景明明 韩东志

摘要：依据流体力学中的伯努利效应，优化现有装置，从而设计了具有效应段的煤尘浓度检测通道装置。采用CFD软件，在Gambit2.4中建立改进装置模型，在Fluent6.3设定计算求解参数，通过对仿真结果的云图分析、数值分析以及不同管道的粒子参数对比分析，得出了伯努利效应在改进装置中的有效性。经过与项目组之前研究的文丘里效应管进行速度对比以及归一化处理，其平均速度提高了9.2%。对于后续设计煤尘浓度检测结构具有一定的参考意义。

Abstract： According to Bernoulli effect in hydrodynamics， the existing device is optimized， and a dust concentration detection channel device with effect section is designed. Using CFD software， an improved device model is established in Gambit 2.4. The parameters of calculation and solution are set in Fluent 6.3. The effectiveness of the Bernoulli effect in the improved device is obtained through the cloud image analysis， numerical analysis and the comparison of particle parameters of different pipes. The average velocity of Venturi effect tube was increased by 9.2 times after comparing and normalizing with the Venturi effect tube studied by the project team. It has certain reference significance for the follow-up design of coal dust concentration detection structure.

关键词：伯努利效应;小粒径煤尘;速度对比;建模仿真

Key words： Bernoulli effect;small particle size coal dust;velocity comparison;modeling and simulation

中图分类号：TP391.7                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）09-0087-03

0  引言

煤矿生产的整个环节较为复杂，在生产中的每一个环节都会产生大量煤尘，严重影响着井下工人的身体健康，煤尘浓度过高还会引起职业病。近年因煤尘爆炸的事故屡屡发生，对广大矿工生命安全造成巨大威胁，也造成了巨大的经济损失[1-3]。目前市面上有许多基于不同原理的煤尘测量方法以及测量系统，如滤膜称重法、光散射法、静电感应法等，为煤矿井下粉尘浓度测试提供了强有力的保障。而这些测量方法普遍存在着测量结果易受人为因素影响、测量周期相对较长、不能实现连续实时测量等缺点[3-5]。因此，有效准确地检测矿井煤尘浓度，并且实现连续实时检测是防治煤尘污染的重要保障，也是预防作业人员患尘肺病最主要的手段。本文基于流体力学中的伯努利效应对现有测量装置进行改进，项目组研究伯努利效应对气固两相流相关作用，通过CFD软件进行建模仿真，验证伯努利效应对煤尘通道的有效性，为后续工作研究做好相应准备。

1  改进装置模型

1.1 模型原理

伯努利效应，也称边界层表面效应。适用于包括气体在内的一切流体，是流体作稳定流动时的基本现象之一，反映出流体的压强与流速的关系，流速与压强的关系：等高流速时，流体的流速越大，压强越小;流体的流速越小，压强越大。实质是流体的机械能守恒，如下式所示：

其中p为流体中某点的压强，Pa;ρ为流体密度，kg/m3;v为流体该点的流速，m/s;g为重力加速度，m/s2;h为该点所在的高度，m;c为常数[5-12]。

1.2 改进装置图

依据伯努利原理，图1为基于伯努利效应的改进装置图，当煤尘粒子进入测量管道中，在运动过程中會发生摩擦碰撞，如果在管道内发生伯努利效应，那么压力的逐渐减小，将会使粒子的运动速度的增加，这对于煤尘浓度的检测通道而言，不仅可以更加准确的检测浓度，而且降低了设备的损耗。因此，验证改进装置的有效性，是极其重要的。本文依据现有装置，设计了改进装置管道直径D为6cm，进口段长度d1为4cm，效应段长度d2为8cm，出口段长度d3为4cm，d为效应段最小间距，如图1所示。

2  几何模型

2.1 建立及网络划分

为了使实验结果更加直观，本次实验将模拟为2D平面模型，故将其通道结构简化为两个开口。利用Gambit2.4建立改进装置的实验模型，选择Quad/Tri格式作为网格化的工具，Interval Size为0.1，定义左为进口，类型为速度入口边界，定义右为出口，类型为自由出流边界，其他默认为管壁。以d=3cm为例，简化流场模型如图2所示。

2.2 计算方法

利用Fluent6.3对改进装置的内部流场进行数值模拟。选择压力基隐式求解器，计算模型为欧拉模型下具有较高稳定性的k-ε模型，在标准大气压环境中进行，定义煤尘的物理性质，将第一相流设置为air，第二相流设置为fenchen，最后定义边界条件。

通过上述计算方法的设置，根据研究对象为小粒径煤尘，因此设定煤尘的粒径分别为11μm、9μm、7μm、5μm、3μm、1μm作为研究对象，设置了含尘气流初始速度分别为3m/s、4m/s、5m/s，可实现对不同运动速度粒子的模拟化研究，同时在每一个初始速度的对应下分别设置了效应段最小值为2.5cm、3cm、3.5cm的测量通道管。

3  结果分析

3.1 云图分析

通过Fluent6.3相关求解计算，从而获得大量的压力云图与速度云图，以粒子的含尘气流初始Vair=4m/s，d=3cm，粒径为1μm、3μm、5μm为例。

由图3粒子压力云图可知，在同等条件下，随着粒子粒径的增加，在管道内的效应段粒子所受压力随之增大，同时在效应段的压力逐渐形成“压力后移”现象，压力倾向于出气口一侧。因此，对于管道而言，损耗将会随之降低，也便于日后对设备的维护。

由图4粒子速度云图可知，在同等条件下，随着粒子粒径的增加，在管道内的效应段粒子运动速度没有增大反而逐渐减小，同时也形成了“速度后移”的现象。虽然在效应段的粒子运动速度有所减小，但倾向于出口一侧粒子运动速度较之而言略有提高，因此该现象可降低煤尘的沉降问题。

3.2 数值分析

通过相应云图，从而获取不同状态下的数值，分别取不同含尘气流初始速度值作为实验的研究前提，通过不同的颗粒物粒径以及不同的管道效应段最小值，从而进行相关数值分析，如表1-表3所示。

由表1-表3中煤尘的压力与速度数据，可以清晰的得出：在改进测量装置中，无论是怎样的实验条件，当粒径的逐渐减小时，压力总是随之减小，反而速度会逐渐增大，反之亦然，因此验证了伯努利效应在改进装置中的有效性。

3.3 不同管道的参数对比分析

改进装置中伯努利效应得到充分利用，但对于是否提高了粒子的运动速度，需要作进一步分析。因此，改进装置与项目组研究的文丘里效应管的粒子运动速度进行对比，选择管道内效应管的最小值d=3cm，含尘气流速度初始值Vair=4m/s，作为对比参考。由于其速度对比如表4所示，在同等实验条件下进行模拟实验。

根据表5可知：对于煤尘而言，改进装置不同粒径的运动速度均大于项目组研究的文丘里效应管，有利于提高煤尘浓度测量的准确性。对表5的速度值进行相关处理，如图5所示。

由图5可知：对于小粒径煤尘，粒子在改进装置中的平均速度提高了9.2%，因此，伯努利效应对于测量结果的准确度具有一定的提高，也保证了对煤尘的检测精度。

4  结论

①首先对流体力学中的伯努利效应进行介绍，依据现有装置的结构，优化现有装置，从而设计了具有效应段的煤尘浓度检测装置，从而进行验证伯努利效应能否作用于改进装置。

②采用CFD软件，基于伯努利效应的相关原理，在Gambit2.4中建立改进装置模型，在Fluent6.3设定计算求解参数，同时仿真实验设定煤尘的粒径分别为11μm、9μm、7μm、5μm、3μm、1μm，设置了含尘气流初始速度分别为3m/s、4m/s、5m/s，在每一个初始速度的前提下分别设置了效应段最小值为2.5cm、3cm、3.5cm的测量通道管，可实现对管道的参数设定提供理论依据。

③通过对仿真结果的云图分析、数值分析以及改进前后的粒子参数对比分析，得出了伯努利效应在改进装置中的有效性。经过与项目组之前研究的文丘里效应管进行速度对比以及归一化处理，其平均速度提高了9.2%。后续会结合项目组研究方向，进一步研究伯努利效应对于检测煤尘的相关问题。

參考文献：

[1]多英全，刘垚楠，胡馨升.2009～2013年我国煤尘爆炸事故统计分析研究[J].中国安全生产科学技术，2015，11（02）：186-190.

[2]孙博.矿井煤尘浓度测量技术研究[D].长春理工大学，2014.

[3]张二强，张礼敬，陶刚等.煤尘爆炸特征和预防措施探讨[J].中国安全生产科学技术，2012，8（02）：88-92.

[4]菅洁，谢建林，郭勇义.煤矿井下煤尘浓度与煤尘粒度测定分析[J].太原理工大学学报，2017，48（04）：592-597.

[5]石天娥.气固两相流固相速度与浓度测量[D].东北大学，2012.

[6]陆倩倩，阮健，李胜.伯努利效应引起滑阀阀芯径向力的研究[J].中国机械工程，2017，28（19）：2332-2338.

[7]梁磊，张玲.对流干扰下的重力分异——基性岩侧向分带及矿化的主要机制[J].地质论评，2017，63（04）：869-880.

[8]刘丹丹，曹亚迪，汤春瑞，等.基于测量窗口气鞘多相流分析的粉尘质量浓度测量装置优化[J].煤炭学报，2017，42（07）：1906-1911.

[9]王礼平.煤矿粉尘浓度监控系统研究与实现[D].西安建筑科技大学，2018.

[10]黄技，吕鸿冠，林灿彬，等.基于Fluent的不同雷诺系数下二元圆柱绕流的研究[J].广东海洋大学学报，2015，35（04）：81-86.

[11]白普庆.静电式气固两相流固相浓度的测量研究[D].东北大学.

[12]刘丹丹，魏重宇，李德文，等.基于气固两相流的粉尘质量浓度测量装置优化[J].煤炭学报，2016，41（07）：1866-1870.