一种模拟采煤工作面喷雾降尘效果的数值方法与流程

本发明属于矿井降尘，涉及一种模拟采煤工作面喷雾降尘效果的数值方法。

背景技术：

1、为了治理井下煤尘，学者们开发了包括湿法喷雾、局部抽风、风幕隔离以及个体防护装备等多中煤尘防治技术。出于环保性和经济性的考虑，基于水介质的煤尘控制技术受到的关注度最高，如煤层注水技术，其成本低廉，但由于煤层渗透性较差，注水很难达到预期效果。而喷雾降尘技术引起经济性和环保性，并且已被验证对煤尘防治的有效性，而被大量应用，是目前应用最广泛的降尘技术。喷雾降尘技术主要有两种，一是内部喷雾，即在采煤机切割齿附近喷雾，在切割过程中润湿煤体，进而从粉尘的源头控制粉尘[13]。二是外部喷雾，即在采煤滚筒周围形成喷雾场，利用液滴捕获煤尘颗粒。

2、由于井下坏境复杂，地面的物理相似实验成本较高且开展困难。建立有效的数值计算模型，可为井下喷雾降尘系统设计提供理论指导。中国专利cn202211506013.7公开了一种基于cfd理论的喷雾模拟方法，该方法主要应用于农业精准施药技术领域，考虑了气流于障碍物之间的交互作用，可以反应雾滴在作物间的输送过程，可对雾滴沉积效果做出预测。中国专利cn202210774174.8公开了一种模拟综掘面呼吸尘运动特征的方法，在分析颗粒手里情况的基础上，建立颗粒的运动方程，根据运动方程计算颗粒的运动速度和运动距离。但上述方法仅能单一计算喷雾输送过程或粉尘的运动特征，而无法模拟雾滴的破裂及雾滴间的碰撞、聚并效应，也无法模拟粉尘的破裂及粉尘间的碰撞效应。更为重要的是，上述两项发明均无法实现雾滴凝并粉尘沉降的模拟计算，而无法满足煤矿行业采煤工作面喷雾降尘效果数值模拟的需求。总的来说，现有数值计算模型普遍针对风流-雾滴场或风流-粉尘场，而缺乏对雾滴-粉尘凝并沉降过程的模拟。相关研究仅能分别模拟单一的雾滴场和粉尘场，而无法直观的得到不同工况下喷雾降尘系统的降尘效果。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种模拟采煤工作面喷雾降尘效果的数值方法。该数值方法利用混合物模型描述气流和粉尘的运移，其中气流为主相，粉尘为次相；利用离散相模型描述雾滴的运移，结合粒子碰撞模型、破碎模型、聚并模型，同时考虑连续相与离散相间的耦合作用，进而实现气流-雾滴-粉尘的三场耦合效应以及雾滴凝并粉尘沉降的数值模拟。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种模拟采煤工作面喷雾降尘效果的数值方法，该方法为：

4、采用混合物模型描述风流与粉尘的扩散运移过程，其中风流为主相，粉尘为次相；

5、利用离散相模型描述雾滴的运移，结合粒子碰撞模型、破碎模型和聚并模型，考虑连续相与离散相间的耦合作用，实现气流-雾滴-粉尘的三场耦合效应以及雾滴凝并粉尘沉降的数值模拟。

6、可选的，所述s1具体为：

7、建立连续方程、动量方程和能量方程分别为：

8、

9、

10、

11、ρm为混合物密度,为质均速度，n相数,体积力,μm混合物粘度，次相漂移速度，hj,k相中物种的焓,相中物种的扩散通量,keff有效导电率；

12、预测离散相运动规律：

13、通过计算的流场中跟踪粒子在拉格朗日坐标系下的受力平衡，以预测粒子的运动规律，其受力平衡表示为：

14、

15、式中：mp是粒子质量，u是流体相速度，up是粒子速度，ρ是流体密度，ρp是粒子密度，是附加力，是阻力，τ是液滴的松弛时间；

16、建立碰撞模型：

17、根据o’rourke算法，对于两个液滴，从较大液滴的角度，计算两个液滴的碰撞概率；较大液滴速度为零，其碰撞概率依赖于较大液滴与较小液滴间的相对距离及小液滴的运动轨迹；碰撞概率描述为：

18、

19、式中：p1是大液滴与小液滴的碰撞概率，v是小液滴所在连续相中单元格体积，r1是大液滴半径，r2是小液滴半径，vrel是小液滴运动速度，δt是时间步长；

20、大液滴平均碰撞次数表示为：

21、

22、式中：n2是小液滴个数；

23、实际上，大液滴经历的实际碰撞次数通常不是上述预测值，实际碰撞概率分布遵循泊松分布，表示为：

24、

25、式中：n为碰撞次数；

26、发生碰撞后新的液滴速度是基于动量和动能守恒计算的，假设液滴的一部分动能因粘性耗散和角动量而损失，新的液滴速度表示为：

27、

28、式中：m1、m2分别是大液滴和小液滴的质量，v1、v2分别是大液滴和小液滴的速度，bcrit是临界偏移量，y是0-1之间的随机数；

29、建立破碎模型：

30、首先确定每一个液滴的无阻尼振荡的振幅，表示为：

31、

32、

33、y＝x/(cbr) (11)

34、式中：x是位移量，ω是液滴震荡频率，cf、ck、cb是三个无量纲数，分别为8、5和1/3；

35、当wec+a＞1时液滴发生破裂；

36、耦合离散相与连续相：

37、通过检查粒子通过每个控制体积时的动量变化，计算从连续相到离散相的动量传递；该动量变化的计算公式为：

38、

39、u流体粘度,ρp粒子密度,dp颗粒直径,cd阻力系数,re相对雷诺数,up粒子速度,质量流量；

40、通过检查粒子通过每个控制体积时的动量变化，计算从连续相到离散相的动量传递；该动量变化的计算公式为：

41、

42、is粒子注入的初始质量流量,mp,0粒子的初始质量。

43、本发明的有益效果在于：

44、(1)本发明采用离散相模型描述液滴运移，采用混合物模型描述空气裹挟粉尘运移过程，同时引入连续相与离散相的耦合效应，实现了雾滴、粉尘、气流的三相耦合计算。

45、(2)本发明引入了破裂模型、碰撞模型、聚并模型，实现了雾滴及粉尘间的破裂、碰撞及聚并过程的数值模拟，可有效地计算不同工况下雾滴及粉尘的粒径分布、质量分布等一系列特征参数。

46、(3)现有的相关计算模型仅能计算气流-雾滴场，或气流-粉尘场，无法计算雾滴凝并粉尘沉降过程。本发明在计算雾滴、粉尘、气流三相物质运移的同时，引入破碎模型、碰撞模型、聚并模型，实现了雾滴凝并粉尘沉降过程的计算，解决了矿井喷雾降尘效果只能开展实验而无法通过数值计算预测各工况降尘效果的痛点，大大降低了开展相关实验成本。

47、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种模拟采煤工作面喷雾降尘效果的数值方法，其特征在于：该方法为：

2.根据权利要求1所述的一种模拟采煤工作面喷雾降尘效果的数值方法，其特征在于：所述s1具体为：

技术总结
本发明涉及一种模拟采煤工作面喷雾降尘效果的数值方法，属于矿井降尘技术领域。该方法为：采用混合物模型描述风流与粉尘的扩散运移过程，其中风流为主相，粉尘为次相；利用离散相模型描述雾滴的运移，结合粒子碰撞模型、破碎模型和聚并模型，考虑连续相与离散相间的耦合作用，实现气流‑雾滴‑粉尘的三场耦合效应以及雾滴凝并粉尘沉降的数值模拟。现有的相关计算模型仅能计算气流‑雾滴场，或气流‑粉尘场，无法计算雾滴凝并粉尘沉降过程。本发明实现了雾滴凝并粉尘沉降过程的计算，解决了矿井喷雾降尘效果只能开展实验而无法通过数值计算预测各工况降尘效果的痛点，大大降低了开展相关实验成本。

技术研发人员：莫金明,马威,郭胜均,刘国庆,庄学安,黎志,杨俊磊,陈芳,袁地镜,冉川,杨桐,李腾龙,李高高,宋添能
受保护的技术使用者：中煤科工集团重庆研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17