基于动网格技术的水动力旋转喷雾降尘装置性能分析

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.102

基于动网格技术的水动力旋转喷雾降尘装置性能分析

关维娟^,^,¹, 陈清华²^,³^,⁴, 王德俊^,²^,³^,⁴, 江丙友⁴, 许曾生²^,³^,⁴

1.安徽理工大学数学与大数据学院，安徽淮南 232001

2.安徽理工大学环境友好材料与职业健康研究院（芜湖），安徽芜湖 241003

3.安徽理工大学矿山智能装备与技术安徽省重点实验室，安徽淮南 232001

4.安徽理工大学工业粉尘防控与职业安全健康教育部重点实验室，安徽淮南 232001

performance analysis of hydrodynamic rotary spray dust reduction device based on moving grid technology

GUAN Weijuan^,^,¹, CHEN Qinghua²^,³^,⁴, WANG Dejun^,²^,³^,⁴, JIANG Bingyou⁴, XU Zengsheng²^,³^,⁴

1.School of Mathematics and Big Data, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China

2.Institute of Environment-friendly Materials and Occupational Health, Anhui University of Science and Technology, Wuhu 241003, China

3.Anhui Provincial Key Laboratory of Mining Intelligent Equipment and Technology, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China

4.Key Laboratory of Industrial Dust Prevention and Control, Occupational Safety and Health, Ministry of Education, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China

通讯作者: 王德俊（1998—），男，硕士生，从事工业粉尘治理研究，E-mail: 2675023354@qq.com

收稿日期: 2024-01-19 修回日期: 2024-03-29

基金资助:

国家重点研发计划资助项目. 2022YFC2503201
安徽理工大学芜湖研究院研发专项资金资助项目. ALW2021YF12

Received: 2024-01-19 Revised: 2024-03-29

作者简介 About authors

关维娟（1981－），女，副教授，从事工业粉尘治理研究，E-mail:ahhnds@163.com,http://orcid.org/0009-0004-6216-1114 , E-mail：ahhnds@163.com

摘要

水动力旋转喷雾降尘装置具有仅需水动力驱动、雾化效果好等优点，在煤矿井下工作面得到广泛应用。为了实现安全、精准、高效降尘，基于动网格技术对其性能进行了系统分析。采用DesignModeler软件建立了降尘装置三维模型，采用动网格技术分析了水轴出口角度对水流出口速度和水轴转速的影响规律，并基于UDF（user-defined function，用户自定义函数）编程技术和VOF（volume of fluid method，流体体积法）模型，分析了降尘装置混合出口处的雾粒轴向速度和风流进口处的风流轴向速度随水轴出口角度的变化规律。结果表明：随着水轴出口角度的增大，水流最大出口速度从63.19 m/s减小到24.97 m/s，水轴转速逐步增大到1 786.4 r/min；雾粒最大轴向速度从39.178 m/s减小到10.637 m/s，后增大到12.854 m/s，最后减小到8.014 m/s，速度均匀性先增强后减弱；风流最大轴向速度从0.804 m/s增大到1.524 m/s，后减小到1.272 m/s，速度均匀性先基本不变后减弱；当水轴出口角度为45°时，降尘装置的雾化性能最佳。搭建了水轴转速和风流轴向速度测试平台，通过实验验证了仿真结果的正确性。将降尘装置进行了现场应用，结果表明，采用水动力旋转喷雾降尘装置后，转载机进料口区域总粉尘和呼吸性粉尘的降尘率有了明显提高，均达到了75%以上，其中工人作业处的呼吸性粉尘质量浓度降到6.31 mg/m³。研究结果为创建安全、健康、绿色的煤矿生产环境提供了新思路。

关键词： 旋转喷雾 ; 动网格 ; 数值模拟 ; 负压除尘 ; 降尘效率

Abstract

hydrodynamic rotary spray dust reduction device has the advantages of only hydrodynamic drive and good atomization effect, and has been widely used in coal mine underground working face. In order to realize safe, accurate and efficient dust reduction, its performance was analyzed systematically based on dynamic grid technology. The 3D model of the dust reduction device was established by DesignModeler software, and the influence rules of the water axis outlet angle on the outlet speed of water flow and the rotational speed of water axis were analyzed by using the dynamic grid technology. The programming technique of UDF (user-defined function) and the VOF (volume of fluid method) model were used to analyze the variation rules of the axial velocity of fog particles at the mixing outlet and the axial velocity of wind flow in the wind flow inlet with the water axis outlet angle. The results showed that with the increase of water axis outlet angle, the maximum outlet velocity of water flow decreased from 63.19 m/s to 24.97 m/s, and the rotation speed of water axis gradually increased to 1 786.4 r/min; the maximum axial velocity of fog particles at mixing outlet decreased from 39.178 m/s to 10.637 m/s, then to 12.854 m/s, and finally to 8.014 m/s, the velocity uniformity increased firstly and then decreased; the maximum axial velocity of wind flow firstly increased from 0.804 m/s to 1.524 m/s and then decreased to 1.272 m/s, and the velocity uniformity was unchanged firstly and then decreased. When the water axis outlet angle was 45°, the atomization performance of the dust reduction device was the best. The test platform of water axis rotation speed and wind flow axial speed was set up, the correctness of simulation results was verified by experiments. The dust reduction device was applied in the field. The results showed that the reduction rates of total dust and respirable dust in the feed port area of the transfer machine were significantly increased after the adoption of the hydrodynamic rotary spray dust reduction device, both of which reached more than 75%, and the mass concentration of respirable dust in the working place was reduced to 6.31 mg/m³. The research results provide a new idea for creating a safe, healthy and green coal mine production environment.

Keywords： rotary spray ; dynamic mesh ; numerical simulation ; negative-pressure dust reduction ; dust reduction efficiency

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本文引用格式

关维娟, 陈清华, 王德俊, 江丙友, 许曾生. 基于动网格技术的水动力旋转喷雾降尘装置性能分析[J]. 工程设计学报, 2025, 32(2): 240-251 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.102

GUAN Weijuan, CHEN Qinghua, WANG Dejun, JIANG Bingyou, XU Zengsheng. performance analysis of hydrodynamic rotary spray dust reduction device based on moving grid technology[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2025, 32(2): 240-251 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.102

近年来，随着矿井开采机械化、自动化、智能化水平的提高，粉尘治理技术成为研究热点之一^[1-3]。目前，煤矿工作面除尘技术主要有煤层注水^[4]、干式除尘^[5]、泡沫除尘^[6]、湿式喷雾降尘^[7]等，其中干式除尘、喷雾降尘技术应用较为广泛。

干式除尘技术虽然具有除尘效率高及易于实现自动化控制等优点，但由于需要电力驱动，且除尘设备体积较大，搬运、移动困难，在一定程度上限制了其推广，因此以喷雾降尘为代表的湿式除尘技术得到了更为广泛的应用。湿式喷雾降尘通过产生压力水并使其经过喷嘴而产生细水雾，利用尘雾凝并过程实现煤尘捕获和沉降，达到除尘目的^[8]。为了达到理想的喷雾降尘效果，相关学者从多方面进行了研究。例如：周刚等^[9]揭示了雾滴颗粒随风流运移过程中的分布规律，并利用激光多普勒喷雾降尘仿真实验平台对5种压力工况下喷嘴的流量、雾化角、有效射程和雾滴的粒径、速度等参数进行了系统分析；蒋仲安等^[10]建立了高溜井喷雾降尘实验平台，对气、水流量比对喷头雾化特性及降尘能力的影响规律进行了深入研究；针对粉尘颗粒亲水性能不佳导致除尘效果不好的问题，通常采用增润剂来增强煤尘润湿性^[11]，王鹏飞等^[12]则提出了一种用微纳米气泡改善粉尘润湿性和凝聚性的方法，从而提升了喷雾降尘效果；陈清华等^[13]为了掌握同向风速对内混式空气雾化喷嘴降尘效果的影响规律，利用DPM（discrete phase model，离散相位模型）对不同入口边界和同向风速条件下的喷嘴雾化特性进行了分析。以上研究为喷雾技术在煤矿工作面除尘中的应用提供了科学依据和技术支撑，并取得了良好效果。然而，喷嘴易堵塞和损坏、喷雾覆盖范围有限的缺点仍然存在，这大大限制了湿式除尘技术的推广与应用。近年来，有学者将喷雾器与风机装置相结合，对湿式除尘器进行了研究^[14]。例如：高杨等^[15]基于径流式叶轮产生的风流在离心力作用下沿径向运动的特点，研发了矿用径混式旋流除尘器，但由于装置需电力驱动，装置体积仍较大。针对此，张立祥等^[16]利用气动马达驱动装置，在保证喷雾效果的同时，大大减小了装置体积，并以集流器入口负压为评判标准，对装置的主要结构参数进行了优化和匹配，但设备噪声过大，超过了103 dB。在此基础上，张宏等^[17]提出采用风水动力联合驱动，通过水动力输出轴（以下简称水轴）产生高转动惯量水雾，在保证喷雾效果和覆盖范围的同时，大大降低了运行噪声（小于85 dB），装置现场应用效果良好，得到了广泛认可，但目前该装置的设计主要采用经验设计法，缺少理论指导。为了进一步提升装置性能，为其产业化应用奠定基础，对其性能影响因素进行系统分析十分必要。

本文以水动力旋转喷雾降尘装置（以下简称降尘装置）为研究对象。以水轴旋转杆转动形成的平面为基准面，水轴轴向与该基准面之间的锐角称为水轴出口角度；水由水轴出口喷射到空气中，其在出口截面区域的轴向速度称为水流出口速度。本文探究水轴出口角度对水流出口速度、水轴转速、降尘装置混合出口处的雾粒轴向速度（以下简称雾粒轴向速度）、风流进口处的风流轴向速度（以下简称风流轴向速度）的影响规律，以实现对降尘装置结构的精准设计。首先，对降尘装置结构及降尘原理进行了介绍，并分别建立了水轴和降尘装置内流场的数学模型和仿真模型；其次，利用有限元分析软件进行水轴转速和降尘装置雾化性能仿真，并通过实验验证仿真结果的正确性；最后，通过现场应用，来检验降尘装置的使用效果。

1 降尘装置结构及降尘原理

1.1　降尘装置结构

降尘装置的结构如图1所示。其主要由混合出口、水轴、前支撑板、外壳、水管接口、后支撑板、风流进口、可调螺栓和支架等组成，总体尺寸为1 000 mm×600 mm×950 mm。装置以静压水为动力源，不需电力驱动，从而大大提升了运行安全性能。混合出口控制水轴产生的旋转喷雾的覆盖范围，风流进口控制装置的负压量，它们通过六角螺栓与外壳连接，形成降尘装置的流场通道。可调螺栓用于控制旋转喷雾的方向，可根据现场尘源的位置进行调节。

图1

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图1 水动力旋转喷雾降尘装置结构

Fig.1 Structure of hydrodynamic rotary spray dust reduction device

水轴结构如图2所示。其主要由旋转杆、压紧螺母、密封圈、支撑环、轴承固定压盖、内通孔壳体和紧固件等组成。作为降尘装置的核心机构，水轴主要用于产生旋转水雾，增大喷雾覆盖面积和增强雾化效果。

图2

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图2 水动力输出轴结构

Fig.2 Structure of hydrodynamic take-off axis

1.2　降尘原理

降尘原理如图3所示。旋转杆喷出的水柱形成柱形旋转水雾；混合出口和外壳限制着旋转水雾截面大小，旋转水雾将外壳截面完全覆盖，使降尘装置产生负压；在空气中浮游的粉尘随着风流，在负压作用下进入降尘装置，与水雾混合，形成的混合喷雾喷射到尘源上。利用该降尘装置可以同时实现对尘源和空气中粉尘的净化，大幅度提高降尘效率。

图3

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图3 降尘原理示意

Fig.3 Schematic of dust reduction principle

2 降尘装置降尘仿真分析

2.1　水轴和降尘装置内流场数学模型

在水轴转速和降尘装置雾化性能的数值模拟中存在旋转流域。动网格模型可以实现单元区域的边界相对于该区域的其他边界移动，模拟计算域的运动，并相应地调整网格^[18-19]。因此，本文采用动网格技术对随时间变化的流场计算域进行数值模拟。

2.1.1　基于动网格技术的流场控制方程

在动网格运动过程中，流体的位置是变化的，一般采用积分形式表示流体动力学的基本守恒定律。在一个任意的控制体上，其边界的移动可以表示为：

\frac{d}{d t} \int_{V} ρ ϕ d V + \int_{\partial V} ρ ϕ (u - u_{g}) \cdot d A = \int_{\partial V} Γ \nabla ϕ \cdot d A + \int_{V} S_{ϕ} d V

(1)

式中：V为控制体积， $ρ$ 为流体密度， u 为流速， u_g为动网格移动速度， A 为面积矢量， $Γ$ 为扩散系数， $S_{ϕ}$ 为流动体 $ϕ$ 的源项， $\partial V$ 为用于控制体积的边界。

通过采用一阶向后差分公式，式(1)中的时间导数项可以写成：

\frac{d}{d t} \int_{V} ρ ϕ d V = \frac{{(ρ ϕ V)}^{n + 1} - {(ρ ϕ V)}^{n}}{Δ t}

(2)

式中： $n$ 、 $n + 1$ 分别表示当前和下一个时间级。

第 $n + 1$ 个时间级的体积 $V^{n + 1}$ 的计算公式为：

V^{n + 1} = V^{n} + \frac{d V}{d t} Δ t

(3)

为了满足网格守恒定律，控制体积对时间的导数为：

\frac{d V}{d t} = \int_{\partial V} u_{g} \cdot d A = \sum_{j}^{n_{f}} u_{g, j} \cdot A_{j}

(4)

式中：n_f为控制体积上的面数， A_j 为控制体积面 $j$ 的面积向量， $u_{g, j} \cdot A_{j}$ 为控制体积面上点的体积。

u_{g, j} \cdot A_{j} = \frac{δ V_{j}}{Δ t}

(5)

式中： $δ V_{j}$ 为控制体积面 $j$ 在时间步长 $Δ t$ 内扫过的体积。

通过采用二阶向后差分公式，式(1)中的时间导数项可以写成：

\frac{d}{d t} \int_{V} ρ ϕ d V = \frac{3 {(ρ ϕ V)}^{n + 1} - 4 {(ρ ϕ V)}^{n} + {(ρ ϕ V)}^{n - 1}}{2 Δ t}

(6)

式中： $n + 1$ 、 $n$ 和 $n - 1$ 表示连续时间级。

在二阶差分格式下，控制体积对时间导数的计算方式与一阶差分格式相同，如式(4)所示。每个控制体积面上的点积则为：

{(u_{g, j} \cdot A_{j})}^{n + 1} = \frac{3}{2} {(u_{g, j} \cdot A_{j})}^{n} - \frac{1}{2} {(u_{g, j} \cdot A_{j})}^{n - 1} = \frac{3}{2} {(\frac{δ V_{j}}{δ t})}^{n} - \frac{1}{2} {(\frac{δ V_{j}}{δ t})}^{n - 1}

(7)

式中： ${(δ V_{j})}^{n}$ 和 ${(δ V_{j})}^{n - 1}$ 分别为时间步长上在当前和先前时间级控制体积面扫过的体积。

2.1.2　Six DOF求解器理论

ANSYS Fluent软件中的Six DOF求解器采用研究对象的力和力矩来求解对象重心的平移和角运动。在惯性坐标系下求解对象重心平移运动的方程为：

{\dot{v}}_{G} = \frac{1}{m} \sum f_{G}

(8)

式中： ${\dot{v}}_{G}$ 为重心平移位移， $m$ 为质量， f_G为重力。

采用物体坐标更容易求解物体的运动，则：

ω_{B} = L^{- 1} (\sum M_{B} - ω_{B} \times L ω_{B})

(9)

式中： $ω_{B}$ 为物体的角速度， $L$ 为惯性张量， $M_{B}$ 为物体的力矩。

将力矩从惯性坐标系转换到体坐标系下，则:

M_{B} = R M_{G}

(10)

式中： R 为转换矩阵。

R =

[\begin{matrix} C_{θ} C_{ψ} & C_{θ} S_{ψ} & - S_{θ} \\ S_{ϕ} S_{θ} C_{ψ} - C_{θ} S_{ψ} & S_{ϕ} S_{θ} S_{ψ} + C_{ϕ} C_{ψ} & S_{ϕ} C_{θ} \\ C_{ϕ} S_{θ} C_{ψ} + S_{θ} S_{ψ} & C_{ϕ} S_{θ} S_{ψ} - S_{ϕ} C_{ψ} & C_{ϕ} C_{θ} \end{matrix}]

(11)

式中：C_x =cos x，S_x =sin x， $ψ$ 、 $θ$ 、 $ϕ$ 分别为绕X、Y、Z轴旋转的欧拉角。

根据式(8)和式(9)计算出平移加速度和角加速度后，在动网格计算中采用平移速度和角速度来更新物体位置。

2.2　降尘仿真流程

降尘仿真流程如图4所示。水轴内流场模拟采用Six DOF动网格技术，探究水轴出口角度对水轴转速和水流出口速度的影响规律。得出的水轴转速通过UDF（user-defined function，用户自定义函数）编译，导入动网格中，控制降尘装置内流场旋转域的转动，结合水流出口速度和VOF（volume of fluid method，流体体积法）模型，求解出雾粒轴向速度和风流进口的负压量。

图4

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图4 降尘仿真流程

Fig.4 Dust reduction simulation process

2.3　流体域网格模型的构建

在水轴转速和降尘装置雾化性能随水轴出口角度变化的仿真过程中都存在旋转流域。为了提高模型的网格质量，减少计算量，忽略对模拟结果影响不大的结构性倒角和圆角、水轴及降尘装置结构中的微小螺纹孔、通孔、螺栓和轴承^[20-21]。

由于水轴内流场处于旋转状态，仿真中对旋转中心的精准度以及旋转杆的稳定性、同心度等有较高的要求。为了满足仿真要求，采用Workbench软件的三维建模模块DesignModeler建立水轴内流场和降尘装置内流场模型，并通过Mesh软件建立流体域网格模型。

2.3.1　网格独立性检验

在仿真过程中，网格独立性对仿真结果的准确性非常重要。针对水轴内流场和降尘装置内流场的仿真，利用Mesh软件对流体域模型进行非结构网格划分，设计不同的网格划分方案，对网格进行验证和优化，从而得到适用于仿真的流体域模型。选择供水压力为2.0 MPa，水轴出口角度为45°，进行水轴内流场模型的网格独立性检验，结果如表1所示。选择供水压力为2.0 MPa，水轴出口角度为30°，进行降尘装置内流场模型的网格独立性检验，结果如表2所示。

表1 水轴内流场模型网格独立性检验结果

Table 1 Result of grid independence test for model of flow field in water axis

方案	单元尺寸/mm	单元数量/个	流场稳定转速/ (r/min)	水流最大出口速度/ (m/s)	相对误差^①/%	求解耗时/h
A	4.5	166 015	1 448.16	48.88		16.2
B	3.0	166 189	1 438.34	48.66	-0.68， -0.45	17.1
C	1.5	238 235	1 454.66	48.52	0.45， -0.74	24.5
D	1.0	480 062	1 444.46	49.03	-0.26， -0.31	30.4

①指方案A下流场稳定转速、水流出口速度与其他方案下的相对误差。

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表2 降尘装置内流场模型网格独立性检验结果

Table 2 Result of grid independence test for model of flow field in dust reduction device

方案	单元尺寸/mm	单元数量/个	雾粒最大轴向速度/(m/s)	风流最大轴向速度/ (m/s)	相对误差^①/%	求解耗时/h
a	10.0	604 311	26.692	1.174	-5.39， -5.77	12.4
b	8.0	794 938	28.214	1.110		13.1
c	6.0	1 302 261	28.646	1.119	1.53， -0.81	21.9
d	4.0	3 067 208	27.791	1.114	-1.50， -0.36	36.7

①指方案b下雾粒最大轴向速度、风流轴向速度与其他方案下的相对误差。

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由表1可知：当水轴内流场网格单元尺寸取4.5 mm时，继续缩小网格单位尺寸，则流场稳定转速和水流出口速度与网格单元尺寸取4.5 mm时的相对误差均在1%以内，而随着网格单元尺寸的缩小，求解耗时增大。因此，选择方案A为水轴内流场模型网格划分方案。由表2可知：当降尘装置内流场模型的网格单元尺寸取8.0 mm时，继续缩小网格单元尺寸，则雾粒最大轴向速度和风流轴向速度与网格单元尺寸取8.0 mm时的相对误差均在1.6%以内，而求解耗时增加了1倍左右；相反，增大网格单元尺寸至10 mm，则相对误差超过5%。因此，最终选择方案b为降尘装置内流场模型网格划分方案。

2.3.2　水轴内流场转速仿真模型及其网格划分

通过分析水轴结构可知，水轴内流场按照运动状态可分静止域和旋转域，其三维模型如图5所示。为了实现对不同网格的单独控制，根据流体域运动状态，将整体网格根据流域性质分割为2个基本组成单元，全局网格尺寸设置为4.5 mm，复杂结构采用0.2 mm的尺寸进行局部网格细化，共生成165 985个网格。其整体网格和局部细化网格如图6所示。

图5

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图5 水轴内流场三维模型

Fig.5 Three-dimensional model of flow field in water axis

图6

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图6 水轴内流场模型整体网格和局部细化网格

Fig.6 Global mesh and local refinement mesh of model of flow field in water axis

静止域的Int-jing为不动面，旋转域的Int-dong为旋转面。在进行流场转速仿真时，2个面会有网格数量的变化并相互进行数据交换。为了得到较高的变形质量，对Int面进行细化；3个方向水流交汇区域以及水流出口位置为流体运动状态突变处，为了得到更高的计算精度，同样需对这2处的网格进行细化。

2.3.3　降尘装置内流场气液两相仿真模型及其网格划分

进行降尘装置内流场仿真是为了研究降尘装置的雾化性能，可通过动网格技术并结合VOF模型实现。通过分析内流场结构，在DesignModeler模块中绘制模型时，忽略支撑板、水管等对仿真结果影响较小的结构因素。但水轴结构较大，绘制时将水轴占据的流体域空间去除。根据流体域的运动状态，也将装置内流场分为静止域和旋转域。降尘装置内流场的三维模型如图7所示。考虑到流体域的运动状态不同，需要对接触面及局部区域进行网格细化。全局网格尺寸设置为8.0 mm，局部区域采用0.2 mm的尺寸进行加密，共生成794 938个网格。其整体网格和局部细化网格如图8所示。

图7

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图7 降尘装置内流场三维模型

Fig.7 Three-dimensional model of flow field in dust reduction device

图8

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图8 降尘装置内流场模型整体网格和局部细化网格

Fig.8 Global mesh and local refinement mesh of model of flow field in dust reduction device

通过水轴内流场转速仿真得到水轴转速，通过UDF控制旋转域各表面按照指定转速运动，以模拟旋转域的变化。采用CG_MOTION用户自定义宏对旋转域所有表面网格进行刚性运动控制。

2.4　模型边界条件设置及求解控制

《煤矿安全规程》^[22]规定内喷雾装置的工作压力不得小于2.0 MPa，外喷雾装置的工作压力不得小于4.0 MPa。为了满足煤矿井对水压的要求，选择供水压力为2.0 MPa，进行仿真分析。将网格文件导入Fluent求解器，并设置边界条件。水轴内流场转速仿真模型和降尘装置雾化性能仿真模型的参数如表3所示。待计算完成后，将结果导入CFD-Post进行定性、定量分析。

表3 水轴内流场转速和降尘装置雾化性能仿真模型参数

Table 3 Parameters for simulation models of speed of flow field in water axis and atomization performance of dust reduction device

水轴内流场转速仿真模型			降尘装置雾化性能仿真模型
类型	属性	参数值	类型	属性	参数值
求解器	类型	Pressure-Based	求解器	类型	Pressure-Based
	时间	Transient		时间	Transient
	重力/ N	9.81		重力/N	9.81
湍流模型	k-epsilon	Realizable	湍流模型	k-epsilon	Realizable
区域条件	水的密度/(kg/m³)	998.2	区域条件	空气密度/（kg/m³）	1.225
边界条件	inlet	pressure-inlet	区域条件	水的密度/（kg/m³）	998.2
	入口表压力/MPa	2.0	边界条件	inlet-1	velocity-inlet
	outlet-1	pressure-outlet		inlet-2
	outlet-2			inlet-3
	outlet-3			入口表速度/(m/s)	水轴内流场转速
	出口表压力/MPa	0		出、入口边界类型	pressure-inlet/outlet
动网格	网格方法	Smoothing+Remeshing		出、入口表压力/MPa	0
动网格	控制器	Six DOF	动网格	网格方法	Smoothing+Remeshing
算法	Coupled		算法	PISO
计算参数	时间步长/s	0.000 5	计算参数	时间步长/s	0.000 5
计算参数	时间步数	160 000	计算参数	时间步数	3 000

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2.5　仿真结果分析

2.5.1　水轴内流场转速仿真结果分析

分析在2.0 MPa水压下水流出口速度和水轴转速随水轴出口角度α的变化规律，为进一步探究降尘装置雾化性能提供数据支撑。

水流出口速度云图如图9所示。受水轴出口角度的影响，水流出口速度和出口面速度均匀性都发生着变化。水流最大出口速度如表4所示。由图9可知：水轴出口面速度的均匀性随着水轴出口角度的增大呈增强趋势；当出口角度为0~45°时，出口面速度分布离散，中心处速度最大，四周锐减，均匀性差；当出口角度为60°~90°时，出口面速度较均匀，尤其当出口角度为90°时，速度均匀性很强。由表4可知：随着水轴出口角度从0增大到90°，水流最大出口速度从63.19 m/s减小至24.97 m/s。

图9

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图9 水流出口速度云图

Fig.9 Contour diagram of outlet velocity of water flow

表4 水流最大出口速度

Table 4 Maximum outlet velocity of water flow

水轴出口角度/(°)	水流最大出口速度/(m/s)
0	63.19
15	60.91
30	57.51
45	48.88
60	40.63
75	34.36
90	24.97

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受水轴出口角变化的影响，水轴转速发生变化。水轴转速随水轴出口角度的变化曲线如图10所示。由图可知：当出口角度为0时，出口面垂直于水轴旋转杆转动形成的平面，此时水未给旋转杆的转动提供推动力，旋转杆保持近乎静止的状态；当出口角度不为0时，随着出口角度的增大，水轴转速逐渐增大到1 786.4 r/min；当出口角度大于0°且小于等于45°时，随着出口角度的增大，水轴转速达到稳定的时间从5.01 s逐渐缩短为3.17 s，角度趋于稳定不变的时间从1.05 s缩短为0.79 s，稳定水轴转速所需时间较长；当出口角度大于45°且小于等于90°时，随着出口角度的增大，水轴达到稳定转速所需时间由出口角度为60°时的2.93 s缩短为出口角度为90°时的2.61 s，角度趋于稳定不变的时间由0.18 s缩短为0.14 s。

图10

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图10 水轴转速随水轴出口角度的变化曲线

Fig.10 Change curves of water axis rotation speed with water axis outlet angle

结合图9 和图10 可知，在2.0 MPa水压下，随着出口角度从0增加到90°，水流出口速度从63.19 m/s减小到24.97 m/s，速度均匀性增强，水轴转速从0增加到1 786.4 r/min。以水流出口速度和水轴转速的仿真结果为基础数据，来探究降尘装置的雾化性能。

2.5.2　降尘装置雾化性能仿真结果分析

在不同水轴出口角度下，降尘装置混合出口处雾粒轴向速度云图如图11所示。由图可知：随着水轴出口角度的增大，雾粒轴向高速分布范围先增大后减小，分布位置由中心向边缘移动；当水轴出口角度从15°增加到45°时，混合出口的负压范围减小，速度均匀性增强，雾粒轴向速度从8.343 m/s减小到7.265 m/s；当水轴出口角度从45°增加到75°时，负压范围明显增大，速度均匀性减弱，这直接影响降尘装置的喷雾范围，尤其当出口角度大于60°时，混合出口约85%以上的范围处于负压，水轴喷出的水与混合出口的壁面碰撞，产生的轴向速度及喷雾范围较小。

图11

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图11 混合出口处雾粒轴向速度云图

Fig.11 Contour diagram of axial velocity of fog particles at mixing outlet of dust reduction device

降尘装置雾化性能的优良性不仅体现在雾粒轴向速度的大小和均匀性上，也与风流进口的负压量有关，它直接影响着降尘装置的处理风量。在不同水轴出口角度下，风流轴向速度云图12所示。由图可知：当出口角度小于60°时，风流轴向速度的分布均匀性较强，最大轴向速度从0.804 m/s增加到1.524 m/s后减小到1.272 m/s；当出口角度为75°时，风流轴向速度分布均匀性较弱，以1.191 m/s和1.941 m/s为主，负压区位于风流进口边缘，负压区风流最大轴向速度为-5.557 m/s。

图12

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图12 风流进口风流轴向速度云图

Fig.12 Cloud picture of axial velocity of wind flow at wind flow inlet of dust reduction device

由图11和图12可知：随着水轴出口角度增大，雾粒最大轴向速度从39.178 m/s减小到10.637 m/s，后增大到12.854 m/s，再减小到8.014 m/s，速度均匀性先增强后变弱；风流最大轴向速度从0.804 m/s增加到1.524 m/s，后减小到1.272 m/s，速度分布均匀性先基本不变后减弱。主要原因是旋转杆产生的旋转喷雾未能有效覆盖外壳截面，当水轴出口角度增大，流体的反作用力使旋转力增大，水轴转速增大，而水流出口速度的减小导致喷雾速度和处理风量降低；当水轴出口角度过大，尤其是当出口角度为75°时，流体与外壳碰撞，产生的雾场覆盖面积较小，速度均匀性较弱，导致降尘装置的雾化性能减弱。综合考虑雾粒轴向速度和风流轴向速度的大小和均匀性，确定当水轴出口角度为45°时降尘装置具有最佳的雾化性能，此时，水轴转速为1 448.16 r/min，水流出口速度为48.88 m/s，雾粒轴向速度为7.265 m/s，风流轴向速度为1.524 m/s。

3 降尘装置雾化性能测试

为了验证仿真结果的正确性，通过实验测量水轴转速和风流轴向速度，并与仿真结果进行对比。

水轴转速和风流轴向速度测试平台如图13所示。其由降尘装置、可调高压水泵、磁感应转速测量仪、风量仪和连接管道等组成。其中：可调高压水泵为水轴的动力供给装置，能稳定提供2.0 MPa水压，对降尘装置雾化性能有重要影响；磁感应转速测量仪应能满足测量水轴转速的要求，所测量的速度能达到2 000 r/min，具有高速稳定性；风量仪是测量风流进口进风量的仪器，用于实时检测进口处的风量和风速，具有高灵敏性。实验开始，待高压水泵稳定提供2.0 MPa水压、水轴达到稳定转速后，测量风流轴向速度。

图13

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图13 水轴转速和风流轴向速度测试平台

Fig.13 Test platform of water axis rotation speed and wind flow axial speed

分别测量水轴出口角度为15°、30°、45°、60°和75°时水轴转速和风流轴向速度。实验值与仿真值的对比如图14所示。

图14

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图14 水轴转速和风流轴向速度实验值与仿真值的对比

Fig.14 Comparison of experimental and simulated values of water axis rotation speed and wind flow axial speed

由图14可知，速度实验值与仿真值的变化趋势基本一致，其中水轴转速的最大误差为4.49%，平均误差为4.04%，风流轴向速度的最大误差为4.65%，平均误差为3.68%。仿真是在理想状态下进行的，未考虑风阻、摩擦等影响，导致实验值小于仿真值。

4 降尘装置现场应用

选择陕西煤业化工集团神木红柳林矿业有限公司25212综采工作面为测试地点，在转载机进料口处安装降尘装置，检测降尘效果。测试现场如图15所示。

图15

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图15 水动力旋转喷雾降尘装置降尘测试现场

Fig.15 Dust reduction test site of hydrodynamic rotary spray dust reduction device

4.1　粉尘测量方案

为了考察所研制的降尘装置的降尘效果，依照《煤矿安全规程》^[22]、MT/T 1171—2019《煤矿井下浮游粉尘浓度检测技术规范》^[23]和AQ1020—2006《煤矿井下粉尘综合防治技术规范》^[24]等有关规定，结合转载机区域的现场情况，设置转载机区域粉尘质量浓度测点，如图16所示。设置A、B、C、D四个测点：A点位于转载机机头处，处于矩形防尘罩中间，高度（即与底部输送链条的距离）为2 m；B点位于转载机进料口前转弯处，正对矩形防尘罩中间，高度为2.2 m，距转弯处的挡护板0.8 m；C点距人工作业处4.45 m，距挡护板0.8 m，高度为1.5 m；D点为工人作业处，距挡护板0.8 m，高度为1.5 m。采用CCZ-20A型矿用粉尘采样器，对每个测点进行3次全尘和呼吸性粉尘质量浓度的测量。

图16

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图16 转载机区域粉尘质量浓度测点设置

Fig.16 Arrangement of dust mass concentration measurement points in transfer machine area

通过与转载机机头原有的喷嘴组合降尘装置的降尘效果进行比较，考察水动力旋转喷雾降尘装置的应用效果。制定了以下3种粉尘测量方案。

1）工况1：无任何降尘装置。关闭转载机机头原有的喷嘴组合降尘装置，检测在此工况下4个测点位置的粉尘质量浓度。

2）工况2：开启原降尘装置。开启转载机机头原有的喷嘴组合降尘装置，检测在此工况下4个测点位置的粉尘质量浓度。

3）工况3：开启水动力旋转喷雾降尘装置。关闭原有的喷嘴组合降尘装置，开启水动力旋转喷雾降尘装置，检测在此工况下4个测点位置的粉尘质量浓度。

4.2　降尘效果对比

对3种工况下测得的粉尘数据进行计算与处理，得到转载机区域测点位置的粉尘质量浓度及工况2、工况3相对工况1的降尘率。如表5所示。

表5 转载机区域测点位置粉尘质量浓度及降尘率

Table 5 Dust mass concentrations and dust reduction rates of measurement points in transfer machine area

测点	粉尘性质	粉尘质量浓度/(mg/m³)			降尘率/%
测点	粉尘性质	工况 1	工况2	工况3	工况2	工况3
A	总尘	47.50	29.10	10.21	38.74	78.51
A	呼吸性粉尘	28.50	18.67	6.96	34.53	75.58
B	总尘	132.50	74.55	23.47	43.74	82.29
B	呼吸性粉尘	69.67	41.39	13.43	40.59	80.72
C	总尘	76.67	46.52	13.21	39.32	82.77
C	呼吸性粉尘	43.00	27.68	8.26	35.63	80.79
D	总尘	72.22	48.20	11.16	33.26	84.55
D	呼吸性粉尘	38.67	26.64	6.31	31.10	83.68

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由表5可知；未安装降尘装置时，转载机区域的粉尘质量浓度最高达132.50 mg/m³，最低为28.50 mg/m³，即使开启了原有的喷嘴组合降尘装置，总尘和呼吸性粉尘的质量浓度仍远远高于国家标准，这对工作人员的健康带来了严重威胁；采用水动力旋转喷雾降尘装置后，转载机区域总尘和呼吸性粉尘的质量浓度明显降低，降尘率达到75%以上，在工人作业处总尘和呼吸性粉尘的降尘率较其他测点高，分别达到了84.55%和83.68%，呼吸性粉尘的质量浓度降到了6.31 mg/m³。可见，采用水动力旋转喷雾降尘装置可有效降低转载机区域的粉尘浓度，保障现场工作人员的安全和健康。

5 结论

1）水动力旋转喷雾降尘装置利用静力水压为水轴提供动力，旋转杆喷出的水柱形成旋转喷雾而对尘源进行水雾除尘，外壳和混合出口控制着旋转喷雾的扩散范围，并使降尘装置产生负压。空气中浮游的粉尘随着风流在负压作用下进入降尘装置，与雾粒混合并喷射到尘源上，实现空气净化。

2）通过水轴内流场转速和降尘装置雾化性能仿真可知：在水压为2.0 MPa下，当水轴出口角度从0增大到90°时，水轴转速持续增加到1 786.4 r/min，水流出口速度从63.19 m/s持续减小到24.97 m/s，速度均匀性呈增强的趋势；雾粒最大轴向速度从39.178 m/s先减小到10.637 m/s，后增加到12.854 m/s，再减小到8.014 m/s，速度均匀性先增强后减弱；风流最大轴向速度先从0.804 m/s增加到1.524 m/s，后减小到1.272 m/s，速度均匀性先基本不变后减弱。当水轴出口角度为45°时，降尘装置具有最佳雾化性能。

3）通过实验可知，水轴转速、风流轴向速度的实验值与仿真值的变化趋势一致。因仿真环境为理想状态，水轴转速、风流轴向速度的实验值均小于仿真值，水轴转速最大误差为4.49%，最小误差为3.72%；风流轴向速度最大误差为4.65%，最小误差为2.49%。误差均在允许范围内，验证了仿真的有效性。

4）通过降尘装置现场应用表明，水动力旋转喷雾降尘装置对转载机区域的降尘率均达到了75%以上，比原喷嘴组合降尘装置提高了40%以上，工人作业处总尘的降尘率达到84.55%，呼吸性粉尘的降尘率达到83.68%，呼吸性粉尘的质量浓度降为6.31 mg/m³，转载机区域粉尘污染情况得到了极大改善。

参考文献

原文顺序

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[10]

蒋仲安，王亚朋，许峰.

金属矿山气-水喷头雾化特性及降尘能力实验研究

［J］. 中南大学学报（自然科学版）， 2020， 51（1）： 184-192.