综放支架放煤口负压捕尘装置流场真空度CFD模拟

　　基于CFD 的理论分析方法，对综放支架放煤口负压捕尘装置的内部流场进行了模拟，分析了喷嘴供水压力对流场真空度的影响。模拟结果表明，装置吸尘的最根本原因是吸尘罩连接管处有很大的相对真空度，确定供水4 MPa 是理想的水压，吸尘罩的长度尽量缩短且安装位置尽量靠近产尘处。

　　当前对于放煤口的粉尘的防治措施应用最广泛的是湿式喷雾降尘，但是喷雾时由于喷雾方式和水流量小等原因不能很好的解决粉尘污染问题。目前，国内外的许多研究人员对负压降尘进行了研究，谢耀社等通过负压降尘技术利用高压水产生的高速水雾射流降尘，对于解决滚筒采煤机粉尘问题提供了新的思路和方法；程卫民等对雾化粒径与喷雾压力之间的关系进行了研究。利用常用的CFD 模拟软件对负压捕尘装置的内部流场进行了模拟分析研究，分析了装置的内部流场，继而得出影响相对真空度大小的因素，对于煤矿粉尘防治问题的解决起到了很好的理论指导作用。

1、负压捕尘装置

　　负压捕尘装置主要是应用了流体力学中的文丘里原理，高压水通过喷嘴在文丘里管中形成水雾，由于水雾的横向运动使得管中形成负压。装置安装在综放支架尾梁的控制油缸开口板上，其吸尘罩的大小、形式及安装位置可以根据综放支架的参数来确定，综放支架放煤口负压捕尘装置结构图如图1。

图1 综放支架放煤口负压捕尘装置结构图

　　通过喷嘴供水组件引入高压水，当高压水喷出时，与喉管和渐缩管进行碰撞形成水雾。由于水雾的横向紊流的作用，使渐缩管内的空气被卷西带出，随之在渐缩管的后方产生负压区。在射流形成的负压作用下，外界的含尘气流由吸尘罩被吸入接受管。在接受管内，粉尘与水雾碰撞混合并沉降下来。

2、CFD模拟

　　在此项目研究中，由于本装置的用水量在工作境下受到很大限制，并且该模型是抽吸试验，因此采用CFD中离散相模型。由液固、气固和液气固所组成的多相流体，在运动过程中将产生相对运动。由于各相的密度及粘度上的差异，会产生不同的作用效果。喷雾降尘过程中，水雾是液相，风流是典型的气相。在研究的气雾两相流场中，气流场为连续相，湍流流动采用标准k -ε双方程模型。选择了非稳态求解方式，因此选择随机轨道模型中的离散随机游走模型。在计算过程中，考虑到采用的是离散相模型，并且要考虑工作过程中离散相与连续相的耦合作用，因此，设计的模拟流程图如图2。

图2 模拟流程图

　　当模拟两相耦合过程时，首先计算得到收敛或部分收敛的连续相流场，然后在创建喷射源进行耦合计算。在每一轮的离散相计算中，FLUENT 会更新每一个流体计算单元内的相间动量、热量以及质量交换项，然后这些交换项就会作用到随后的连续相的计算。耦合计算时，FLUENT 在连续相迭代计算的过程中，按照一定的迭代步骤间隔来计算离散相迭代，直到连续相的流场计算结果不再随着迭代步数加大而发生变化。

　　FLUENT 有2 种雾滴破碎模型可供选择：泰勒类比破碎( TAB) 模型和波致破碎模型。TAB 模型适用于低韦伯数射流雾化和低速射流进入标态空气中的情况。当韦伯数特别大时，雾滴就会破碎。经过分析，破碎模型应该选择TAB 模型。粒子喷射时间步长为0. 1 s，由于雾滴直径较大，不考虑SaffmanSaffman升力，忽略磨蚀/沉积，忽略雾滴间的碰撞与雾滴分裂。

3、模拟结果

　　参数设置完成后进行迭代求解，时间步长设为1 s，迭代步数可设为200 ～400，依次求解工作水压为1、2、3、4、5 MPa 情况下的装置内流场的压力云图，图3 给出了供水压力为2 MPa 时的装置前半部分(渐缩管、吸尘罩和接受管) 内流场模拟的压力变化，可知有效的负压区在喷水组件的正下方，即吸尘罩和接受管的交汇处。这是由于这块区域距离喷水射流比较近，射流带走的空气多的缘故，这符合虹吸原理的基本规律。

图3 2 MPa 供水压力下流场的压力云图

　　图4 为供水压力下与有效最大负压值关系图，其绝对压力与相对真空度的关系为：p2 = p1 - p0，关系式中：p0为标准大气压；p1为绝对压力；p2为相对真空度。

图4 供水压力下与有效最大负压值关系

　　从图4 以及公式可以看出，当喷嘴供水压力为1 MPa 时，装置中的吸尘罩、连接管及渐扩管中绝对压力都比较大，从而相对真空度也比较小，基本没有负压效果。但在喷嘴供水压力上升到2 MPa 时，连接管和渐扩管中的绝对压力就明显减小，相对真空度开始增大。直到供水压力上升至5 MPa 时，连接管和渐扩管中的绝对压力变化开始减缓，随之相对真空度的增大也开始减缓。进一步可以看出，在工作水压为5 MPa 时，吸尘罩连接管、喉管及渐扩管处的内部流场的绝对压力值比1、2、3、4 MPa 时所产生的绝对压力均小，即在水压为5 MPa 时，装置内流场的相对真空度最高。并且渐扩管出口处的相对真空度较1、2、3、4 MPa 时均大，得知装置在工作时，随着工作水压的不断调高，负压吸尘的作用会越来越强。但供水压力大于4 MPa 以后，变化并不是很明显，且5 MPa 时对水源的浪费较大，综合考虑得出结论，要使负压捕尘装置获得合适的工作流场真空度，选取喷嘴供水压力4 MPa 是比较理想的。

　　通过观察碰嘴的绝对压力云图，对装置的吸尘罩、吸尘罩连接管以及喉管和渐扩管处的相对真空度进行分析。在此只对装置在2 MPa 时碰嘴的绝对压力云图进行分析，在越接近接受管处，绝对压力越小，相反地，越接近吸尘罩处，绝对压力越大，根据绝对压力与相对真空度的关系式可以得出吸尘罩连接管的相对真空度的值最小，从而得出结论：在对装置结构设计时应该把吸尘罩连接管处长度尽量缩短。并且在装置的出口处，存在一定的相对真空度，进而会产生二次降尘的效果，即出口处的水雾在进行水雾捕尘时还会起到二次负压降尘的作用，利用水雾吸附漂浮在出口处的粉尘，进行捕捉，使其沉降，达到二次降尘的目的。

4、结语

　　通过FLUENT 中的离散相模型，分别对5 种不同压力下的装置内部流场的绝对压力进行了模拟分析，并且对喉管和渐扩管、吸尘罩连接管的绝对压力变化进行了分析。得出最理想的有效负压区在接收管，喉管和渐缩管内，并确定供水压力4 MPa 比较理想；在设计装置结构时，应该使吸尘罩的长度尽量缩短。装置在工作时，渐扩管出口处有很大相对真空度，所以在安装装置时应该使渐扩管出口尽量靠近粉尘处。