徐曼麗

（山西潞安礦業(yè)（集團）有限責任公司信息科技分公司， 山西 長治 046204）

引言

近年來，隨著采煤量的增加，機械功率也隨之增加，使得工作面環(huán)境越來越差。粉塵治理也給井下安全帶來嚴重隱患。當粉塵濃度過高時，不僅會對礦工身體造成傷害，還會加速井下設備的損壞，因此粉塵治理成為當務之急[1]。為了解決這一問題，提高降塵效率，提出了一種掘進機新型噴嘴組合降塵方法，對井下作業(yè)環(huán)境治理具有重要意義。因此，本文將采用實驗研究的方法，研究雙噴嘴的組合形式，深入探索噴嘴組合形式在不同壓力下變化時，不同軸向間距顆粒的大小和分布范圍，為地下環(huán)境治理和掘進機結構設計奠定良好的基礎。

1 掘進機噴嘴結構簡介

空氣霧化噴嘴結構如圖1 所示，噴嘴上主體與噴嘴下主體采用螺紋連接構成了噴嘴主體。上主體采用螺紋連接加密封的方式安裝外蓋和兩個接頭，噴嘴內(nèi)部堵塞時可拆卸外蓋進行清理，水通過下部接頭經(jīng)過上主體進入噴嘴上蓋，氣體通過上部接頭經(jīng)上主體內(nèi)部從頂針與上主體開啟的縫隙進入噴嘴口，風和水在噴嘴口處結合噴射出氣霧，氣霧產(chǎn)生的氣流和霧滴可除塵、驅(qū)散瓦斯和降溫[2]。接頭小端外螺紋連接噴嘴主體，大端內(nèi)螺紋連接外部管路接頭，方便安裝和拆卸。

圖1 掘進機空氣霧化噴嘴結構示意圖

2 噴嘴結構數(shù)值模擬分析

2.1 噴嘴結構模型建立

本文以不同噴嘴組合下的霧化流場為研究重點。因此，主要研究外流場中液滴尺寸的變化，以及不同噴嘴組合下霧化效果的數(shù)值模擬。在建立數(shù)值模擬分析的過程中將復雜的霧化噴嘴結構進行一定程度的簡化[3]，如圖 2 所示。

圖2 掘進機空氣霧化噴嘴結構簡化分析示意圖（單位：mm）

針對研究的重點，建立了噴嘴組合幾何模型。噴嘴組合的示意圖如下頁圖3 所示。噴嘴組合式霧化的主要考慮因素是霧化流場霧滴疊加區(qū)中霧顆粒的變化。檢查相關設計圖集后，兩個噴嘴之間的距離約為100 mm。因此，噴嘴組合類型的中心距離設置為100 mm。在數(shù)值模擬過程中，霧化流場的三維有限元模型為一個直徑500 mm、高度1 200 mm 的圓柱體。噴嘴被放置在第一端面上。每個噴嘴形成的圖形的中心與端面圓的中心為相同的點，噴嘴間距為100 mm[4]。為了使霧化區(qū)域更加規(guī)律，方便測量霧化疊加區(qū)域液滴尺寸的分布范圍，噴嘴組合采用規(guī)則多邊形布局。

圖3 噴嘴布置圖

利用三維映射軟件CATIA 建立三維模型，并將三維模型導入ICEM 進行網(wǎng)格生成[5]。網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格，有限元模型如下頁圖4 所示。

圖4 噴嘴有限元網(wǎng)格模型

2.2 邊界條件設置

入口邊界條件為噴嘴，噴嘴出口設置為壓力入口。由于噴嘴為自由噴嘴，出口為全出口邊界，工作面墻設置為無反射邊界條件墻，作出一定的假設，假設該煤壁是近似等溫的，沒有滑移，數(shù)值模擬采用三維單精度模擬器偶合解決對流場問題。選擇壓力旋轉(zhuǎn)霧化器模型作為霧化器模型，選擇水作為分散相[6-10]。

3 結果與分析

根據(jù)噴霧除塵理論和集塵理論[11-13]，在收集2～12 μm 的粉塵時，最佳液滴尺寸為30～120 μm。采用偶合的方式對不同噴嘴組合形式在不同壓力下的霧化流場進行了三維模擬。迭代計算之后，提取噴嘴組合形式下霧化區(qū)域中噴嘴疊加區(qū)域不同位置的粒徑。提取后，將液滴尺寸單位轉(zhuǎn)換為μm，將軸向距離單位轉(zhuǎn)換為mm。為了使表達式更加方便，噴嘴的軸向距離分別表示為 A、B、C、D、E，分別為 400 mm、600 mm、800 mm、1 000 mm 和 1 200 mm。

3.1 單個噴嘴的霧化粒度特性分析

隨著噴淋壓力的增加，霧化區(qū)域內(nèi)的液滴尺寸逐漸增大。前液滴的噴嘴尺寸隨著噴嘴軸與噴嘴之間距離的增大而增大。液滴的尺寸隨軸向距離的增大而增大。這些液滴被聚合成更大尺寸的液滴。

從圖5-1 可以看出，當噴霧壓力為2～3 MPa 時，單個噴嘴的液滴尺寸小于1 MPa，液滴尺寸分布為38～198 μm。根據(jù)集塵理論，可以看出，單個噴嘴的液滴尺寸一般都大于液滴尺寸的最佳范圍。為了使霧化效果更加均勻，提出了噴嘴組合對霧化效果的影響。從圖5-2 可以看出，單個噴嘴的噴射壓力與液滴大小呈負相關。在相同的噴射壓力下，隨著液滴軸向距離的增大，液滴尺寸先減小后增大，液滴尺寸最小點出現(xiàn)在C 點。

圖5 單個噴嘴的粒度分布

3.2 多孔組合分析

以5 個噴嘴組合為例，對其在不同的噴霧壓力條件下的情況進行研究，五個噴嘴組合的液滴尺寸分布如圖6 所示。

圖6 五個噴嘴組合中液滴尺寸的分布

從圖6-1 可以看出，在5 個噴嘴組合下，與其他噴嘴組合相比，液滴尺寸顯著增加。因此可以得出結論，隨著噴嘴數(shù)量的增加，5 個噴嘴組合的耗水量也隨之增加。隨著霧化空間中液滴數(shù)量的急劇增加，液滴之間的碰撞加速動能減小。由于表面張力的影響，小液滴會聚并合成較大的液滴尺寸。從圖6-2 可以看出，5 個噴嘴組合的模式與4 個噴嘴的模式相似，但最小點出現(xiàn)在C 測量點附近，與其他噴嘴組合相比向前移動?？梢缘贸鼋Y論，5 個噴嘴組合的液滴之間發(fā)生碰撞的概率也大大增加，這使得液滴的速度迅速衰減，速度較低的液滴不能相互碰撞產(chǎn)生更細的液滴。在C 點之后，液滴尺寸呈上升趨勢。

根據(jù)實際工作情況，結合噴霧除塵理論和除塵理論，當噴霧壓力2 MPa 接近三種噴嘴組合形式時，噴霧霧化效果最好，粉塵與液滴結合效果最高。

4 結論

1）當噴嘴組合與射流軸向距離相同時，霧化疊加區(qū)域的噴霧壓力與液滴尺寸呈負相關。當噴嘴組合形式和噴霧壓力恒定時，隨著軸向距離的增大，液滴尺寸先減小后增大。

2）噴嘴組合對改善霧化區(qū)霧化效果效果明顯。當3 個噴嘴組合的噴霧壓力為2 MPa 時，霧化疊加區(qū)液滴尺寸最接近理論值，噴霧粉塵的理論效率最高。