道内粉尘运动的数值模型参数设置；

有风幕的巷道内粉尘运动的数值模型利用Gambit软件进行网格划分；

进行边界条件设定：通过采用离散相模型，对给定的压入风筒和风幕射流的进口为速度入口边界条件，巷道出口和抽出风筒、风幕风机入口为出流边界条件；巷道的壁面为reflect边界条件，并设定弹性恢复系数，出口设为escape边界条件。