第6期 谭聪等：综采割煤粉尘运移影响因素的数值模拟 717· 数值模拟作为一种低成本、高效率的研究方法， 粒相与气体相都在欧拉坐标系下处理；第二种是在 在粉尘控制方面得到了广泛的应用.美国学者 欧拉坐标系下考察气体相的运动，而将粉尘颗粒作 Alam)利用Fluent模拟了巷道设备运行条件下的 为离散相，在拉格朗日坐标系下研究粉尘颗粒相的 粉尘分布及运动规律.澳大利亚Wt等可针对传输 运动：第三种是把流体作为拟颗粒，从单颗粒尺度上 装置产生的扬尘，利用计算机动态流体模型预测其 描述流体微团的运动特征，将气相和粉尘颗粒相都 运动轨迹.在国内，针对综采工作面粉尘运移规律 在拉格朗日坐标系下处理.本文采用第二种观点， 的数值模拟研究相对较多.不少学者都根据气固两 建立欧拉一拉格朗日模型，将工作面风流作为背景 相流理论，建立了模型，模拟研究了综采工作面粉尘 流体，用欧拉法进行求解：将粉尘看作为离散分布于 分布规律，取得了一定的成果6-0.但是，这些研究 风流中的颗粒，运用拉格朗日法对粉尘的运动轨迹 仅揭示了特定条件下的粉尘分布规律，未深入探讨 进行求解. 工作面生产工艺参数对粉尘浓度分布规律的影响. 1.2模型的建立 本文采用数值模拟的方法，研究工作面风速、采煤机 邢东矿2225综采工作面采高3.6m,净宽4.5 滚筒转速以及溜子运煤速度对工作面粉尘运动规律 m,走向长683m,倾斜长55~126m,工作面设计风 的影响，从而确定有利于粉尘控制的最佳工作条件， 量893m3·min-1.采用MXG500/1130-WD型双滚 获取通风除尘设计的合理参数，为现场防尘工作提 筒采煤机穿梭采煤，前滚筒割顶煤，后滚筒割底煤， 供理论指导. 滚筒旋转截齿机械落煤，采用SGZ-800/500型双中 1数学模型的建立 心链可弯曲刮板输送机运煤 根据现场实际简化模型，将采煤机机身、电缆槽 1.1气固两相模型的确定 视为规则的长方体，摇臂简化为与实际外形相近的 粉尘在空气流场中的运动，本质上属于气固两 规则状，滚筒简化为圆柱体加圆柱型截齿，液压支柱 相流运动.气固两相流动理论主要有三种观点：第 简化为规则圆柱体，建立一个长120m、宽4.5m、高 一种是把粉尘颗粒作为拟流体，假设其在空间中有 3.6m的长方体计算区域，利用GAMBIT建立采煤 连续的速度、温度分布及等价的输送性质，将粉尘颗 机割煤时的三维几何模型如图1所示 前滚筒 后滚 采煤机机身 采煤机 液压 机道空间 支 后方 采煤机 空间 液压 支柱 液压支柱 图1综采工作面三维几何模型 Fig.I 3D geometric model of the fully mechanized working face 1.3数值模拟参数的设定 s,溜子速度为1.3ms1,通过求解得到综采工作 将网格模型导入Fluent中，根据邢东矿2225综 面的流场模拟结果，工作面主要断面的流场速度云 采面的实际情况及相关实际测量数据，结合数值模 图如图2所示 拟方法及所建立的数学模型，设置相关参数如表1 由图2可以得出：(1)由于液压支架的阻碍作 所示.选择标准k一ε两方程模型和瞬时稳态求解 用，使得机道空间的流场风速较大，在整个流场占主 器，采用SIMPLEC算法，进行数值模拟计算1-1切. 导作用：液压支架后方空间风速较小，流场稳定性最 2数值模拟结果分析 差，也最不利于粉尘的控制.(2)流场在采煤机附近 出现了较大的扰动，这是由于受到采煤机摇臂滚筒 2.1工作面流场分布规律 的阻碍作用，以及滚筒转动的影响，风流产生绕流， 欧拉一拉格朗日模型中，用欧拉观点处理气相 引起了局部风速的较大变化.(3)溜子运煤过程中， 流场，用拉格朗日观点处理固体颗粒的运动.在此 由于煤块与空气的摩擦作用，对流场的分布也产生 工作面平均风速设为1.3ms-,滚筒转速为3.0rad· 了一定的影响.第 6 期 谭 聪等: 综采割煤粉尘运移影响因素的数值模拟 数值模拟作为一种低成本、高效率的研究方法， 在粉尘控制方面得到了广泛的应用． 美 国 学 者 Alam［4］利用 Fluent 模拟了巷道设备运行条件下的 粉尘分布及运动规律． 澳大利亚 Witt 等［5］针对传输 装置产生的扬尘，利用计算机动态流体模型预测其 运动轨迹． 在国内，针对综采工作面粉尘运移规律 的数值模拟研究相对较多． 不少学者都根据气固两 相流理论，建立了模型，模拟研究了综采工作面粉尘 分布规律，取得了一定的成果［6 － 10］． 但是，这些研究 仅揭示了特定条件下的粉尘分布规律，未深入探讨 工作面生产工艺参数对粉尘浓度分布规律的影响． 本文采用数值模拟的方法，研究工作面风速、采煤机 滚筒转速以及溜子运煤速度对工作面粉尘运动规律 的影响，从而确定有利于粉尘控制的最佳工作条件， 获取通风除尘设计的合理参数，为现场防尘工作提 供理论指导． 1 数学模型的建立 1. 1 气固两相模型的确定 粉尘在空气流场中的运动，本质上属于气固两 相流运动． 气固两相流动理论主要有三种观点: 第 一种是把粉尘颗粒作为拟流体，假设其在空间中有 连续的速度、温度分布及等价的输送性质，将粉尘颗 粒相与气体相都在欧拉坐标系下处理; 第二种是在 欧拉坐标系下考察气体相的运动，而将粉尘颗粒作 为离散相，在拉格朗日坐标系下研究粉尘颗粒相的 运动; 第三种是把流体作为拟颗粒，从单颗粒尺度上 描述流体微团的运动特征，将气相和粉尘颗粒相都 在拉格朗日坐标系下处理． 本文采用第二种观点， 建立欧拉--拉格朗日模型，将工作面风流作为背景 流体，用欧拉法进行求解; 将粉尘看作为离散分布于 风流中的颗粒，运用拉格朗日法对粉尘的运动轨迹 进行求解． 1. 2 模型的建立 邢东矿 2225 综采工作面采高 3. 6 m，净宽 4. 5 m，走向长 683 m，倾斜长 55 ～ 126 m，工作面设计风 量 893 m3 ·min － 1 ． 采用 MXG500 /1130--WD 型双滚 筒采煤机穿梭采煤，前滚筒割顶煤，后滚筒割底煤， 滚筒旋转截齿机械落煤，采用 SGZ--800 /500 型双中 心链可弯曲刮板输送机运煤． 根据现场实际简化模型，将采煤机机身、电缆槽 视为规则的长方体，摇臂简化为与实际外形相近的 规则状，滚筒简化为圆柱体加圆柱型截齿，液压支柱 简化为规则圆柱体，建立一个长 120 m、宽 4. 5 m、高 3. 6 m 的长方体计算区域，利用 GAMBIT 建立采煤 机割煤时的三维几何模型如图 1 所示． 图 1 综采工作面三维几何模型 Fig． 1 3D geometric model of the fully mechanized working face 1. 3 数值模拟参数的设定 将网格模型导入 Fluent 中，根据邢东矿 2225 综 采面的实际情况及相关实际测量数据，结合数值模 拟方法及所建立的数学模型，设置相关参数如表 1 所示． 选择标准 k--ε 两方程模型和瞬时稳态求解 器，采用 SIMPLEC 算法，进行数值模拟计算［11 － 17］． 2 数值模拟结果分析 2. 1 工作面流场分布规律 欧拉--拉格朗日模型中，用欧拉观点处理气相 流场，用拉格朗日观点处理固体颗粒的运动． 在此 工作面平均风速设为 1. 3 m·s － 1 ，滚筒转速为 3. 0 rad· s － 1 ，溜子速度为 1. 3 m·s － 1 ，通过求解得到综采工作 面的流场模拟结果，工作面主要断面的流场速度云 图如图 2 所示． 由图 2 可以得出: ( 1) 由于液压支架的阻碍作 用，使得机道空间的流场风速较大，在整个流场占主 导作用; 液压支架后方空间风速较小，流场稳定性最 差，也最不利于粉尘的控制． ( 2) 流场在采煤机附近 出现了较大的扰动，这是由于受到采煤机摇臂滚筒 的阻碍作用，以及滚筒转动的影响，风流产生绕流， 引起了局部风速的较大变化． ( 3) 溜子运煤过程中， 由于煤块与空气的摩擦作用，对流场的分布也产生 了一定的影响． ·717·