基于CFD 的理論分析方法，對(duì)綜放支架放煤口負(fù)壓捕塵裝置的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，分析了噴嘴供水壓力對(duì)流場(chǎng)真空度的影響。模擬結(jié)果表明，裝置吸塵的最根本原因是吸塵罩連接管處有很大的相對(duì)真空度，確定供水4 MPa 是理想的水壓，吸塵罩的長(zhǎng)度盡量縮短且安裝位置盡量靠近產(chǎn)塵處。

　　當(dāng)前對(duì)于放煤口的粉塵的防治措施應(yīng)用最廣泛的是濕式噴霧降塵，但是噴霧時(shí)由于噴霧方式和水流量小等原因不能很好的解決粉塵污染問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外的許多研究人員對(duì)負(fù)壓降塵進(jìn)行了研究，謝耀社等通過(guò)負(fù)壓降塵技術(shù)利用高壓水產(chǎn)生的高速水霧射流降塵，對(duì)于解決滾筒采煤機(jī)粉塵問(wèn)題提供了新的思路和方法；程衛(wèi)民等對(duì)霧化粒徑與噴霧壓力之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。利用常用的CFD 模擬軟件對(duì)負(fù)壓捕塵裝置的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析研究，分析了裝置的內(nèi)部流場(chǎng)，繼而得出影響相對(duì)真空度大小的因素，對(duì)于煤礦粉塵防治問(wèn)題的解決起到了很好的理論指導(dǎo)作用。

1、負(fù)壓捕塵裝置

　　負(fù)壓捕塵裝置主要是應(yīng)用了流體力學(xué)中的文丘里原理，高壓水通過(guò)噴嘴在文丘里管中形成水霧，由于水霧的橫向運(yùn)動(dòng)使得管中形成負(fù)壓。裝置安裝在綜放支架尾梁的控制油缸開(kāi)口板上，其吸塵罩的大小、形式及安裝位置可以根據(jù)綜放支架的參數(shù)來(lái)確定，綜放支架放煤口負(fù)壓捕塵裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 綜放支架放煤口負(fù)壓捕塵裝置結(jié)構(gòu)圖

　　通過(guò)噴嘴供水組件引入高壓水，當(dāng)高壓水噴出時(shí)，與喉管和漸縮管進(jìn)行碰撞形成水霧。由于水霧的橫向紊流的作用，使?jié)u縮管內(nèi)的空氣被卷西帶出，隨之在漸縮管的后方產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)。在射流形成的負(fù)壓作用下，外界的含塵氣流由吸塵罩被吸入接受管。在接受管內(nèi)，粉塵與水霧碰撞混合并沉降下來(lái)。

2、CFD模擬

　　在此項(xiàng)目研究中，由于本裝置的用水量在工作境下受到很大限制，并且該模型是抽吸試驗(yàn)，因此采用CFD中離散相模型。由液固、氣固和液氣固所組成的多相流體，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于各相的密度及粘度上的差異，會(huì)產(chǎn)生不同的作用效果。噴霧降塵過(guò)程中，水霧是液相，風(fēng)流是典型的氣相。在研究的氣霧兩相流場(chǎng)中，氣流場(chǎng)為連續(xù)相，湍流流動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)k -ε雙方程模型。選擇了非穩(wěn)態(tài)求解方式，因此選擇隨機(jī)軌道模型中的離散隨機(jī)游走模型。在計(jì)算過(guò)程中，考慮到采用的是離散相模型，并且要考慮工作過(guò)程中離散相與連續(xù)相的耦合作用，因此，設(shè)計(jì)的模擬流程圖如圖2。

圖2 模擬流程圖

　　當(dāng)模擬兩相耦合過(guò)程時(shí)，首先計(jì)算得到收斂或部分收斂的連續(xù)相流場(chǎng)，然后在創(chuàng)建噴射源進(jìn)行耦合計(jì)算。在每一輪的離散相計(jì)算中，F(xiàn)LUENT 會(huì)更新每一個(gè)流體計(jì)算單元內(nèi)的相間動(dòng)量、熱量以及質(zhì)量交換項(xiàng)，然后這些交換項(xiàng)就會(huì)作用到隨后的連續(xù)相的計(jì)算。耦合計(jì)算時(shí)，F(xiàn)LUENT 在連續(xù)相迭代計(jì)算的過(guò)程中，按照一定的迭代步驟間隔來(lái)計(jì)算離散相迭代，直到連續(xù)相的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果不再隨著迭代步數(shù)加大而發(fā)生變化。

　　FLUENT 有2 種霧滴破碎模型可供選擇：泰勒類比破碎( TAB) 模型和波致破碎模型。TAB 模型適用于低韋伯?dāng)?shù)射流霧化和低速射流進(jìn)入標(biāo)態(tài)空氣中的情況。當(dāng)韋伯?dāng)?shù)特別大時(shí)，霧滴就會(huì)破碎。經(jīng)過(guò)分析，破碎模型應(yīng)該選擇TAB 模型。粒子噴射時(shí)間步長(zhǎng)為0. 1 s，由于霧滴直徑較大，不考慮SaffmanSaffman升力，忽略磨蝕/沉積，忽略霧滴間的碰撞與霧滴分裂。

3、模擬結(jié)果

　　參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)行迭代求解，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為1 s，迭代步數(shù)可設(shè)為200 ～400，依次求解工作水壓為1、2、3、4、5 MPa 情況下的裝置內(nèi)流場(chǎng)的壓力云圖，圖3 給出了供水壓力為2 MPa 時(shí)的裝置前半部分(漸縮管、吸塵罩和接受管) 內(nèi)流場(chǎng)模擬的壓力變化，可知有效的負(fù)壓區(qū)在噴水組件的正下方，即吸塵罩和接受管的交匯處。這是由于這塊區(qū)域距離噴水射流比較近，射流帶走的空氣多的緣故，這符合虹吸原理的基本規(guī)律。

圖3 2 MPa 供水壓力下流場(chǎng)的壓力云圖

　　圖4 為供水壓力下與有效最大負(fù)壓值關(guān)系圖，其絕對(duì)壓力與相對(duì)真空度的關(guān)系為：p2 = p1 - p0，關(guān)系式中：p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；p1為絕對(duì)壓力；p2為相對(duì)真空度。

圖4 供水壓力下與有效最大負(fù)壓值關(guān)系

　　從圖4 以及公式可以看出，當(dāng)噴嘴供水壓力為1 MPa 時(shí)，裝置中的吸塵罩、連接管及漸擴(kuò)管中絕對(duì)壓力都比較大，從而相對(duì)真空度也比較小，基本沒(méi)有負(fù)壓效果。但在噴嘴供水壓力上升到2 MPa 時(shí)，連接管和漸擴(kuò)管中的絕對(duì)壓力就明顯減小，相對(duì)真空度開(kāi)始增大。直到供水壓力上升至5 MPa 時(shí)，連接管和漸擴(kuò)管中的絕對(duì)壓力變化開(kāi)始減緩，隨之相對(duì)真空度的增大也開(kāi)始減緩。進(jìn)一步可以看出，在工作水壓為5 MPa 時(shí)，吸塵罩連接管、喉管及漸擴(kuò)管處的內(nèi)部流場(chǎng)的絕對(duì)壓力值比1、2、3、4 MPa 時(shí)所產(chǎn)生的絕對(duì)壓力均小，即在水壓為5 MPa 時(shí)，裝置內(nèi)流場(chǎng)的相對(duì)真空度最高。并且漸擴(kuò)管出口處的相對(duì)真空度較1、2、3、4 MPa 時(shí)均大，得知裝置在工作時(shí)，隨著工作水壓的不斷調(diào)高，負(fù)壓吸塵的作用會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。但供水壓力大于4 MPa 以后，變化并不是很明顯，且5 MPa 時(shí)對(duì)水源的浪費(fèi)較大，綜合考慮得出結(jié)論，要使負(fù)壓捕塵裝置獲得合適的工作流場(chǎng)真空度，選取噴嘴供水壓力4 MPa 是比較理想的。

　　通過(guò)觀察碰嘴的絕對(duì)壓力云圖，對(duì)裝置的吸塵罩、吸塵罩連接管以及喉管和漸擴(kuò)管處的相對(duì)真空度進(jìn)行分析。在此只對(duì)裝置在2 MPa 時(shí)碰嘴的絕對(duì)壓力云圖進(jìn)行分析，在越接近接受管處，絕對(duì)壓力越小，相反地，越接近吸塵罩處，絕對(duì)壓力越大，根據(jù)絕對(duì)壓力與相對(duì)真空度的關(guān)系式可以得出吸塵罩連接管的相對(duì)真空度的值最小，從而得出結(jié)論：在對(duì)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該把吸塵罩連接管處長(zhǎng)度盡量縮短。并且在裝置的出口處，存在一定的相對(duì)真空度，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生二次降塵的效果，即出口處的水霧在進(jìn)行水霧捕塵時(shí)還會(huì)起到二次負(fù)壓降塵的作用，利用水霧吸附漂浮在出口處的粉塵，進(jìn)行捕捉，使其沉降，達(dá)到二次降塵的目的。

4、結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)FLUENT 中的離散相模型，分別對(duì)5 種不同壓力下的裝置內(nèi)部流場(chǎng)的絕對(duì)壓力進(jìn)行了模擬分析，并且對(duì)喉管和漸擴(kuò)管、吸塵罩連接管的絕對(duì)壓力變化進(jìn)行了分析。得出最理想的有效負(fù)壓區(qū)在接收管，喉管和漸縮管內(nèi)，并確定供水壓力4 MPa 比較理想；在設(shè)計(jì)裝置結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該使吸塵罩的長(zhǎng)度盡量縮短。裝置在工作時(shí)，漸擴(kuò)管出口處有很大相對(duì)真空度，所以在安裝裝置時(shí)應(yīng)該使?jié)u擴(kuò)管出口盡量靠近粉塵處。