综掘面粉尘介观运动特性及磁化螺旋气动雾幕控尘机理研究

At present, the traditional spray can not effectively control dust removal in the fully mechanized heading face, and dust mechanism of droplets is not clear in the complex air flow conditions. To address above two issues, the project studies the following three parts combining of theoretical analysis, experimental research and numerical simulation. Firstly, LBM-LES united mathematical model is constructed based on CFD theory and then simulation platform of the fully mechanized heading face and PIV are used to show the characteristics of dust pollution from micro to macro in fully mechanized heading face. Second the method of magnetization spiral pneumatic mist curtain is presented based on dust characteristics. And then Palabos software is used to numerical simulation on droplets movement and dust-droplet coupling process under the condition of spiral flow. Furthermore the collision, homogeneous agglomeration, heterogeneous agglomeration and surface tension are investigated between dust-droplet coupling process under this condition. Finally, we will set up magnetization spiral pneumatic mist curtain platform, fitting quantitative relations of the magnetization intensityand the gas-solid-liquid coupling field parameters will be clarified with dust fall rate during the dust removal process in the fully mechanized heading face. The project shows the movement characteristics of dust and mechanism of magnetization spiral pneumatic mist curtain in fully mechanized heading face. It also provides the theoretical foundation for governing dust particles in fully mechanized heading face.

目前传统喷雾方法无法有效控制综掘面的粉尘逸散，而且复杂气流条件下尘雾耦合机理尚不清晰。为了解决以上问题，项目采用理论分析、实验研究、数值模拟相结合的方法重点研究以下三部分内容。首先，基于CFD理论，构建LBM-LES联合数学模型，利用综掘面仿真实验平台及粒子图像测速系统揭示综掘面粉尘污染从微观到宏观的演变特性。其次，根据综掘面产尘特点，提出磁化螺旋气动雾幕控尘方法，利用LBM-LES联合数学模型，通过Palabos软件实现螺旋气流条件下尘雾运动及耦合过程的数值仿真，研究雾滴及粉尘在螺旋气流条件下的碰撞、同质团聚、异质凝并等耦合特性，以及磁化雾滴降低表面张力后的捕尘效能。最后，自制磁化螺旋气动雾幕实验平台，确定其在综掘面降尘过程中磁化强度及气-固-液耦合场参数与降尘率之间的量化关系。项目揭示综掘面的介观尺度下粉尘运动特性及磁化螺旋气动雾幕控尘机理，为综掘面的粉尘控制提供理论依据。

综掘面粉尘危害是我国煤矿井下最严重的地点之一，本项目是针对综掘面粉尘防治的重大需求，研究了掘进工作面粉尘运移规律，提出了涡旋气动雾幕控尘等相关技术，并研究了其在掘进工作面的降尘机理及技术参数。在此期间，发表学术论文21篇，其中，SCI/EI检索8篇，申请专利20项，其中授权发明专利8项，培养博士毕业1人，硕士毕业6人。主要创新成果如下：.研究了采掘巷道产尘区域粉尘污染特性，构建了采掘系统的地下巷道颗粒运移模型，研究得到了采掘工作面工作产尘环节的粉尘运移与逸散规律。运用三维solidworks软件建立三维流场模型，采用comsol建立了作业空间流场中粉尘颗粒的运移数学模型，考虑了粉尘颗粒和壁面的碰撞作用，分别对不同时刻、不同断面的压风气流场及颗粒场的运移进行模拟分析，获得了压风流场对粉尘颗粒分布的影响规律。设计了气动涡旋雾幕控尘系统与局部通风除尘装置相结合的联合控尘系统，根据掘进断面积实际情况选取了最佳的雾化参数，通过数值模拟及相似实验平台进行新系统的抗风流干扰研究分析。.设计了超音速雾化喷嘴，通过超音速喷嘴实验研究及气-雾-尘耦合碰撞数值模拟研究分析了喷管结构、工况参数对可压缩气体管内跨音速流动影响，对可压缩气流跨音速流动中液滴破碎雾化过程进行了具体研究，并对高速气-雾-尘耦合碰撞进行了数值模拟。所设计了以拉瓦尔喷管与汲水探针为核心的喷雾装置，达到了低至0.2MPa气动压力下的无液相来压注水并产生虹吸过程的高动力、微米级雾化。在压力为0.6MPa时，雾化粒径分布介于1~30µm，1~10µm雾滴粒径数量浓度占百微米下的90%以上。.研究了不同磁化强度活性水对煤尘润湿性的影响因素。采用座滴法测定磁化试剂的煤粉表面接触角，通过粉尘润湿机理进行分析，煤尘沉降Walker 实验进行佐证，得到抑尘剂种类、浓度与磁化强度对煤粉的润湿性规律。结果表明，磁化强度为500mT 的磁化溶液对煤尘润湿能力达到最佳效果。