D0I:10.13374/i.issnl(00I03.2007.04.001 第29卷第4期 北京科技大学学报 Vol.29 No.4 2007年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2007 综采工作面粉尘运动规律的数值模拟 刘毅)蒋仲安)蔡卫)周凤增郭达) 刘宝东3) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)国家安全生产监督管理总局信息研究院，北京100029 3)开滦（集团）有限责任公司，唐山063018 摘要运用气固两相流动理论，建立粉尘运动的数学模型。根据综采工作面的具体特点和实测数据，采用计算流体力学的 FLUENT软件，对工作面的粉尘运动规律进行数值模拟·模拟结果显示，粉尘产生后多数随风流在煤壁一侧运动，少数粉尘 随机扩散，综采工作面的除尘重点应该放在采煤机下风向10m以内的煤壁一侧：预湿煤壁对降低工作面粉尘浓度也有很大 作用。 关键词综采工作面：粉尘：运动规律：气固两相流；数值模拟 分类号TD714.2 随着采煤机械化水平的提高，井下工作面的粉 散等物理过程后，最终可以得到单个颗粒的轨迹， 尘产量也越来越大，采煤工作面、掘进工作面、锚喷 计算大量的颗粒轨迹就可以获得颗粒运动的统计规 支护以及转载运煤是煤矿生产中主要的产尘场所， 律，从而得出离散相的浓度分布] 其中60%的粉尘来自采煤工作面，在无防尘措施的 1.1气体流动的数学模型 条件下，综采工作面的粉尘浓度可以达到2500~ 通过一定的假设，将工作面的气相流动简化为 3000mgm-3,即使采取除尘措施，一些工作面的工 定常不可压的绝热流动，则气相流动控制方程组采 作条件粉尘浓度也可达到1000mgm3以上，大大 用三维稳态不可压Navier-Stokes方程，湍流流动采 超过国家有关卫生标准，不仅严重的威胁着煤矿工 用工程上应用最广的标准k一飞双方程模型，方程组 人的安全和健康，还有煤尘爆炸的危险山，采取有 的具体形式如下. 效措施，降低综采工作面粉尘浓度对于煤矿来说已 连续方程： 是迫在眉睫的问题，要取得较好的防尘效果，首先 要对粉尘的运动规律有所了解.本文提出粉尘运动 司，()=0 (1) 的数学模型，对工作面浓度分布进行了数值模拟，其 运动方程： 结果对现场的防尘工作有着理论上的指导意义· 1粉尘运动的数学模型 (2) 离散相模型(discrete phase models)属于欧拉一 k方程： 拉格朗日型模型，即用欧拉观点描述气相流场，而用 十G-e(3) 拉格朗日观点描述颗粒的运动，在本文计算中，连 续相流场采用Navier-Stokes方程进行计算，颗粒的 e方程： 轨迹跟踪则由离散相模型完成。计算两相流时，定 ak ax kG&-Ce2p 义气体是连续相，颗粒是离散相. 首先通过连续相计算获得流场的速度、湍流动 (4) 能等信息，然后再在拉格朗日坐标下对单个颗粒的 其中， 轨迹积分，考虑颗粒在连续相流场中受力和湍流扩 片=CpE足 (5) 收稿日期：2006-01-04修回日期：2006-06-26 基金项目：北京市教育委员会共建项目建设计划(N (6) XK100080432):国家自然科学基金资助项目(N。-50174004) 作者简介：刘毅(1980一)，男，硕士研究生：蒋仲安(1963一)男， 式中，x、为x、y、z方向上坐标(i≠j),m;、西 教授，博士生导师 为xy、:方向上速度(i≠j),ms1:p为气体密综采工作面粉尘运动规律的数值模拟 刘 毅1‚2） 蒋仲安1） 蔡 卫1） 周凤增3） 郭 达3） 刘宝东3） 1） 北京科技大学土木与环境工程学院‚北京100083 2） 国家安全生产监督管理总局信息研究院‚北京100029 3） 开滦（集团）有限责任公司‚唐山063018 摘 要 运用气固两相流动理论‚建立粉尘运动的数学模型．根据综采工作面的具体特点和实测数据‚采用计算流体力学的 FLUENT 软件‚对工作面的粉尘运动规律进行数值模拟．模拟结果显示‚粉尘产生后多数随风流在煤壁一侧运动‚少数粉尘 随机扩散．综采工作面的除尘重点应该放在采煤机下风向10m 以内的煤壁一侧；预湿煤壁对降低工作面粉尘浓度也有很大 作用． 关键词 综采工作面；粉尘；运动规律；气固两相流；数值模拟 分类号 TD714∙2 收稿日期：20060104 修回日期：20060626 基金 项 目： 北 京 市 教 育 委 员 会 共 建 项 目 建 设 计 划 （ No． XK100080432）；国家自然科学基金资助项目（No．50174004） 作者简介：刘 毅（1980—）‚男‚硕士研究生；蒋仲安（1963—）‚男‚ 教授‚博士生导师 随着采煤机械化水平的提高‚井下工作面的粉 尘产量也越来越大．采煤工作面、掘进工作面、锚喷 支护以及转载运煤是煤矿生产中主要的产尘场所‚ 其中60％的粉尘来自采煤工作面．在无防尘措施的 条件下‚综采工作面的粉尘浓度可以达到2500～ 3000mg·m —3‚即使采取除尘措施‚一些工作面的工 作条件粉尘浓度也可达到1000mg·m —3以上‚大大 超过国家有关卫生标准‚不仅严重的威胁着煤矿工 人的安全和健康‚还有煤尘爆炸的危险［1］．采取有 效措施‚降低综采工作面粉尘浓度对于煤矿来说已 是迫在眉睫的问题．要取得较好的防尘效果‚首先 要对粉尘的运动规律有所了解．本文提出粉尘运动 的数学模型‚对工作面浓度分布进行了数值模拟‚其 结果对现场的防尘工作有着理论上的指导意义． 1 粉尘运动的数学模型 离散相模型（discrete phase models）属于欧拉— 拉格朗日型模型‚即用欧拉观点描述气相流场‚而用 拉格朗日观点描述颗粒的运动．在本文计算中‚连 续相流场采用 Navier—Stokes 方程进行计算‚颗粒的 轨迹跟踪则由离散相模型完成．计算两相流时‚定 义气体是连续相‚颗粒是离散相． 首先通过连续相计算获得流场的速度、湍流动 能等信息‚然后再在拉格朗日坐标下对单个颗粒的 轨迹积分‚考虑颗粒在连续相流场中受力和湍流扩 散等物理过程后‚最终可以得到单个颗粒的轨迹． 计算大量的颗粒轨迹就可以获得颗粒运动的统计规 律‚从而得出离散相的浓度分布［2—3］． 1∙1 气体流动的数学模型 通过一定的假设‚将工作面的气相流动简化为 定常不可压的绝热流动‚则气相流动控制方程组采 用三维稳态不可压 Navier—Stokes 方程‚湍流流动采 用工程上应用最广的标准 k—ε双方程模型‚方程组 的具体形式如下［4］． 连续方程： ∂ ∂xi （ρui）＝0 （1） 运动方程： ∂ ∂xi （ρuiuj）＝— ∂p ∂xi ＋ ∂ ∂xi （μ＋μt） ∂uj ∂xi ＋ ∂ui ∂xj （2） k 方程： ∂ ∂xi （ρuik）＝ ∂ ∂xi μ＋ μt σk ∂k ∂xi ＋ Gk—ρε （3） ε方程： ∂ ∂xi （ρuεi ）＝ ∂ ∂xi μ＋ μt σε ∂k ∂xi ＋ Cε1ε k Gk—Cε2ρ ε2 k （4） 其中‚ μt＝Cμρ k 2 ε （5） Gk＝μt ∂uj ∂xi ∂uj ∂xi ＋ ∂ui ∂xj （6） 式中‚xi、xj 为 x、y、z 方向上坐标（ i≠ j）‚m；ui、uj 为 x、y、z 方向上速度（ i≠ j）‚m·s —1 ；ρ为气体密 第29卷 第4期 2007年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．4 Apr．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．04．001