基于CFD 的理論分析方法，對綜放支架放煤口負(fù)壓捕塵裝置的內(nèi)部流場進(jìn)行了模擬，分析了噴嘴供水壓力對流場真空度的影響。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真空度，確定供水4 MPa 是理想的水壓，吸塵罩的長度盡量縮短且安裝位置盡量靠近產(chǎn)塵處。

　　當(dāng)前對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題。目前，國內(nèi)外的許多研究人員對負(fù)壓降塵進(jìn)行了研究，謝耀社等通過負(fù)壓降塵技術(shù)利用高壓水產(chǎn)生的高速水霧射流降塵，對于解決滾筒采煤機粉塵問題提供了新的思路和方法；程衛(wèi)民等對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 模擬軟件對負(fù)壓捕塵裝置的內(nèi)部流場進(jìn)行了模擬分析研究，分析了裝置的內(nèi)部流場，繼而得出影響相對真空度大小的因素，對于煤礦粉塵防治問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，高壓水通過噴嘴在文丘里管中形成水霧，由于水霧的橫向運動使得管中形成負(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

　　通過噴嘴供水組件引入高壓水，當(dāng)高壓水噴出時，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。

2、CFD模擬

　　在此項目研究中，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，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，在運動過程中將產(chǎn)生相對運動。由于各相的密度及粘度上的差異，會產(chǎn)生不同的作用效果。噴霧降塵過程中，水霧是液相，風(fēng)流是典型的氣相。在研究的氣霧兩相流場中，氣流場為連續(xù)相，湍流流動采用標(biāo)準(zhǔn)k -ε雙方程模型。選擇了非穩(wěn)態(tài)求解方式，因此選擇隨機軌道模型中的離散隨機游走模型。在計算過程中，考慮到采用的是離散相模型，并且要考慮工作過程中離散相與連續(xù)相的耦合作用，因此，設(shè)計的模擬流程圖如圖2。

圖2 模擬流程圖

　　當(dāng)模擬兩相耦合過程時，首先計算得到收斂或部分收斂的連續(xù)相流場，然后在創(chuàng)建噴射源進(jìn)行耦合計算。在每一輪的離散相計算中，F(xiàn)LUENT 會更新每一個流體計算單元內(nèi)的相間動量、熱量以及質(zhì)量交換項，然后這些交換項就會作用到隨后的連續(xù)相的計算。耦合計算時，F(xiàn)LUENT 在連續(xù)相迭代計算的過程中，按照一定的迭代步驟間隔來計算離散相迭代，直到連續(xù)相的流場計算結(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，霧滴就會破碎。經(jīng)過分析，破碎模型應(yīng)該選擇TAB 模型。粒子噴射時間步長為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，時間步長設(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)流場的壓力云圖，圖3 給出了供水壓力為2 MPa 時的裝置前半部分(漸縮管、吸塵罩和接受管) 內(nèi)流場模擬的壓力變化，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，其絕對壓力與相對真空度的關(guān)系為：p2 = p1 - p0，關(guān)系式中：p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；p1為絕對壓力；p2為相對真空度。

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，裝置中的吸塵罩、連接管及漸擴管中絕對壓力都比較大，從而相對真空度也比較小，基本沒有負(fù)壓效果。但在噴嘴供水壓力上升到2 MPa 時，連接管和漸擴管中的絕對壓力就明顯減小，相對真空度開始增大。直到供水壓力上升至5 MPa 時，連接管和漸擴管中的絕對壓力變化開始減緩，隨之相對真空度的增大也開始減緩。進(jìn)一步可以看出，在工作水壓為5 MPa 時，吸塵罩連接管、喉管及漸擴管處的內(nèi)部流場的絕對壓力值比1、2、3、4 MPa 時所產(chǎn)生的絕對壓力均小，即在水壓為5 MPa 時，裝置內(nèi)流場的相對真空度最高。并且漸擴管出口處的相對真空度較1、2、3、4 MPa 時均大，得知裝置在工作時，隨著工作水壓的不斷調(diào)高，負(fù)壓吸塵的作用會越來越強。但供水壓力大于4 MPa 以后，變化并不是很明顯，且5 MPa 時對水源的浪費較大，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真空度，選取噴嘴供水壓力4 MPa 是比較理想的。

　　通過觀察碰嘴的絕對壓力云圖，對裝置的吸塵罩、吸塵罩連接管以及喉管和漸擴管處的相對真空度進(jìn)行分析。在此只對裝置在2 MPa 時碰嘴的絕對壓力云圖進(jìn)行分析，在越接近接受管處，絕對壓力越小，相反地，越接近吸塵罩處，絕對壓力越大，根據(jù)絕對壓力與相對真空度的關(guān)系式可以得出吸塵罩連接管的相對真空度的值最小，從而得出結(jié)論：在對裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)該把吸塵罩連接管處長度盡量縮短。并且在裝置的出口處，存在一定的相對真空度，進(jìn)而會產(chǎn)生二次降塵的效果，即出口處的水霧在進(jìn)行水霧捕塵時還會起到二次負(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

　　通過FLUENT 中的離散相模型，分別對5 種不同壓力下的裝置內(nèi)部流場的絕對壓力進(jìn)行了模擬分析，并且對喉管和漸擴管、吸塵罩連接管的絕對壓力變化進(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)計裝置結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該使吸塵罩的長度盡量縮短。裝置在工作時，漸擴管出口處有很大相對真空度，所以在安裝裝置時應(yīng)該使?jié)u擴管出口盡量靠近粉塵處。