高压雾化尘雾场双流体耦合的除尘机理与应用基础研究

本项目是针对目前矿山高压喷雾降尘中雾滴如何高效捕集尘粒以提高降尘率而提出的。首先对矿山粉尘的微观学特性进行实验研究，并通过对高压射流二次雾化、液滴对尘粒主动碰撞理论的分析，以完善和改进现有的高压射流雾化及喷雾降尘的基本理论。基于欧拉－欧拉法模型与欧拉－拉格朗日法模型，建立适合于综采工作面高压雾化降尘过程粉尘－雾滴双流体耦合的流体力学数学模型，并进行数值模拟，进而从理论上掌握综采工作面生产现场粉尘与高压雾化雾滴的相对运移规律及雾滴捕集粉尘的机理。采用自行设计与制造的高压喷雾降尘实验台，利用喷雾激光粒度分析仪、显微颗粒图像分析仪等仪器对不同类型喷嘴所成雾场与粉尘场的耦合关系进行喷雾降尘实验，以获取雾滴与其捕获尘粒之间变化规律的定量数学关系式。通过理论和实验研究，提出高压喷雾高效捕集粉尘的除尘机理，给出雾化雾滴捕集尘粒的最佳对应关系，为完善综采工作面防尘系统和全面提高降尘效率提供理论基础。

喷雾降尘是我国煤矿采取的主要防尘措施，由于对雾滴尘粒之间的耦合作用机理尚不明确，使得喷雾后虽可达到一定的降尘效果，但生产现场粉尘浓度仍较高，煤矿综掘和综采（放）工作面的全尘浓度最高分别可达1200mg/m3、3000mg/m3，呼尘则分别高达500 mg/m3、1300 mg/m3，远超出国家相关安全规程和标准。该课题针对煤矿高压雾化雾滴尘粒耦合作用机理进行了较为全面和系统的研究，采用DSA100型动态接触角测量仪、Winner99型显微颗粒图像分析仪等仪器对煤矿典型综放工作面各生产工序产尘尘样的浓度、分散度等理化性质进行了实验分析，确定了煤矿采掘面粉尘尘粒理化性质，得到综放面测尘点粉尘的粒径范围为1.0-38.2µm，D50的粒径范围在5.9-12µm，主要为呼吸性粉尘；通过对射流扰动控制方程及其解的分析，结合两相流的喷雾概念模型，对典型水雾捕尘理论进行了改进；分析了喷入气流中的液滴的运动状态，并基于液滴对尘粒的主动碰撞理论，完善了典型水雾捕尘机理，建立了适合于煤矿综放工作面喷雾降尘过程气体－颗粒两相流动的流体力学数学模型，采用FLUENT软件并对风流－粉尘－雾滴的流场进行了数值模拟；以自行设计与制造的喷雾降尘实验模型为平台进行了不同类型喷嘴所成雾场与粉尘场的耦合关系实验，得到雾滴与其捕获尘粒之间变化规律的定量数学关系式，确定了雾化雾滴捕集尘粒的最佳对应关系，并结合数值模拟结果，最终确定了煤矿综放工作面高压雾化雾滴尘粒耦合作用机理，并进行了工程应用。