超聲霧化降塵裝置數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究

王 飛，任 鵬，閆晶晶，高亞斌，李子文，賀志宏，劉振明

（1.太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西太原 030024；2.山西煤礦安全研究生教育創(chuàng)新中心，山西太原 030024；3.西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西太原 030000）

近年來(lái)，隨著煤礦機(jī)械化、自動(dòng)化程度不斷提高，礦井采煤工作面粉塵污染日趨嚴(yán)重，加大了礦井粉塵治理難度[1-3]，粉塵誘發(fā)的塵肺病一直危害著煤礦工人的健康[4-5]。呼吸性粉塵是引起塵肺病的主要因素，提高呼吸性粉塵的降塵效率成為重中之重。傳統(tǒng)噴霧降塵技術(shù)由于供水壓力限制，霧滴粒徑太大，霧化效果不佳，降塵效率一般，而且耗水量極大，噴霧降塵可能導(dǎo)致巷道積水現(xiàn)象，影響工人工作環(huán)境[6]。相對(duì)于傳統(tǒng)降塵技術(shù)，超聲霧化方法與普通超聲霧化方法的降塵原理都是由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生頻率極高的電磁振蕩后利用換能器轉(zhuǎn)化成超聲機(jī)械振動(dòng)，再將液體霧化，產(chǎn)生與粉塵粒徑相近的細(xì)水霧，從而達(dá)到有效降塵效果。超聲霧化方法不僅具有對(duì)水壓要求低、耗水量小，降塵效率高等特點(diǎn)，還充分利用了異質(zhì)冷凝機(jī)理構(gòu)造出密閉水霧飽和環(huán)境，使得超聲霧化水霧蒸發(fā)成為水蒸汽后迅速飽和并穩(wěn)定，飽和后的水蒸汽會(huì)直接在粉塵上凝聚，使顆粒不斷增大凝降[7-9]，對(duì)呼吸性粉塵降塵效果更為顯著。為此，結(jié)合超聲霧化方法建立超聲霧化降塵裝置三維幾何模型，對(duì)降塵布置參數(shù)進(jìn)行仿真模擬，選取參數(shù)最優(yōu)解；利用模擬參數(shù)最優(yōu)解，研制出超聲霧化降塵裝置，并進(jìn)行相似模擬降塵實(shí)驗(yàn)。

1 裝置模型數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型及參數(shù)設(shè)定

為便于數(shù)值計(jì)算，假設(shè)整個(gè)風(fēng)流運(yùn)動(dòng)及粉塵運(yùn)移過(guò)程無(wú)能量交換；裝置內(nèi)空氣為不可壓縮體；流體運(yùn)動(dòng)各向同性?；谝陨霞僭O(shè)，且考慮裝置內(nèi)的空氣流動(dòng)為紊流，在查閱相關(guān)資料及初步計(jì)算的基礎(chǔ)上擬采用Mixture 模型和DPM 模型兼容[10-12]來(lái)聯(lián)合追蹤顆粒運(yùn)動(dòng)。

顆粒軌跡的追蹤應(yīng)用的是牛頓第二定律：

式中：mp為粒子的質(zhì)量，kg；up為粒子的速度，m/s；t 為時(shí)間，s；Fd為顆粒運(yùn)動(dòng)所受阻力，N；Fg為顆粒所受重力，N；Fo為顆粒運(yùn)動(dòng)所受的其他作用力，包括浮力、旋轉(zhuǎn)力、Saffman 升力以及虛質(zhì)量力等，N。

Mixture 模型中的連續(xù)方程如下：

式中：ρm為混合物密度；vm為質(zhì)量平均速度；αk為第k 相的體積分?jǐn)?shù)；vk為第k 相的質(zhì)量平均速度；ρk為第k 相的密度，kg/m3。

以礦井實(shí)際尺寸作對(duì)照建立了超聲霧化降塵裝置的三維幾何模型，超聲霧化降塵裝置三維幾何模型如圖1。模型整體劃分為吸塵口、霧化箱和旋風(fēng)分離器3 個(gè)部分，裝置整體長(zhǎng)1.3 m，寬1 m，高1.25 m，吸塵喇叭外口直徑為0.5 m，模擬參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表1。

圖1 超聲霧化降塵裝置三維幾何模型Fig.1 Three-dimensional geometric model of the ultrasonic atomization dust suppression device

表1 模型參數(shù)設(shè)定Table 1 Determination of model parameters

1.2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

為了在計(jì)算精度與計(jì)算時(shí)間之間進(jìn)行平衡，得到更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)ansys mesh 對(duì)裝置模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分為3 種不同密度的網(wǎng)格，以2 點(diǎn)（0.15，0.1，-0.15）和（0.15，1.1，-0.15）之間的測(cè)線的速度來(lái)分析計(jì)算結(jié)果對(duì)網(wǎng)格密度變化的敏感性。計(jì)算模型網(wǎng)格劃分及檢驗(yàn)如圖2。由圖2 可以看出，低密度網(wǎng)格和中密度網(wǎng)格在距離吸塵口0.8 m 左右速度浮動(dòng)比較大，而高密度網(wǎng)格在吸塵口0.8 m 左右波動(dòng)較小且曲線平滑，因此選擇高密度網(wǎng)格作為模擬計(jì)算的網(wǎng)格密度，生成了1 424 943 個(gè)網(wǎng)格，降低網(wǎng)格精度對(duì)計(jì)算的影響。

圖2 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分及檢驗(yàn)Fig.2 Meshing and verification of calculation model

1.3 數(shù)值模擬

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)吸塵口位置，將超聲霧化降塵裝置的吸塵口垂直距離H 分別設(shè)置為0.1、0.6、1.1 m。根據(jù)裝置作用范圍，將超聲霧化降塵裝置的吸塵口直徑分別設(shè)定為0.1、0.2、0.3 m?；谙锏劳L(fēng)條件，吸塵口進(jìn)氣速度v 設(shè)為10、15、20 m/s 3 種工況。

1.3.1 吸塵口垂直距離對(duì)風(fēng)流及粉塵分布的影響

為了分析超聲霧化降塵裝置吸塵口垂直距離對(duì)風(fēng)流特性及粉塵分布規(guī)律，將吸塵口垂距H 分別設(shè)定為0.1、0.6、1.1 m 3 組，吸塵口直徑R=0.2 m，吸塵口進(jìn)氣速度v=10 m/s，吸塵口不同垂距下粉塵運(yùn)移速度及粉塵濃度分布如圖3。

圖3 吸塵口不同垂距下粉塵運(yùn)移速度及粉塵濃度分布Fig.3 Dust transport speed and dust concentration distribution under different vertical distances of the suction port

由圖3 速度流線分布可知，流場(chǎng)運(yùn)移受水霧場(chǎng)、風(fēng)流和氣壓影響較大，風(fēng)流進(jìn)入水霧箱中空間體積變大，同時(shí)粉塵顆粒截取一部分風(fēng)流能量，風(fēng)流速度損失嚴(yán)重，因此水霧場(chǎng)中速度較低。根據(jù)粉塵濃度分布云圖看出，隨著吸塵口的垂距不斷變小，排氣口處的粉塵濃度先逐漸增大接著逐漸減小。當(dāng)吸塵口垂距H=0.1 m 時(shí)，粉塵從吸塵口進(jìn)來(lái)分為1 條主流場(chǎng)和2 條分流場(chǎng)，主流場(chǎng)運(yùn)移分布范圍較大，而吸塵口垂距H=0.6 m 和1.1 m 時(shí)的流場(chǎng)與0.1 m 時(shí)有所不同，流場(chǎng)較為集中，吸塵口出口處沒(méi)有明顯分流場(chǎng)，尤其當(dāng)吸塵口垂距H=1.1 m 時(shí)，流場(chǎng)呈現(xiàn)“W”型運(yùn)動(dòng)，粉塵較為集中，且運(yùn)移時(shí)間相對(duì)合適。而工況條件為H=0.6 m 時(shí)的排氣口粉塵濃度高于其他2 種工況，但是吸塵口垂距H=0.1 m 時(shí)的粉塵過(guò)于分散，在水霧場(chǎng)中粉塵漂浮嚴(yán)重，且巷道中呼吸性粉塵大部分集中在巷道上部，吸塵口垂距大有利于迅速降低巷道呼吸性粉塵濃度。綜合以上風(fēng)流特性及粉塵分布分析，超聲霧化密閉除塵裝置吸塵口垂直距離H 的合理位置為1.1 m。

1.3.2 吸塵口直徑對(duì)風(fēng)流及粉塵濃度分布的影響

為了分析超聲霧化降塵裝置吸塵口直徑大小對(duì)風(fēng)流特性及粉塵分布規(guī)律，將吸塵口直徑R 分別設(shè)定為0.1、0.2、0.3 m 3 組，吸塵口垂直距離H=0.6 m，吸塵口進(jìn)氣速度v=10 m/s，吸塵口不同直徑下粉塵運(yùn)移速度及粉塵濃度分布如圖4。

圖4 吸塵口不同直徑下粉塵運(yùn)移速度及粉塵濃度分布Fig.4 Dust transport speed and dust concentration distribution under different diameters of the dust suction port

根據(jù)圖4 可知，風(fēng)流從吸塵口進(jìn)入水霧場(chǎng)中，速度變小，進(jìn)入分離器進(jìn)氣口處之后速度提升較快，最大速度可達(dá)48 m/s。隨著吸塵口直徑不斷變小，風(fēng)流進(jìn)入分離器的位置逐漸從水霧場(chǎng)頂部向下發(fā)展，過(guò)渡到沿水霧場(chǎng)與分離器交接壁面進(jìn)入分離器。當(dāng)吸塵口直徑R=0.3 m 時(shí), 風(fēng)流沿著水霧場(chǎng)頂部運(yùn)動(dòng)到旋風(fēng)分離器進(jìn)氣口，從分離器進(jìn)氣口y=0.7 m 斷面處的速度分布云圖，風(fēng)流運(yùn)移呈“U”型，速度較快的風(fēng)流集中在分離器進(jìn)氣口左右和頂部，風(fēng)流集中，粉塵在水霧場(chǎng)中沒(méi)有充分和超細(xì)水霧接觸，粉塵逗留時(shí)間短，粉塵顆粒和超細(xì)液滴之間的雙向耦合作用較弱，則排氣口處的粉塵濃度相對(duì)較高。吸塵口直徑R=0.2 m 和0.1 m 時(shí)的風(fēng)流運(yùn)動(dòng)與0.3 m 時(shí)有所不同，從y=0.7 m 斷面處看風(fēng)流運(yùn)移呈“L”型，其中直徑R=0.1 m 時(shí)的風(fēng)流相對(duì)其他2 種工況的風(fēng)流較為分散，且運(yùn)移方向較多，可以促使粉塵與超細(xì)水霧充分接觸碰撞，使分離器排氣口粉塵濃度進(jìn)一步降低，但其流場(chǎng)中有渦流場(chǎng)存在，渦流場(chǎng)速度較快，容易導(dǎo)致水霧和粉塵積聚，水霧場(chǎng)其他位置水霧稀薄。當(dāng)R=0.2 m 時(shí)，不僅風(fēng)流均勻分布于水霧場(chǎng)中，粉塵顆粒充分與水霧接觸，同時(shí)流場(chǎng)中沒(méi)有渦流，不會(huì)發(fā)生粉塵和水霧積聚。因此，通過(guò)綜合分析，最佳吸塵口直徑為R=0.2 m。

1.3.3 吸塵口進(jìn)氣速度對(duì)風(fēng)流及粉塵分布的影響

基于以上對(duì)吸塵口垂直距離和直徑大小對(duì)風(fēng)流流場(chǎng)和粉塵分布規(guī)律的影響，得出了垂直距離和直徑大小的相對(duì)合理布置參數(shù)H=1.1 m，R=0.2 m。進(jìn)一步研究超聲霧化密閉除塵裝置吸塵口進(jìn)氣速度v的作用規(guī)律，將v 分別為設(shè)置為10、15、20 m/s 3 種模擬工況。分析了霧化箱中風(fēng)流流場(chǎng)和旋風(fēng)分離器橫剖面x=0.9 m 時(shí)的粉塵濃度分布場(chǎng)，不同吸塵口進(jìn)氣速度的粉塵運(yùn)移速度及粉塵濃度分布如圖5。

由圖5 可知，隨著吸塵口進(jìn)氣速度的增加，水霧場(chǎng)中射流運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化，渦流現(xiàn)象明顯增加，渦流強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。當(dāng)v=10 m/s 時(shí)，風(fēng)流從吸塵口進(jìn)入，短暫水平運(yùn)移后呈“V”型流動(dòng)，且速度隨著時(shí)間增加而增加，無(wú)明顯渦流存在，粉塵在水霧場(chǎng)中與5 μm 的超細(xì)水霧耦合作用相對(duì)較弱，因此粉塵濃度較高。然而，當(dāng)v=15、20 m/s 時(shí)，從旋風(fēng)分離器排氣口剖面z=0.9 m/s 的粉塵濃度分布圖可以清楚看出，2 種工況情況下的粉塵濃度低于v=10 m/s 的粉塵濃度；v=15 m/s 時(shí)，風(fēng)流主體進(jìn)行“U”型運(yùn)移，風(fēng)流場(chǎng)最低點(diǎn)接近水霧場(chǎng)底部，粉塵與液滴耦合條件一般，但v=20 m/s 時(shí)的風(fēng)流一直螺旋運(yùn)動(dòng)，粉塵與超細(xì)水霧充分接觸碰撞，與液滴結(jié)合形成大顆粒，降塵效率會(huì)更加明顯，兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性，此時(shí)的進(jìn)氣速度最利于超聲霧化密閉裝置降塵。

圖5 不同吸塵口進(jìn)氣速度的粉塵運(yùn)移速度及粉塵濃度分布Fig.5 Dust transport speed and dust concentration distribution at different air inlet speeds

分析可知，吸塵口進(jìn)氣速度對(duì)超聲霧化密閉除塵裝置中的風(fēng)流和粉塵分布影響較大。因此，選取沿霧化箱測(cè)線（1 m，0 m）研究粉塵濃度和速度的變化規(guī)律。測(cè)線沿霧化箱軸線的粉塵濃度及速度變化曲線圖如圖6。

由圖6 可知，吸塵口進(jìn)氣速度對(duì)測(cè)線的速度影響較小，隨著距吸塵口距離增加，速度呈指數(shù)化增加。然而，進(jìn)氣速度對(duì)側(cè)線上粉塵濃度分布作用顯著。當(dāng)v=10 m/s 時(shí)，距吸塵口0.3 m 左右的粉塵濃度高達(dá)90 mg/m3，之后保持較低濃度；當(dāng)v=15 m/s時(shí)，距吸塵口0.7 m 左右的粉塵濃度整體高于20 mg/m3，這是由于風(fēng)流在距吸塵口0.5～1 m 處的測(cè)線附近進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)；只有當(dāng)工況條件為v=20 m/s時(shí)，測(cè)線上粉塵濃度波動(dòng)幅度較小，且濃度較低。因此，v=20 m/s 為裝置的最優(yōu)進(jìn)氣速度。

圖6 測(cè)線沿霧化箱軸線的粉塵濃度及速度變化曲線Fig.6 Dust and velocity variation curves of the measuring line along the axis of the atomization box

2 降塵實(shí)驗(yàn)

通過(guò)模擬結(jié)果得出的參數(shù)最優(yōu)解對(duì)超聲霧化降塵裝置進(jìn)行優(yōu)化，并利用超聲霧化降塵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行掘進(jìn)工作面降塵實(shí)驗(yàn)，超聲霧化降塵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7。

圖7 超聲霧化降塵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Novel ultrasonic atomization dust suppression test system

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)主要有2 部分組成：第1 部分為粉塵發(fā)塵系統(tǒng)，粉塵發(fā)塵量800 mg/m3，粉塵粒徑范圍為60～200 目（75～250 μm）；第2 部分為降塵試驗(yàn)系統(tǒng)。粉塵發(fā)塵系統(tǒng)是根據(jù)氣力輸運(yùn)系統(tǒng)自行研制的裝置，調(diào)節(jié)放料閥口大小和擴(kuò)散口的風(fēng)量來(lái)控制進(jìn)入巷道的粉塵濃度和流量。根據(jù)巷道實(shí)際尺寸制作比例尺為1∶9 的模擬巷道，壓入的通風(fēng)量為40 m3/min，巷道中部為掘進(jìn)機(jī)相似模型，盡可能還原井下掘進(jìn)巷道真實(shí)情況，減少誤差，掘進(jìn)機(jī)后邊為超聲霧化降塵裝置，忽略摩擦與黏滯力影響，裝置中微細(xì)水霧由霧化器高頻振動(dòng)產(chǎn)生，并產(chǎn)生飽和水霧環(huán)境，之后由降塵裝置后端的旋風(fēng)分離器加速水霧和粉塵顆粒凝并降落。

在模擬巷道前端和后端分別設(shè)置2 個(gè)測(cè)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：除塵前巷道內(nèi)全塵和呼塵濃度分別為785.4、433.5 mg/m3，除塵后下降為98.81、28 mg/m3，全塵除塵效率達(dá)到87.42%，呼塵降塵效率達(dá)到93.54%。

3 結(jié) 論

1）超聲霧化降塵方法霧化性能較好，對(duì)呼吸性粉塵除塵效率尤為顯著，可以在礦井除塵方面發(fā)揮較大作用，有效減少礦工塵肺病的發(fā)病率。

2）裝置吸塵口垂直距離和吸塵口直徑主要影響風(fēng)流運(yùn)移區(qū)域和方式。當(dāng)垂距H=1.1 m 時(shí)的流場(chǎng)較為集中，吸塵口出口處沒(méi)有明顯分流場(chǎng)，流場(chǎng)呈現(xiàn)“W”型運(yùn)動(dòng)，粉塵較為集中，且超聲霧化降塵時(shí)間較為適宜，所以最佳垂直距離為1.1 m。當(dāng)R=0.2 m時(shí)，不僅風(fēng)流均勻分布于水霧場(chǎng)中，粉塵顆粒充分與水霧接觸，同時(shí)流場(chǎng)中沒(méi)有渦流。因此，通過(guò)綜合分析，最佳吸塵口直徑為R=0.2 m。

3）當(dāng)吸塵口進(jìn)氣速度v=20 m/s 時(shí)，風(fēng)流一直螺旋運(yùn)動(dòng)，粉塵與超細(xì)水霧充分接觸碰撞，與液滴結(jié)合形成大顆粒，測(cè)線上粉塵濃度波動(dòng)幅度較小，且濃度低，可以認(rèn)為v=20 m/s 是最優(yōu)的裝置進(jìn)氣速度。