张延军，王春艳，孙 融，许 鹏

1太原科技大学机械工程学院 山西太原 030024

2重大装备液压基础元件与智能制造工程研究中心 山西太原 030024

煤 矿粉尘是危害工人身体健康的首要因素，控制煤矿各个生产环节中的煤尘是防止煤尘污染的主要措施。煤层注水可以减少尘源的排尘量，喷雾降尘能有效控制采煤时产生的粉尘，通风除尘可以降低掘进工作面的粉尘体积浓度。上述方法虽然降低了煤矿井下生产过程中产生的煤尘，但从事一线作业的工人衣服上仍然附有煤尘，这些煤尘会跟随工人进入井上的行人通道造成二次污染。笔者设计了一种负压除尘装置，可以及时除去工人衣服上的煤尘。吸尘口是除尘装置的关键部件，其性能的优劣直接影响吸尘效率的高低。大量学者对吸尘口结构进行了研究，黄兴华等人[1]设计了一种弧形控尘专用吸尘口；覃先云等人[2]提出了后置不起流道、主体空腔呈 Y 形结构的吸尘口；刘正先等人[3]研究了有一定倾角的双吸式吸尘口；曾广银等人[4]设计了带导流挡板的弧形吸尘口；吴强运等人[5]基于 Fluent 研究了纯吸式和卷吸式吸尘口的流场特性；张洪军等人[6]针对清扫车的吹吸风道流体流动情况进行了研究。上述研究对吸尘口的设计具有指导意义，但研究吸尘口各结构参数对吸尘效果的影响较少。

笔者以实体建模为基础，运用计算流体力学，针对初始吸尘口进行流场分析，发现初始设计存在的问题，并研究了各结构参数对吸尘效果的影响规律，改进吸尘口结构，实现了吸尘口对煤尘的高效收集。除尘装置通过吸尘口使工人身上的煤尘得到及时清理，既能保证煤矿工人的衣物清洁，又不影响煤矿井上的环境。

1 吸尘口结构

1.1 结构参数

吸尘系统工作时，通过集尘箱中风机运转产生负压，并由管道传递到吸尘口处，在负压的作用下，附着在工作服表面的煤尘颗粒被吸入管道，进入除尘系统。吸尘口由梯形盒和排气管组成，其结构如图 1 所示。吸尘口长度为L，宽度为B，排气管长度为H，直径为D，吸尘口收缩角为α，排气管倾斜角为β。具体结构参数如表 1 所列。

1.2 前置处理

图1 吸尘口结构Fig.1 Structure of suction port

表1 结构参数Tab.1 Structural parameters

由于吸尘口内部的负压和四周缝隙的压力、流量、速度均未知，气流运动比较复杂，所以在吸尘口外部区域建立扩展区，有利于计算。非结构化网格不受求解域拓扑结构及边界形状的限制，计算精确性更高。因此运用 ICEM 对简化的吸尘口模型及扩展区域进行非结构化网格划分。吸尘口的网格划分如图 2 所示。为得到吸尘口内流场稳定后的仿真，选择基于压力的求解器，时间模式设为 Steady，速度属性设为Absolute，湍流模型选择标准的κ-ε模型，离散方法采用有限体积法。设置边界条件时，将扩展区域入口设为压力入口边界，边界类型设置为逃逸，压强为 0 Pa；将与梯形盒连通的排气管出口表面设为压强出口边界，边界类型设置为捕捉，相对入口压差为 -5 000 Pa；将颗粒入射面和壁面边界类型设置为捕捉。采用欧拉-拉格朗日离散相 DPM 模型分析颗粒的内部流场分布，其中气体为连续相，固体颗粒为离散相。

图2 吸尘口网格划分Fig.2 Mesh division of suction port

1.3 数学模型

吸尘口工作时，会带动入口附近的空气流动，周围的气体将被吸入，同时吸尘口内部的负压也会引导煤尘进入除尘系统，气流和煤尘最终进入集尘箱，其遵循以下方程：

(1) 连续性方程

式中：ρ为流体密度；U为速度矢量。

(2) 动量方程

式中：p′为校正压强；μeff为有效黏度系数；p为静压强；μ为层流黏度系数；ξ为体积黏性系数；μT为湍流黏度系数；k2为湍动能；ε为动能耗散系数。

(3)κ-ε双方程

1.4 尘粒启动理论

尘粒的启动速度定义为：尘粒开始滑动、翻滚并即将悬浮的最小风速[7]。只有风速超过最小风速，尘粒才有可能发生移动。尘粒启动时，作用在流体中粒子上的迎面阻力和重力应平衡，据此可得尘粒启动的临界速度

式中：ρp为尘粒的密度；ρ为气流的密度；A为经验系数。

根据朱伏龙[8]的试验可知煤粉的密度为 1 600 kg/m3，代入式 (5) 可得煤尘启动速度随粒径变化的曲线，如图 3 所示。

2 参数分析

吸尘口各结构参数对吸尘效果的影响彼此相关，所以有必要对各结构参数进行优化，得出较佳参数。由尘粒启动理论可知：当接近衣服的气流速度大于尘粒的启动速度时，吸尘口能将尘粒吸起。为保证尘粒从吸尘口进入排气管，需保证排气管入口处的真空度足够大。因此，仿真分析时，取吸尘口入口截面、侧进气面以及排气管入口截面处的速度作为前进气面速度、侧进气面速度和排气管入口速度，同时取排气管入口的平均压强作为排气管入口压强进行分析。

图3 尘粒大小对启动速度的影响Fig.3 Influence of dust particle size on startup speed

2.1 吸尘口宽度

吸尘口宽度增加代表着侧进气面进气量变大。吸尘口宽度对进气速度及入口压强的影响如图 4 所示。由图 4 可知，随着宽度的增加，前进气面速度略有减小，侧进气面速度先增大后减小，排气管入口速度变化幅度较大，排气管入口压强一直减小。

图4 吸尘口宽度对进气速度及入口压强的影响Fig.4 Influence of width of suction port on air speed and pressure at inlet

当吸尘口宽度较小时，随着宽度的增加，两侧进气口的进气面积增大，有利于气流从两侧进入，因此侧进气面速度略有增大。当吸尘口宽度增大到 26 mm时，如果再继续增大，侧进气面积对流场起主要影响作用，侧进气面速度开始减小；吸尘口宽度的增加使前进气口的进气量减小，故前进气面速度有所减小；随着吸尘口宽度的增加，前进气面的气流不顺畅，排气管入口处的压强受大气压强的影响小，所以排气管入口压强明显减小。前进气口的速度是比较重要的，因此在保证前进气口速度的前提下适当增大宽度可提高吸尘效率。

2.2 排气管倾斜角

排气管倾斜角是吸尘口的一个重要参数，直接影响吸尘口内携尘气流的压强和速度分布。排气管倾斜角对进气速度及入口压强的影响如图 5 所示。由图 5可知，当倾斜角小于 140°时，随着倾斜角的增加，前进气面速度、排气管入口和出口速度均增大，排气管入口压强一直减小；当倾斜角大于 140°再继续增大时，各种速度均开始减小，而排气管入口压强逐渐增大。这是因为倾斜角较小时，随着角度的增大使得排气管与入口的连接变得顺畅，局部损失减小，吸尘功率增大，所以前进气面、排气管入口和出口速度均增大，排气管入口压强减小；当继续增大倾斜角，进气空间变得狭长，局部损失变大，吸尘功率减小，各进气口速度减小，同时，由于排气管与吸尘口连接处截面积增大，吸尘口内的压强受出口负压影响较小，所以排气管入口压强增大。

图5 排气管倾斜角对进气速度及入口压强的影响Fig.5 Influence of obliquity of suction port on air speed and pressure at inlet

2.3 排气管直径

排气管直径主要影响排气管入口和出口速度。改变排气管直径进行流场仿真，吸尘口排气管直径对进气速度及入口压强的影响如图 6 所示。由图 6 可知，随着排气管直径的增加，前进气面速度、排气管入口速度增大，当直径大于 30 mm 时，速度的变化开始平缓；排气管出口速度逐渐减小，而排气管入口压强一直增大。这是因为当直径小于 30 mm 时，直径增大，排气管出口面积增大，在出口压强一定的条件下，吸尘功率变大，同时携尘气流进入吸尘口变得顺畅，局部损失小，所以前进气面速度和排气管入口速度增大，但出口流量增加的幅度小于排气管出口横截面面积增加的幅度，所以排气管出口速度会减小；排气管直径增加，则排气管进出口的沿程损失减小，故排气管入口压强变大；当直径由 30 mm 继续增大时，随着吸尘功率的增大，气流的流速增加，产生了很大的沿程损失，吸尘功率的增加程度与损失增加的程度比较接近。所以，前进气面速度和排气管入口速度的增加变缓，排气口出口平均速度减小。

图6 吸尘口排气管直径对进气速度及入口压强的影响Fig.6 Influence of diameter of exhaust pipe of suction port on air speed and pressure at inlet

3 流场分析

3.1 气流相分析

初始吸尘口气流速度如图 7 所示。由图 7 可知，颗粒入射面的气流速度为 8.82～17.6 m/s，此时的气流分布不均，有积聚现象；吸尘口左右对称面入口区域气流速度为 26.5～35.3 m/s，转弯处由于采用收缩式结构，过流截面积变小，导致转弯处的气流积聚加速，速度增至 52.9～61.7 m/s。气流速度过大不利于对颗粒的收集。

改进吸尘口的气流速度如图 8 所示。由图 8 可知，吸尘口颗粒入射面的气流速度为 11.6～23.1 m/s，气流分布均匀；左右对称面入口气流速度为 34.7～46.2 m/s。相比于初始吸尘口，各气流速度远大于图7 所示的颗粒启动速度，颗粒能顺利进入集尘室。

图7 初始吸尘口气流速度Fig.7 Air speed at original suction port

图8 改进吸尘口的气流速度Fig.8 Air speed at improved suction port

3.2 颗粒相分析

采用离散相模型得到煤尘颗粒的运动轨迹如图 9所示。在评估吸尘口的吸尘性能时，通常将排气管出口捕捉的颗粒数与颗粒入射面总量的百分比作为主要指标，吸尘口的吸尘效率

图9 初始吸尘口煤尘颗粒的运动轨迹Fig.9 Motion trajectory of coal dust particle at original suction port

大多数的煤尘颗粒跟随气流运动到出口处，有一定的收集作用，但还有一部分颗粒在转弯处产生涡流效应，不利于尘粒顺利进入集尘室。查询仿真结果，追踪粒子数量为 2 229 个，其中捕捉 1 534个，逃逸 17 个，可以求得初始吸尘口的吸尘效率为68.8%。改进后可以看到，煤尘颗粒都随气流一起运动到排球管出口处，个别颗粒在转弯后运动轨迹曲折，但最终也被收集，可见改进后的吸尘口收集效果良好。改进后共追踪粒子数量为 2 094 个，捕捉 1 747个，逃逸了 44 个，改进后的吸尘效率为 83.4%，极大地提高了吸尘效率。

图10 改进吸尘口煤尘颗粒的运动轨迹Fig.10 Motion trajectory of coal dust particle at improved suction port

4 结语

通过各结构参数分析研究，得出以下结论：

(1) 在保证前进气口速度的前提下适当增大宽度，可提高吸尘效率。

(2) 排气管倾斜角小于 140°时，增加倾斜角有利于进口速度的增加与排气管入口压强的减小，从而改善吸尘效果。

(3) 排气管直径小于 30 mm 时，前进气面速度和排气管入口速度增幅较大，有利于增强吸尘能力。

(4) 改进后的吸尘口各气流速度明显增大，内部无涡流，实现了吸尘口对煤尘颗粒的高效吸入。