·978· 北京科技大学学报 第34卷 线、水管和皮带人行梯等设备由于体积很小，在计算 1 数学模型的确定 域内不予以体现；(3)计算过程中采用巷道断面乘 粉尘在空气中的运动规律本质上属于气固两相 以有效断面系数作为参与计算的有效通风断面，用 流的研究范畴.气固两相流动的数值模拟有两种方 以修正建模过程产生的误差：(4)巷道内粉尘全部 法：欧拉一欧拉法及欧拉一拉格朗日法.欧拉一欧拉 来源于皮带运输过程，皮带运输机机头及机尾转载 法有单流体和双流体两类模型：第一类模型将气固 点完全密闭，粉尘不扩散. 两相介质看作一种混合流体；第二类将气固两相看 基于上述假设，建立一个尺寸为200m×3m× 作相互独立又相互作用的两种流体.欧拉一拉格朗 2.2m的三心拱巷道计算区域，作适当简化后运用 日法将气体或液体看作背景流体，将另外一相看作 GAMBIT2.0建立皮带运输巷道粉尘运动的三维几 离散分布于背景流体中的颗粒或粒子，用欧拉方法 何模型，并对其进行网格划分.模型中左侧建立尺 研究背景流体，用拉格朗日方法跟踪颗粒相的运动. 寸为200m×1m×0.8m的长方体表示皮带运输机. 本文采用欧拉一拉格朗日法建立数学模型，将 模型的坐标原点位于巷道底板与巷道入口交界线的 皮带运输巷道内风流看作背景流体，运用欧拉法进 中心，其中，x、y和z轴正方向分别指向巷道出口、运 输机道一侧以及巷道顶板.皮带运输巷道三维几何 行求解，将逸散粉尘看作离散分布于风流中的颗粒， 运用拉格朗日法对其运动轨迹进行求解. 模型如图1所示. 1.1工程概况 西石门铁矿提升车间系统40”皮带运输平巷位 于中央区40m水平，头部与58"破碎酮室相连，尾部 与主井贯通.巷道总长200m,断面为三心拱，尺寸 为3m×2.2m,面积为8.94m2.皮带运输机位于巷 道左侧，皮带宽1m,下方支架高0.8m,传输速度为 2ms1.巷道右侧为人行道，供矿工日常通行使用. 巷道入口处风速为0.5m·s,壁面定期进行清洗， 长期保持润湿状态 图1皮带运输巷道三维几何模型图 Fig.1 3D geometric model of the belt conveyer roadway 1.2模型建立 由于皮带运输巷道内有皮带运输机、电缆电线、 1.3边界条件 水管和皮带人行梯等设备，现场情况较为复杂，建模 根据西石门铁矿提升车间系统40"皮带运输平 比较困难，因此对皮带运输巷道粉尘扩散计算域作 巷的具体情况及相关实测数据，结合数学模型和 如下假设：(1)将巷道视为标准三心拱断面巷道，皮 Fluent的模拟方法，对区域网格进行自适应等调试， 带运输机机头及机尾视为标准梯形体，机身视为标 最终求解出皮带运输巷道粉尘质量浓度分布规律 准长方体，其下部空间极小不予考虑；(2)电缆电 数值模拟参数设定如表1所示-. 表1计算模型参数设定 Table 1 Parameters defining of the calculation model 求解器 湍流模型 能量方程 移动参考坐标系 平移速度/(ms1) 入口边界类型 分离求解器 k一ε双方程模型 关闭 打开 速度入口 入口速度/(m5l) 水力直径/m 湍流强度/% 出口边界类型 压力一速度耦合 压力插值格式 0.5 3.4 3.73 自由出流 SIMPL.EC算法 标准 离散格式 收敛标准 离散相模型 阻力特征 喷射源类型 材质 二阶迎风 10-3 打开 球形颗粒 面喷射 铁矿石 密度/(kgm) 粒径分布 分布指数 质量流率/(gs) 湍流扩散模型 绝对坐标系跟踪 5000 R-R分布 1.26 0.0003 随机轨道模型 打开 相对速度/(ms) 离散相边界 剪切边界 -2(巷道壁)：0（皮带） 捕获 无滑移北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 1 数学模型的确定 粉尘在空气中的运动规律本质上属于气固两相 流的研究范畴． 气固两相流动的数值模拟有两种方 法: 欧拉--欧拉法及欧拉--拉格朗日法． 欧拉--欧拉 法有单流体和双流体两类模型: 第一类模型将气固 两相介质看作一种混合流体; 第二类将气固两相看 作相互独立又相互作用的两种流体． 欧拉--拉格朗 日法将气体或液体看作背景流体，将另外一相看作 离散分布于背景流体中的颗粒或粒子，用欧拉方法 研究背景流体，用拉格朗日方法跟踪颗粒相的运动． 本文采用欧拉--拉格朗日法建立数学模型，将 皮带运输巷道内风流看作背景流体，运用欧拉法进 行求解，将逸散粉尘看作离散分布于风流中的颗粒， 运用拉格朗日法对其运动轨迹进行求解． 1. 1 工程概况 西石门铁矿提升车间系统 40# 皮带运输平巷位 于中央区 40 m 水平，头部与 58# 破碎硐室相连，尾部 与主井贯通． 巷道总长 200 m，断面为三心拱，尺寸 为 3 m × 2. 2 m，面积为 8. 94 m2 ． 皮带运输机位于巷 道左侧，皮带宽 1 m，下方支架高 0. 8 m，传输速度为 2 m·s － 1 ． 巷道右侧为人行道，供矿工日常通行使用． 巷道入口处风速为 0. 5 m·s － 1 ，壁面定期进行清洗， 长期保持润湿状态． 1. 2 模型建立 由于皮带运输巷道内有皮带运输机、电缆电线、 水管和皮带人行梯等设备，现场情况较为复杂，建模 比较困难，因此对皮带运输巷道粉尘扩散计算域作 如下假设: ( 1) 将巷道视为标准三心拱断面巷道，皮 带运输机机头及机尾视为标准梯形体，机身视为标 准长方体，其下部空间极小不予考虑; ( 2) 电缆电 线、水管和皮带人行梯等设备由于体积很小，在计算 域内不予以体现; ( 3) 计算过程中采用巷道断面乘 以有效断面系数作为参与计算的有效通风断面，用 以修正建模过程产生的误差; ( 4) 巷道内粉尘全部 来源于皮带运输过程，皮带运输机机头及机尾转载 点完全密闭，粉尘不扩散． 基于上述假设，建立一个尺寸为 200 m × 3 m × 2. 2 m 的三心拱巷道计算区域，作适当简化后运用 GAMBIT2. 0 建立皮带运输巷道粉尘运动的三维几 何模型，并对其进行网格划分． 模型中左侧建立尺 寸为 200 m × 1 m × 0. 8 m 的长方体表示皮带运输机． 模型的坐标原点位于巷道底板与巷道入口交界线的 中心，其中，x、y 和 z 轴正方向分别指向巷道出口、运 输机道一侧以及巷道顶板． 皮带运输巷道三维几何 模型如图 1 所示． 图 1 皮带运输巷道三维几何模型图 Fig． 1 3D geometric model of the belt conveyer roadway 1. 3 边界条件 根据西石门铁矿提升车间系统 40# 皮带运输平 巷的具体情况及相关实测数据，结合数学模型和 Fluent 的模拟方法，对区域网格进行自适应等调试， 最终求解出皮带运输巷道粉尘质量浓度分布规律． 数值模拟参数设定如表 1 所示［7--11］． 表 1 计算模型参数设定 Table 1 Parameters defining of the calculation model 求解器 湍流模型 能量方程 移动参考坐标系 平移速度/( m·s － 1 ) 入口边界类型 分离求解器 k--ε 双方程模型 关闭 打开 2 速度入口 入口速度/( m·s － 1 ) 水力直径/m 湍流强度/% 出口边界类型 压力--速度耦合 压力插值格式 0. 5 3. 4 3. 73 自由出流 SIMPLEC 算法 标准 离散格式 收敛标准 离散相模型 阻力特征 喷射源类型 材质 二阶迎风 10 － 3 打开 球形颗粒 面喷射 铁矿石 密度/( kg·m － 3 ) 粒径分布 分布指数 质量流率/( g·s － 1 ) 湍流扩散模型 绝对坐标系跟踪 5 000 R--R 分布 1. 26 0. 000 3 随机轨道模型 打开 相对速度/( m·s － 1 ) 离散相边界 剪切边界 !2( 巷道壁) ; 0( 皮带) 捕获 无滑移 ·978·