（机械设计及理论专业论文）井下巷道气液喷雾拖车的研究.pdf

塑型型型燮一i ht t il i l l hi i i1111111 1 i i i i l f l l li i i ii i il i i ii i ii l i i l l l l i l i a l u a l i u 1 i l 一。 i | 井下巷道气一液喷雾拖车的研究 一y 2 15 韶 摘要 随着矿井设备机械化、自动化采掘技术的迅猛发展，矿井采煤效率越 来越高，而同时采煤过程中产生的粉尘也随之增多，矿井内粉尘污染问题 日趋严重。轨道大巷作为运输行人的主要通道之一，累积了大量粉尘，当 运输设备通过巷道时极易带起粉尘形成二次扬尘污染。而现有的定点喷雾 降尘设备有喷雾不均而造成巷道部分积水、部分干燥以及喷雾时影响行人 运输的缺点；提出过的移动式喷雾装置则由于动力源选择、结构原理设计 等的因素而存在着失爆隐患、需要过多人工干预等缺点。 作者分析国内外大巷除尘研究现状，以及基于巷道内粉尘分布规律， 设计了一种无需电、液等原动力，拖挂在电机车后便能实现移动式均匀喷 雾降尘的气一液喷雾拖车。该装置结构简单，稳定性较好，减少了人工参 与的同时也不影响巷道内的正常运输。本课题对该装置的机械结构进行了 设计并通过理论计算提出了一些设计原则。 研究现有平板车车架和车轮轮对外盖的基础上对整个装置进行结构设 计。设计计算链传动使车轮带动空压机的动力原理从而实现无源化避免了 使用电力而存在的失爆隐患；对储水罐、空压机、喷雾头分布位置以及药 剂添加装置等部件进行选型设计和校核确保了其稳定性及安全性。 通过绝热过程对压缩空气在水罐内对水体加压的过程进行了理论计 算，确定了水罐内腔体积与空气压缩机的比例不大于三的设计原则从而避 免了水罐所需加压时间过长，喷雾洒水车长期不出水的缺点。 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 使用a n s y s 对设计的车架以及轮对外盖进行了有限元分析，通过应变 图确定了其设计尺寸的安全性。利用f l u n e t 的v o f 模型对压缩空气为水体 加压时的罐体内部流场进行了分析，通过罐内气液分布云图以及加压时罐 内压强分布及速度矢量图确定了压缩空气为水体加压形成喷雾水流这一原 理的合理性，为其使用提供了一定的理论基础。 通过f l u n e t 的动网格以及离散相与连续相的耦合使用，对矿车列等轨 道运输设备经过大巷时巷道内的粉尘分布规律进行了模拟仿真，得出的粉 尘浓度分布云图证明了在轨道运输设备后拖挂上喷雾车进行喷雾降尘的合 理性和必要性。并通过对f l u n e t 内置喷头的设置，模拟了六个喷雾头的安 装分布，得出的喷雾轨迹图证明了其能够对全巷道截面进行喷雾降尘，验 证了喷头安装的合理性。 关键词：轨道大巷，粉尘分布，喷雾拖车，f l u e n t 奎堕里三奎堂堡主婴壅生兰垡笙茎 一 - - _ _ - _ _ - _ l _ _ - _ _ - _ - i - _ _ _ - - - _ _ _ 一。 r e s e a r c ho ns p r a ys p r n k l e r f o rt r a c kl a n e ab s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cm i n i n ge q m p m e n tf o re f f i c i e n t ，m i n e m i n i n ge f f i c i e n c yi sg e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r a tt h es a m et i m ep r o d u c e si nt h e p r o c e s so fc o a ld u s ta l s og r o ww h i c hi n c r e a s e dt h ed u s tp o l l u t i o ni nt h em i n e r a i ll a n eo ft h em a i nc h a n n e la so n eo ft h et r a n s p o r t a t i o na c c u m u l a t e sa m o u n t o fd u s tw h i c hw i l lb e c o m ed u s tf o r m a t i o nw i t has e c o n df l o a ti nt h ea i rw h e n t r a n s p o r t a t i o ne q u i p m e n tt h r o u g h t h er o a d w a y e x i s t i n gf i x e ds p r a yo ft h ed u s t e q u i p m e n t sh a v es h o r t c o m i n g ss u c ha sp a r to fw a t e ro rp a r to fd r yi nr o a d w a y b e c a u s eo fu n e v e ns p r a ya n di m p a c t i o no fp e d e s t r i a nt r a n s p o r t t h ep o w e r s o u r c es e l e c t i o no rs t r u c t u r et h e o r yd e s i g nf a c t o r sp u ta l r e a d yp r o p o s e dm o b i l e s p r a yd e v i c ei nw e a k n e s so fh i d d e nt r o u b l eo fe x p l o s i o no rn e e d so fi n t e r v e n t i o n a n ds oo n t h i ss u b je c ti sf u l lo fr e f e r e n c e st od u s tr e s e a r c hs i t u a t i o na th o m ea n d a b r o a da sw e l la sd u s td i s t r i b u t i o nr u l ei nt h er o a d w a yt od e s i g nan oe l e c t r i c p o w e rs p r i n k l e sw h i c hc a nb ed r a g g e dh a n g i n gi nt r a n s p o r t a t i o ne q u i p m e n tf o r s p r a yd u s tr e m o v a l t h i sd e v i c eh a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，g o o d s t a b i l i t y ，r e d u c ea r t i f i c i a lp a r t i c i p a t i o na tt h es a m et i m ea l s od o e sn o ta f f e c tt h e n o r m a lt r a n s p o r ti nt h er o a d w a y t h i st o p i cd e s i g n st h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo f t h i sd e v i c ea n dp u tf o r w a r ds o m ed e s i g np r i n c i p l e s t h r o u g ht h et h e o r e t i c a l i 工工 c a l c u l a t i o na sw e l la sv e r i f i e st h e w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h es y s t e m ，e x p l a i n st h e f u n c t i o n so ft h ep a r t so ft h ed e v i c e o nt h eb a s eo f d e s i g no ft h ef r a m et ot h ee x i s t i n ga n dt h ew h e e lr o u n dt 1 1 e i m p r o v e m e n to ft h ec o v e rd e s i g nt h es t r u c n l r eo ft h e s p r i n k l e s d e s i g n c a l c u l a t i o nc h a i nt om a k ew h e e ld r i v ea i r c o m p r e s s o rp o w e ri np u r p o s eo f i i n go f ：p l o s i o nh i d d e n a v o i d i n g o te x d l o s i o nh i d d e nt r o u b l e d e s i g na n dc h e c ks e l e c t i o no fp a r t ss u c h a sw a t e rc o n t a i n e r s ，a i rc o m p r e s s o r ，s p r a yh e a dd i s t r i b u t i o nl o c a t i o na n da d d d e v i c ep o t i o nt oe n s u r ei t s 、s t a b i l i t ya n d s e c u r i t y t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no ft h ep r o c e s so f c o m p r e s s e da i rp r e s sw a t e ri nt a n k h a sb e e np u to u t t h r o u g ht h ea d i a b a t i cp r o c e s s e sw h i c he n s u r et h e d e s i g n ，o 啊 p r l n c l p l e 1h ep r i n c i p l el st h ei n n e rc a v i t yw a t e rv o l u m el sn om o r et h a nt h e e m i s s i o n so fa i rc o m p r e s s o rt h r e et i m e sw h i c hc a nr e d u c et h et i m en e e d e df o r p r e s s u r i z e dw a t e rt a n kt oa v o i dt h ef a u l to fo u to ft h ew a t e rf o rl o n g - t e r m u s ea n s y st oa n a l y s i sf r a m ea n dw h e e lc o v e rw h i c hc a ne n s u r ei t ss a f e t y a n dr a t i o n a l i t y a n a l y s e st h ei n t e m a lf l o wf i e l di nt a n kw h e nc o m p r e s s e da i r p r e s s e sw a t e rb yv o fm o d e li nf l u e n tt og e tt h eg a s - l i q u i dd i s t r i b u t i o n n e p h o g r a ma n dv e c t o rd i a g r a mo fv e l o c i t ya n dp r e s s u r ew h i c hv e r i f yt h e r a t i o n a l i t y o f t s p r i n c i p l ea n dp r o v i d e c e r t a i nt h e o r e t i c a b a s i sfortsits p r i n c i p l ep r o v i d e t h e o r e t i c a lb a s i sf o ri t s a p p l i c a t i o n t h r o u g ht h ed y n a m i cg r i da n dd i s c r e t ep h a s eo fc o n t i n u o u sp h a s ec o u p l i n g u s ei nf l u n e t ，t h i sp a p e rs i m u l a t e st h ed i s t r i b u t i o nr u l eo fd u s ti nr o a d w a y w h e nr a i lt r a n s p o r t a t i o ne q u i p m e n t sp a s st h r o u g ht h er o a d w a y t h er e s u l tn a m e d i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 d i s t r i b u t i o nn e p h o g r a mo fd u s tc o n c e n t r a t i o np r o o ft h en e c e s s i t ya n dr a t i o n a l i t y t h a th a n g ss p r a ys p r i n k l e sb e h i n dr a i lt r a n s p o r t a t i o ne q u i p m e n tt os p r a yt h ed u s t t h r o u g h t ot h es e t t i n g so fb u i l t - i nn o z z l ei nf l u n e ts i m u l a t e st h ed i s t r i b u t i o n o ft h es i xs p r a y st og e tp a t hc h a r tw h i c hc a nv e r i f yt h er a t i o n a l i t yo fn o z z l e i n s t a l l a t i o n k e yw o r d s ：r o a d w a d u s td i s t r i b u t i o n ，s p r a ys p r i n k l e s ，f l u e n t v 太原理工大学硕士研究生学位论文 - 二二二二= 二= 一 v l 太原理工大学硕士研究生学位论文 显的自由分界面，应该使用适用于这种特征的v o f 模型。本章使用此模型对气液交界面 进行追踪、罐内压缩空气流线轨迹的可视化、以及其中压强和流速的分析数据对水罐内 充气排水的原理做出验证分析。 4 2v o f 模型建立 为水罐内腔体积建立模型，根据体积大小划分不同疏密的网格，以及初步将上管道 和下管道以及其余部分分别设置好入口、出口和壁面后，模型如图4 - 2 所示。对其他参 分别进行一下设置： 图4 - 2 水罐内腔模型 f i g 4 2m o d e lo fi n n e rc a v i t yo f t a n k 1 ) 在s o l v e r 面板中因为使用了v o f 模型而只能使用s e g r e g a t e d ( 离散模式) 求解， 并且模型内各参数状态与时间有关，所以使用u n s t e a d y ( 非稳态) 。 2 ) m a t e r i a l s 面板中分别建立空气和水两种材料，并把空气的d e n s i t y 设置为 i d e a l g a s 从而作为可压缩相使用从而对压缩空气进行仿真。 3 ) 选用v o f 模型后为了方便设置而将空气作为主相，水作为次相，并在两相 i n t e r a c t i o n 中设置交界面夹角属性。 4 ) 在o p e r a t i n gc o n d i t i o n 中开启重力，b o u n d a r yc o n d i t i o n 面板中设置水罐入 口为质量流率入口，根据空压机排量以及空气密度计算可知主相( 空气) 的m a s s f l o w r a t e 为0 0 1 5 k g s ，并且压力为初始大气压，体积分数为l ，次相( 水) 的质量流 率和体积分数则均为0 ；因背压阀的存在，在背压阀开启之前，出口可以视作壁面( w a l l ) ， 而背压阀开启后，压力将恒定在齐设定压力，所以将模型出口设置为压力出口，压力值 为0 5 m p a ，次相水体积分数为1 。 5 ) 在s o l u t i o n 中将压力一速度耦合模型设置为适用于非定常流动的p i s o ，而压力 插值方式则选用适用于v o f 模型的p r e s t o ! 方法，m o m e n t u m 则使用二阶迎风。 4 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 ) 因在模拟前，水罐内需要充入一定的水，则使用r e g i o na d a p t i o n 方法标示水罐 模型内水应该存在的坐标位置后，在初始化后需要对此区域进行水体积为1 的p a t c h ， 则可得到水罐内水与空气的初始区域分布，如图4 - 3 所示，其中红色体积为水，蓝色体 积为空气。 爨懑 i i i 强t 8 5 0 e 0 1 i 州一：5 5 0 e _ 0 1 躐裟昌 i j 。35 0 0 1 蛳蔓25 0 0 嵫 7 ) 进行迭代求解， 4 3v o f 结果分析 z x 图4 3 初始化后组分分布云图 f i g 4 3v o l u m ed i s t r i b u t i o n 因v o f 中模拟水气自由界面所需步长限制而将其设置为0 0 6 。 在迭代求解之后，可以分别得到水罐内充入压缩空气后不同时刻的体积分数云图、 水罐内空气轨迹图以及罐内压力和速度矢量图。 图4 4 、图4 5 和图4 - 6 分别为充入气体1 0 分钟、2 0 分钟和3 0 分钟后，水与空气 体积分布云图。从三个图中可以看出随着空气的进入，罐内的水量被排出而越来越少， 从而证明使用空气排出水量的理论合理而能够运用于实际。 图4 - 41 0 分钟后气液组分分布云图 f i g 4 4d i s t r i b u t i o nn e p h o g r a ma f t e r10 m _ 隰蘩 攀麟 隧 太原理工大学硕士研究生学位论文 爨茹 鏊黧 囊疆瓣3 t 4 “o 3o o e - 0 1 鹾量 雕颡d o e + 0 0 | bo o e _ 0 1 75 0 种1 7o o e - 0 1 65 0 e - 0 1 6o o e - o 55 0 e - 0 1 蕊j # 。缵35 0 e - 0 1 巍13d o e - 0 1 l 。 图4 - 52 0 分钟后气液组分分布云图 f i g 4 - 5d i s t r i b u t i o nn e p h o g r a m a f t e r2 0 m 太原理工大学硕士研究生学位论文 根据最初模型的液面高度，可以计算出罐内空气体积占0 3 m 3 ，在使用第三章空气 向罐内加压理论的计算，可以得出此模拟情况下，从水罐加压到0 5 m p a 背压阀开启出 水时需要的时间为5 5 s ，而图4 - 8 为f l u e n t 模拟中出口压力在2 s - 1 0 4 s 时随时间变化的 曲线图。由图可以看出在加压时间段内，出口压力较稳定的从原大气压力值升到所需的 0 5 m p a ，而后改变压力边界条件模拟背压阀开启，曲线也稳定在0 5 m p a 压强上，模拟 的结果几乎完全符合理论计算结果，反映出其正确性。 m o n i t o r s 卜m o n i t o r - 1 i n t e g r a i ( p a s c a l ) ( 甬2 ) 图4 - 8 出口压力变化曲线图 f i g 4 8o u t l e tp r e s s u r ec h a n g ec u r v e 图4 9 、图4 - 1 0 和图4 - 1 1 分别为三个时刻罐内压力矢量图。 醮薹 黧：耋：饕 辨。50 8 e + 0 5 薯荔1 j 5 0 7 e + 0 5 蠹囊50 6 e + 0 5 溺5 0 5 e + 0 5 隧 蜒 臻漱鬃囊戮i 毒鬟鬻嚣瀛瓣曩 t 卜x 图4 - 910 分钟后压力矢量图 f i g 4 - 9s t r e s sv e c t o ra f t e r10 m 5 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 醚； 2 1 e 2 0 e 薹 鬻5 1 5 e + 0 5 5 1 4 e + 0 5 襄鬟5 , 1 2 e + 1 5 i 篓5 1 0 e + 0 5 i ! 麓5 o o e + 0 5 瞧 j 熬鬻爹鬻1 图4 - 1 13 0 分钟后压力矢量图 f i g 4 - 1 1s t r e s sv e c t o ra f t e r3 0 m 由上三图对比可以得知，在背压阀开启后，整个排水工作过程种，水罐内的压力均 匀稳定，均保持在o 5 卜0 5 2 m p a 之间，出水曰以及进水口的压力也十分接近，压力损 失不到o 1 m p a 。同时入口压力的稳定即为空压机的负载稳定，能延长空压机的使用寿命。 在f l u e n t 显示面板中显示其中一时刻的空气以及水的速度矢量图，如图4 1 2 所示。 聪 鬻鬻5 2 8 e - 0 1 飘s j 4 9 1 e 0 1 攥 震震纛黪0 - 一i ：_ 。i 、曩毒l j l | 。一o _ _ ；：皇j 。凑麓锱瀚豢黧，：i i 、- o：- ?1。 p 图4 - 1 2 流速矢量图 f i g 4 1 2 v e c t o rd i a g r a mo f v e l o c i t y 5 l ：莹惜啪惜：莹惜啪惜惜m啪惜：譬：譬惜惜惜惜世啪啦 m m m蛳嘶嘶：耋：耋m哳蜘嘶蜘撕蜘釉岫蜘 凝燃麟鬻獯熏滋囊燃溱缢l 太原理工大学硕士研究生学位论文 由图中可以看出水罐出水管的水流速度大概为0 2 6 5 m s 附近，而进气管的压缩空 气流速大约为0 4 5 3 m s 左右。而选用的喷嘴流量为8 l m i n ，则六个喷雾总流量l 为 0 0 0 0 8 m 3 s ，以及出入管道内壁半径r 为o 0 2 2 m ，则其截面积s 为0 0 0 1 5 2m 2 ，管道数 n = 2 ，可以计算出出水管中水流的理论速度为y w = 云l = 五万0 0 面0 0 汀8 西= o 2 6 3 m s ，同理通 过空气压缩机的排量l = 3 5 0 l m i n = o 0 0 5 8 3 m s s 、进气管截面积s 以及压缩率u = o 8 0 1 = 8 ，可以算出进气管压缩空气的理论速度 ，。= 而1 = 雨0 丽0 丽0 5 8 3 = o 4 7 9 m s 。将 理论数值对比模拟仿真数值可以看出模拟结果基本符合理论计算，进一步证明该原理的 合理性。 4 3 本章小结 由f l u n e t 对水罐加压出水的仿真分析，由得到的罐内空气一水组分分布云图可得知 压力水在压缩空气加压下能正常排出，通过不同时刻稳定的罐内压力以及水罐入口和出 口流体速度与理论计算流速的对比可知此原理的正确性、可用性以及其稳定性，为整个 喷雾车的其中一个基本设计原理奠定了基础。 5 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 第五章巷道粉尘喷雾仿真分析 运用f l u e n t 对巷道中粉尘的分布规律进行模拟仿真，得到粉尘重点分布的区域和 浓度数值，以辅助喷雾洒水车的设计。 5 1 本章所用模型 由于本课题中所要模拟的粉尘以及喷雾轨迹在巷道这样的大环境下所占的体积分 数很小，小于了总体积的1 0 。而颗粒与颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相 的影响均可以不用考虑。从而使用欧拉一拉格朗日模型，将巷道中的风流看做连续相， 粉尘颗粒以及喷雾水滴看做离散相，研究连续相对离散相的作用结果。 5 2 仿真内部区域的模型建立 如第三章使用s o lid w o r k s 对需要模拟的内部区域进行建模，主要分别对喷嘴内部流 域、无矿车行过和有矿车行过的巷道内部进行了建模。其中矿车模型被简化成了基本符 合矿车长宽高尺寸的矩形模型。在存为如木- x t 文件后，导入到g a m b i t 软件，划分计算 网格。模型分别如图5 2 、图5 - 3 和图5 4 所示。 图5 - 2 喷嘴内部模型 f i g 5 - 2t h e i n t e r i o ro f t h en o z z l em o d e l 图5 - 3 无矿车巷道模型 f i g 5 - 3t u n n e lm o d e lw i t hn ot u n n e lm o d e l 5 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 图5 4 有矿车移动时巷道模型 f i g 5 - 4t u n n e lm o d e lw i t ht u n n e lm o d e l 为了得到精确的模拟结果，喷嘴内部的流场计算区域其安全按照实际尺寸建模。 而为了简化实验计算，将巷道视为一梯形截面的通道而进行建模，其中长5 5 m 、下 底宽2 9 m 、上顶宽2 2 m 、高为2 1 m 。 由于无矿车经过时巷道模型比较规则，则采用了计算性能较好的结构化网络。即采 用了h e x w e d g e ( 六面体楔形体) 网格。 当矿车经过了巷道时，需要运用f l u e n t 的动网格功能来模拟其对巷道内粉尘分布的 影响，在巷道模型中建挖出6 块边长、体积和矿车基本相同的方形空心区域，以模拟矿 车串。为了更好的在f l u e n t 中方便的进行动网格模拟，提高网格的变形质量，将矿车串 所在的那一段巷道作为一个单独实体与其前后两部分划分开来，分别对矿车列前后两部 分的计算区域划分结构化网格，而矿车列中本身模型不太规则，只能使用非结构化网格， 即四面体网格。并且为了在f l u e n t 中将三个实体看做一个整体，需要将实体的交界面设 置为i n t e r f a c e 。 f l u e n t 模拟所得的结果精度和误差也与网格粗细质量有关，网格越细密计算精度越 容易保证；但细密的网格会占用过多计算机资源，耗费大量计算时间，因而网格划分需 要根据模型和实际情况而定。由于巷道的计算区域大，计算机系统资源有限，而现场条 件复杂多变，实测数据精度不高，计算中没有必要使用高精度网格，因此网格的基本尺 寸取0 2 5 m 。 5 3 喷嘴仿真参数及结果 为了仿真喷雾车弧形管上六个喷嘴对巷道全断面覆盖效果，需要提前仿真出单个喷 5 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 嘴的水流速度、压力及喷射角，以便作为后续参数使用。 喷嘴进口味压力入口，值为0 8 m p a ，出口为压力出口，值为大气压值，采用k 一 湍流模型，计算得到入口处k 值为0 0 4 ，值为1 7 9 ，出口处k 值为0 8 6 ，值为6 3 1 0 2 ， 分别设置好后仿真得出喷嘴在压力为0 5 m p a 下出口端的水流方向与压力和速度的关系 分别如图5 - 5 和图5 6 所示。 图4 - 5 喷嘴喷射水流压力图( p a ) f i g 4 - 5n o z z l ej e tf l o wp r e s s u r ec h a r t f p a ) 图4 - 6 喷嘴喷射水流速度图( m s ) f i g 4 6n o z z l ej e tf l o wv e l o c i t yd i a g r a m ( m s ) 从仿真结果可以看出，喷嘴出口水流压力普遍在0 5 m p a 左右，而水流速度普遍在 6 5 m s 左右，喷射水流角度范围约为2 0 。以上数据作为f l u e n t 喷射源设置数据。 5 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 4 巷道模型的各参数设定 对于流动系统，其存在着基本的两个定律。 1 ) 质量守恒定律 该定律可表述为：单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流 入该微元体的净质量。按照这一定律，可以得出质量守恒方程( m a s sc o n s e r v a t i o n e q u a t i o n ) 为 望+ 劐+ 型+ 刿：o 夙叙 a y 瑟 式中，p 是密度，t 是时间，u 是速度矢量，u 、v 和w 是速度矢量u 在、y 和z 方向的分量。 2 ) 动量守恒定律 该定律可表述为：微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上 的各种力之和。该定律实际上是牛顿第二定律。按照这一定律，可导出x 、y 和z 三 个方向的动量守恒方程( m o m e n t u mc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n s ) 为 引入矢量符号 d i v ( a ) = 葫x s x + 8 a ，a y + 8 a ：a z ，则 掣+ a i v 汹) 一叙0 p - 4 - 鲁+ 鲁+ 冬g z + 只仇dx呶钾 掣砌v 伽) = 一考+ 鲁+ 鲁+ 鲁+ t 掣0 1 ：+ m v 胁) = 一窆+ 鲁+ 誓+ 孕g z + td zd xd v 式中，p 是流体微元体上的压力：t x x 、t x y 和t x z 等是因分子粘性作用而产生的作用在微元体 表面上的粘性应力t 的分量：f x 、f y 和f z 是微元体上的体积力，若体积力只有重力，且z 轴竖直向 上，则f x = o ，f y = o ，f z = 。p g 。 在巷道模型梯形截面的两端面分别设定为速度入i z 和出流，无矿车运动的巷道模型 的其他面设定为壁面；有矿车运动的模型中则还需要设置合并面等。模型中连续相为空 气，离散相为粉尘与喷雾水滴。 5 6 5 4 1 通用参数设定 在f l u e n t 中设置通用的计算模型、边界条件以及求解参数，分别如表5 1 、表5 2 和表5 - 3 所示。 表5 - i 计算模型设定表 t a b l e5 - 1c a l c u l a t i o nm o d e lo fs e tp a r a m e t e r s m o d e l ( 计算模型) d e f i n e ( 模型设定) s o l v e r ( 求解器)s e g r e g a t e d ( 非耦合求解法) v i s c o u sm o d e l ( 湍流模型) k - e p s i l o n ( k 一双方程模型) e n e r g y ( 能量方程) o f f ( 关闭) d is c r e t ep h a s em o d e l ( 离散相模型)o n ( 打开) 表5 - 2 边界条件设定表 t a b l e5 - 2s e tr u b l eo f b o u n d a r yc o n d i t i o n b o u n d a r yc o n d i t i o n s ( 边界条件)d e f i n e ( 参数设定) i n l e tb o u n d a r yt y p e ( 入口边界类型) v e l o c i t y i n l e t ( 速度入口) i n l e tv e l o c i t ym a g n i t u d e ( 入口速度) 1 2 5 m s h y d r a u l i cd i a m e t e r ( 水力直径) 2 6 7 m t u r b u l e n c ei n t e n s i t y ( 湍流强度)3 2 o u t l e tb o u n d a r yt y p e ( 出口边界类型) o u t f l o w ( 出流) d p mc o n d i t i o n ( d p m 边界) t r a p ( 捕获) w a l l ( 墙壁) s h e a nc o n d i t i o n ( 剪切边界)n os l i p ( 无滑移) 表5 - 3 求解参数设置 t a b l e4 - 3s o l v i n gt h ep a r a m e t e rs e t t i n g s s o l v e ( 求解参数)d e f i n e ( 模型设定) p r e s s u r e v e l o c i t yc o u p l i n g ( 压力一速度耦合方式)s i m p l e c ( s i m p l e c 模型) d is c r e t i z a t i o ns c h e m e ( 离散格式) s e c o n do r d e ru p w i n d ( _ - 阶迎风) c o n v e r g e n c ec r it e r i o n ( 收敛标准) 1 0 3 其中雷诺数由下式计算得出： 雷诺数：r ：p u d h 式中，d - - 巷道的水力直径； p 一空气的密度； 5 7 u 风流的速度； u 一风流的粘性系数。 舯耻4 豢 湍流强度可以用下面的经验公式计算： i = u g = o 1 嗽。) u 8 5 4 2 离散相参数设定 本模型中离散相包括粉尘以及喷雾颗粒。为了符合实际，粉尘选用面喷射，让风流 带动粉尘飘散，而喷雾则选用f l u e n t 内置的喷嘴作为六个点喷射源。并且在f l u e n t 中， 应该对边界条件中的离散相参数进行设置，对应实际情况而分别选择r e f l e c t ( 反射) 、 e s c a p e ( 逃逸) 和t r a p ( 捕获) 三种边界条件。本课题给定了巷道的壁面为“t r a p ”边 界条件，出口设为“e s c a p e 边界条件。其它参数设置如表5 2 至表5 - 9 所示。 表5 - 2 粉尘离散相参数设定表 t a b l e5 - 2p a r a m e t e r st a b l eo fd u s td i s c r e t ep h a s e d is c r e t ep h a s em o d e l ( 离散相模型) d e f i n e ( 模型设定) n u m b e ro fc o n t i n u o u sp h a s ei t e r a t i o n sp e rd p mi t e r a t i o n1 m a xn u m b e ro fs t e p s ( 计算步长) 1 4 0 0 0 l e n g t hs c a l e ( 时间步长) o 0 1 d r a gl a w ( 阻力特征)s p h e r i c a l ( 球形颗粒) 表5 - 3 粉尘源参数设置表 t a b l e5 - 3p a r a m e t e r st a b l eo fd u s ts o u r c ep a r a m e t e r s i n j e c t i o n ( 喷射源参数)d e f i n e ( 参数设定) i n j e c t i o nt y p e ( 喷射源类型)s u r f a c e ( 面喷射) m a t e r i a l ( 材质)c o a l - l v ( 低挥发分性煤) d i a m e t e rd i s t r i b u t i o n ( 粒径分布)r o s i n r a m m l e r ( r - r 分布) m i n d i a m e t e r ( 最小粒径) 匹。0 0 5 m m m a x d i a m e t e r ( 最大粒径) 0 0 1 m m m e a nd i a m e t e r ( 中位径)0 0 0 7 m m s p r e a dp a r a m e t e r ( 分布指数) 3 0 5 5 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 v e l o c i t y ( 初始速度) o m s t o t a lf l o wr a t e ( 质量流率) 1 5 1 0 6 k g s n u m b e ro fd i a m e t e r s ( 粒径数)5 t u r b u l e n td is p e r si o n ( 湍流扩散模型) s t o c h a s t i ct r a c k i n g ( 随机轨道模型) n u m b e ro ft r i e s ( 跟踪次数)1 0 0 0 t i m es c a l ec o n s t a n t 狈分尺度)o 1 5 表5 - 4 喷雾源参数设置表 t 南l e5 4p a r a m e t e r st a b l eo fi o n i z a t i o ns o u r c e i n j e c t i o n ( 喷射源参数)d e f i n e ( 参数设定) i n j e c t i o nt y p e ( 喷射源类型)p r e s s u r e s w i r l a t o m i z e r ( 喷嘴) n u m b e ro fp a r t i c l e ss t r e a m ( 流线数)3 0 m a t e r i a l ( 材质) w a t e r l i q u i d ( 水) i n j e c t o ri n n e rd i a m ( 喷口半径) 0 0 0 3 m s p r a yh a l fa n g l e ( 喷射半角)l o d e g u p s t r e a mp r e s s u r e ( 上游压力)0 5 m p a t o t a lf l o wr a t e ( 质量流率) 0 0 8 k g s t u r b u l e n td i s p e r s i o n ( 湍流扩散模型)s t o c h a s t i ct r a c k i n g ( 随机轨道模型) n u m b e ro ft r i e s ( 跟踪次数)i 0 0 0 t i m es c a l ec o n s t a n t ( 积分尺度)0 1 5 其中粉尘源面取巷道模型的速度入口面，而喷雾离散相中喷雾源位置的设置参考喷 雾降尘车的弧形出水管上喷头的位置以及参考整车高度进行计算，具体见表5 - 7 。 5 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 图5 7 弧形管模型及喷嘴分布示意图 f i g 5 7t h ea r ct u b em o d e la n dn o z z l ed i s t r i b u t i o nd i a g r a m 表5 - 7 喷雾源位置计算 t a b l e5 7s p r a ys o u r c ep o s i t i o nc a l c u l a t i o n 喷雾源编号 x p o s i t i o ny p o s i t i o nz p o s i t i o n 1 和34 6 8 9 m m6 0 2 m m2 5 0 0 0 m 2 和4 4 6 8 9 m m 1 1 0 2 m m2 5 0 0 0 m 5 和62 6 9 m m1 5 7 7 1 m m2 5 0 0 0 m 在f l u e n t 中模型位置坐标参数由下图5 8 所示。 0 0 m a i ne x t e n t s 洚聃即瞄同辱该_ 嘲n 州i 呼_ z m i nl m 飘l 墨- ? x m a x 鼬嘲黪褥季i y m a x 叩嘲陋f 暴 z im a x 。m r n l 黟可_ _ 图5 - 8 位置坐标参数 f i g 5 8d o m a i ne x t e n t s 由图3 中数据修正喷雾源y 坐标位置如下表5 8 所示： 表5 - 8 修正后位置表 t a b l e5 - 8a f t e rt h ec o r r e c t i o no fp o s i t i o n 喷雾源编号修正后y 位置 1 和37 8 2 m m 2 和41 2 8 2 m m 6 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 通过计算得出各喷射源轴线方向，数据如下表5 - 9 所示。 表5 - 9 喷嘴轴线设置参数 t a b l e5 - 9t h ea x i so ft h en o z z l e