（安全技术及工程专业论文）综掘面水气旋转转射流降尘技术研究.pdf

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a i rr o t a t i n gj e tf l o w d u s t c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yo nt h ec o m p r e h e n s i v em e c h a n i z e dm i n i n gf a c e s ( w r j f d t c m m f ) w i t hh i g he f f i c i e n c y , a n dm a n u f a c t u r eo ft h ee q u i p m e n t t h e w r j f d t c m m fh a s s i m p l es t r u c t u r e ，g o o ds a f e t yp e r f o r m a n c ea n dw i d e a p p l i c a b i l i t y t h et h e s i sh a ss e v e r a lm a i n c o n t e n t s ：s t u d yo nd e d u s t i n gm e c h a n i s mo f w r j f d t c m m f ；t a k ea d v a n t a g eo ft h et h e o r yi nf i n i t es p a c eje t ，a d v a n c e df l u i d m e c h a n i c s ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) ，v e n t i l a t i o na n dd u s tr e m o v a l ， m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s ，s t u d yt h eb a s i cp r i n c i p l e so fw r j f d t c m m f , t od e t e r m i n e t h ep a r a m e t e r sa n di t ss c o p eo ft h ee x p e r i m e n t a ls t u d y ；a n a l y z ea n ds u m m a r i z et h e r e s u l t so fe x p e r i m e n t a ls t u d ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ee x p e r i m e n ts t u d y i n c l u d e s c u r v e f i t t i n g e x p e r i m e n t a n d p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n e x p e r i m e n t c u r v e - f i t t i n ge x p e r i m e n ta n a l y z et h ei n f l u e n c eo fr e l e v a n tf a c t o rs u c h a sd i f f e r e n ts t r u c t u r et y p eo fs p r a y e ru n i ta n dd u s t c a t c he f f i c i e n c y p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o ne x p e r i m e n t t a k e a d v a n t a g e o fm u l t i - - o b j e c t i v e d e c i s i o n - m a k i n g i i i 江苏大学硕士学位论文 m e t h o dt or e a c ho p t i m a lp a r a m e t e r t h em e t h o d su s e di nt h i st h e s i si n c l u d el a be x p e r i m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n ta n di n d u s t r i a le x p e r i m e n t i n p r a c t i c e e x p e r i m e n t o nm a k i n go f d i f f e r e n tm o d e lo fs p r a y e ru n i t ，f o u n d a t i o no fe x p e r i m e n t a la n dt e s t i n gs y s t e m ， m e a s u r a t i o na n da n a l y s i so fe x p e r i m e n td a t aa n ds oo n s e l e c tt h eb e s te x p e r i m e n t s c h e m ea n da s c e r t a i nt h eo p t i m u ms t r u c t u r a lc o n f i g u r a t i o no fw r j f d t c m m e u s ec u r v ef i t t i n gm e t h o dt od e t e r m i n et h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n ts p r a y e ru n i tt ot h e d u s t c a t c he f f i c i e n c ya n df i n do u tt h eb e s tm e t h o do fc o n t r o la n dm a n a g e m e n to f c o m p l e xd r i v i n gd u s t n u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t i s m a i n l ya b o u tt h e m o v e m e n to fw a t e r - a i rt w o p h a s ef l o wo nt h em i n i n gf a c e s ，t h er e s u l to fn u m e r i c a l s i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tw r j f d t c m m fh a sag o o dp e r f o r m a n c eo nc o a ld u s t c o n t r o la n dh i g he f f i c i e n c yi nd e d u s t i n g ，i m p r o v e st h es a f e t yr a t i oi nm i n ei n d u s t r y t h ep r o b l e mo fc o a ld u s ti ss o l v e de f f e c t i v e l yb yi n s t a l l i n gw r j f d t c m m fw i t h t h e c o m p l e xd r i v i n gm a c h i n e ，t h e r e s u l to fi n d u s t r i a l e x p e r i m e n tp r o v e s w r j f d t c m m ft ob ew o r t h yo fe c o n o m ya n ds o c i e t y t h er e s u l t st h a tc o m ef r o mn u m e r i c a le x p e r i m e n t ，l a be x p e r i m e n ta n d i n d u s t r i a le x p e r i m e n ti n d i c a t et h a ti ti ss a f ea n de f f i c i e n tt oc o n t r o lc o a ld u s to nt h e c o m p r e h e n s i v em e c h a n i z e dm i n i n gf a c e sw h e nc o m p l e xd r i v i n g k e yw o r d s ：t h ec o m p r e h e n s i v em e c h a n i z e dm i n i n gf a c e s ；t h ew a t e r - a i r r o t a t i n gj e tf l o w ；d u s t c o n t r o l l i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e x p e r i m e n t i v 。 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2 国内外的研究现状1 1 2 1 综掘作业产生粉尘的治理现状1 1 2 2 水射流研究现状4 1 2 3 多相流体力学研究方法现状一6 1 3 论文研究的目的和意义7 1 4 论文研究内容和技术路线7 1 4 1 论文研究内容7 1 4 2 技术路线8 第二章综掘面水气旋转射流降尘技术基本理论及分析9 2 1 旋流送风控尘机理9 2 1 1 旋流9 2 1 2 旋流基本方程1o 2 1 3 旋流控尘一12 2 2 二次旋转高压水射流吸尘除尘装置的吸尘除尘机理1 4 2 2 1 射流14 2 2 2 吸尘机理l6 2 2 3 多相流17 2 2 4 二次旋转高压水射流吸尘除尘装置除尘机理1 9 2 3 旋转射流吸风式喷雾装置的雾化及捕尘机理2 0 2 3 1 雾化机理2 1 2 3 2 捕尘机理2 2 2 3 1 3 降尘机理2 4 第三章旋转射流吸风式喷雾装置降尘实验研究2 5 3 1 试验装置及系统2 5 3 2 实验方案3 0 v 江苏大学硕士学位论文 3 3 实验参数及测定方法3 0 3 3 1 供水参数的测定3 0 3 3 2 除尘效率的测定3 0 3 3 3 粉尘粒径分布的测定3 2 3 4 曲线拟合实验结果及分析3 2 3 4 1 实验环境3 2 3 4 2 水压和耗水量关系实验结果及分析3 2 3 4 3 实验原始数据记录3 3 3 4 4 实验数据分析3 4 3 5 多目标决策法优化3 8 3 5 1 多目标决策法3 8 3 5 2 实验数据优化4 0 第四章综掘面水气旋转射流降尘技术的数值模拟初步4 3 4 1f l u e n t 软件简介4 3 4 1 1f l u e n t 软件的组成4 3 4 1 2 各软件之间的协同关系4 4 4 2 流体力学基本方程和控制方程4 5 4 2 1 质量守恒方程4 5 4 2 2 动量守恒方程4 5 4 2 3 能量守恒方程4 6 4 2 4k 一占方程4 7 4 3 实验方案。4 8 4 4 问题描述4 8 4 5 网格划分和参数设置4 9 4 6 数值模拟分析5 2 4 6 1 无降尘系统作用时的数值模拟。5 2 4 6 2 有降尘系统作用时的数值模拟5 8 4 7 本章小结6 7 v i 江苏大学硕士学位论文 第五章装置关键参数确定与工业性试验研究6 8 5 1 综掘面水气旋转射流降尘装置关键参数确定6 8 5 1 1 二次旋转高压水射流吸尘除尘装置关键参数确定6 8 5 1 2 旋转射流吸风式喷雾装置与旋流送风控尘装置关键参数确定。7 3 5 2 试验地点概况7 4 5 3 试验系统7 4 5 4 试验步骤7 7 5 5 试验结果及分析7 7 第六章结论与展望。7 9 6 1 结 念7 9 6 2 展望8 0 参考文献。8 1 致谢8 6 攻读硕士期间已发表论文8 7 v l i 江苏大学硕士学位论文 v 1 1 1 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 粉尘具有尘肺病和粉尘爆炸两大危害，且影响作业人员数量较大。据不完全统计，全 国煤矿尘肺病患者达3 0 万人，占全国尘肺病患者5 0 左右，仅国有重点煤矿每年新增尘 肺病患者近5 0 0 0 例，平均每年死亡2 5 0 0 人以上，煤矿尘肺病每年造成直接经济损失数十 亿元；煤尘爆炸事故也常有发生，大量人员死亡，损失惨重，如2 0 0 5 年1 1 月2 7 日，黑龙 江龙煤矿业集团有限责任公司七台河分公司东风煤矿发生的特别重大煤尘爆炸事故，造成 1 7 1 人死亡，4 8 人受伤，直接经济损失4 2 9 3 万元【l 】。2 0 0 7 年4 月1 6 日，河南平顶山市宝 丰县王庄煤矿井下发生煤尘爆炸事故，井下被困人数3 1 人。目前我国煤矿具有煤尘爆炸 危险的矿井普遍存在，全国煤矿中具有煤尘爆炸危险的矿井占煤矿总数的6 0 以上，国 有重点煤矿中具有煤尘爆炸危险性的煤矿占8 7 4 ，其中具有强爆炸性的占6 0 以上【2 】， 因此，粉尘治理非常重要。而综掘面掘进机割岩( 煤) 是井工开采最为基本的生产作业工 序之一，也是主要产尘尘源之一，据测定，无防尘措施时司机处的粉尘可高达6 0 0 0 m g m 3 。 所以，治理掘进机割岩( 煤) 产生的粉尘是保护作业人员健康与安全的主要措施之一。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 综掘作业产生粉尘的治理现状 通常采用的降尘方式可归纳为两大类：干法降尘与湿法降尘。干法降尘是采用集尘器 收集粉尘，对于收集到的含尘气流采用如重力沉降、静电吸附、活性碳吸附等的处理方式， 降尘效率很高。但正因为干式降尘大多采用集尘方式工作，且只能应用于特定环境中，其 应用受到很大的限制。湿式降尘的工作介质大多采用水雾。喷雾降尘【3 】是工作面最传统的 降尘设施，其优点是便于实施应用。喷雾降尘是向浮游于空气中的粉尘喷射水雾，通过增 加粉尘的重量达到降尘的目的。这技术的关键是喷嘴要形成具有良好效果的雾流。目前 国外已经研制出系列喷嘴，美国还在确定雾流参数等方面进行了大量研究，并建立了喷嘴 检验中心，保证喷嘴的生产质量和使用效果。喷雾除尘在国内外都已经有了较长时间的研 江苏大学硕士学位论文 究，也取得了一些不错的成绩，将电、磁、声等领域的新技术以及化学方法引入喷雾降尘 的研究，出现了许多高效、先进的喷雾降尘技术，如荷电喷雾降尘技术、磁化水降尘技术、 声波雾化降尘技术和超声雾化以及泡沫降尘技术。 以电介喷嘴为主要元件的荷电喷雾降尘技术是一门正在兴起的具有较大应用前途的 降尘技术【4 】。该技术在国外已应用于现场，并取得了较好的效果。前苏联用该技术使降尘 效率比普通喷雾提高l 3 1 2 5 】；美国用外加电源对水雾荷电，在非瓦斯矿井使用时，降尘 效率提高l o 倍以上。 磁化水降尘技术是改善的喷雾降尘法，用物理的方法改变水的性质，使水的雾化能力 增大，从而提高捕尘能力。目前该技术已在河北邢台矿业集团得到使用，所采用的r m t 共 振型磁场降尘装置是由一种y 3 0 锶铁氧体环型磁体经过特定的排列组合制成的【6 1 。从实际 降尘效果来看对总粉尘的降尘效率比清水提高1 4 7 ，对呼吸性粉尘降尘率比清水提高 1 4 。 声波雾化降尘技术【_ 7 】是利用声波凝聚、空气雾化的原理，从提高尘粒与尘粒、雾粒与 尘粒的凝聚效率以及雾化程度来提高降尘效率。产生声能的声波发生器是该项技术的关 键。该项技术所研制的声波雾化喷嘴具有雾化效果好，耗水量低，雾粒密度大的特点。同 时，产生的高频高能声波可以使已经雾化的雾粒二次雾化、减小雾粒直径，提高雾粒与尘 粒的凝并效果。声波雾化降尘对总粉尘的降尘率可达9 0 以上，呼吸性粉尘降尘率达8 0 以上。其缺点是声波雾化喷嘴产生的声波频率在可听范围内，声压级高，噪音较大；此外， 雾粒变小易受环境风流影响，寿命也短。 超声雾化降尘技术是国际上八十年代发展起来的新型降尘技术【8 】。这种方法不用把含 尘气流抽出后再加以处理，雾滴在局部密闭的产尘点内捕获、凝聚微细粉尘，使粉尘迅速 沉降下来实现就地降尘，避免了使用干式除尘器带来的问题以及清灰工作带来的二次污 染。同时，由于雾滴微细，耗水量很少，被称为超声干雾捕尘，避免了喷雾水量过大的弊 病。 泡沫降尘是一种新型的降尘技术，如美国、前苏联、西德及东欧等国家为提高呼吸性 粉尘的降尘效率，从7 0 年代起开始集中研究泡沫降尘剂。其降尘效率一般可高达9 0 以上， 对呼吸性粉尘也可达到8 5 以上【9 1 。该技术从2 0 世纪5 0 年代问世以来，英国最先开展了这 方面的研究，继后在美、前苏联、原西德、日本、波兰等国生产中得到了广泛应用。如前 苏联研制的j i o 1 、j i c p a c 型泡沫剂，降尘效率达至r j 9 5 9 9 ：美国矿业局研制出压气 泡沫除尘系统，在煤矿长壁工作面进行试验，除尘效率达到9 0 9 9 ，耗水量却只有喷 2 江苏大学硕士学位论文 雾降尘的1 5 1 1 0 。根据不同的尘源要求，各国还研究出不同型号的泡沫除尘配套系列设 备【1 0 】。 国外一些主要产煤国家都在煤矿井下广泛采用除尘器除尘【1 1 1 。美国使用了除尘风机、 湿式纤维除尘器、小旋风除尘器设备等。英国在掘进巷道及掘进机上使用了湿式洗涤除尘 器和湿式过滤除尘器。德国在破摔机处、转载点、掘进机上使用了干式布袋除尘器。国外 的除尘设备一般体积大、较笨重、但除尘效率高、消音效果好、处理污染风量大。 悬臂式掘进机在巷道作业时，一般采用开放式除尘系统，主要的防尘措施有：喷雾洒 水、水空气喷射器除尘。国外很多国家【1 2 1 是将除尘器安装在掘进机上进行除尘，也有国家 如德国、奥地利是将除尘器安装在掘进机后面2 0 - - - 3 0 m 处。一般来说，在大断面巷道掘进 时，采用除尘器滞后移动的方式：当工作面需要处理污染风量较小时，将除尘器安置在掘 进机上的方式较多。 国内相关单位试验了高压喷雾、喷嘴旋转的喷雾系统、化学降尘剂降尘技术等。北京 科技大学等研制了自激式卧式水浴除尘器及泡沫掘进机转载点试验了泡沫除尘；江苏大屯 煤电公司和泰兴某厂研制并使用了振弦式除尘器，该除尘器主要由过滤网、填料及喷雾器 组成，它也通过机械式局部通风机将粉尘抽入除尘器除尘；河南理工大学和兖州煤业集团 研制了喷嘴旋转的喷雾系统；重庆煤科分院等单位试验了高压喷雾降尘技术；重庆煤科分 院、兖州矿业( 集团) 公司研究了掘进机液压除尘风机二次负压降尘技术，该技术利用掘进 机的乳化液泵作为动力研制了叶轮式液压除尘风机，风机中安设喷雾装置降尘；湖南科技 大学对压入式机械局部通风系统中的旋转射流通风理论进行了探讨；重庆煤科分院、镇江 煤矿机械厂研制了湿式除尘风机；辽宁工程技术大学和辽宁省煤矿安全工程重点实验室研 制了综掘面风幕集尘系统【l3 】；煤炭科学研究总院重庆分院提出了涡流控尘的机理，并研制 了液动湿式除尘器；山东科技大学和兖州煤业股份有限公司合作研制了综掘面空气幕封闭 式除尘系统【1 4 】；淮北矿业集团公司的蔡农研究了风水雾化的相关理论【1 5 】；隋金君和胥奎对 湿式旋流除尘中呼吸性粉尘除尘效率与风速关系进行了探讨；冯琪提出了采用混合式通风 技术降低综掘工作面粉尘浓度的方法；张如月、余新明研制了新型高效金属纤维栅洗涤器 对掘进作业面进行就地净化循环通风；皖北煤电集团公司试验了动压注水防尘；北京科技 大学和邢台矿业集团东庞煤矿合作研制了自激式水浴水膜除尘器，对综掘面、转载点、巷 道周壁的粉尘治理起到了较好的效果；山东新方矿业集团有限公司试验了短壁注水防尘； 中国矿业大学和平顶山天安煤业股份有限公司一矿合作研制了泡沫除尘技术【l q ；中国矿业 大学和潞安矿业集团公司王庄煤矿合作进行了综掘巷道湿式除尘器配合附壁风筒除尘的 气 江苏大学硕士学位论文 实践1 7 ；淄博矿业集团许厂煤矿采取了综掘机外喷雾与巷道风流净化水幕联动自动喷雾降 尘技术和风水高压远程放炮自动喷雾技术相结合的综合防尘技术【1 8 】；新汶矿业集团孙村煤 矿、永城煤电集团公司、晋煤集团凤凰山煤矿等较多的煤矿都应用了包含上面多个防尘技 术的综合防尘技术；等。 1 2 2 水射流研究现状 水射流技术【1 9 】是近3 0 年来发展起来的- i 2 新技术，7 0 年代末期，水射流介质已由普 通的工业用水发展为磨粒和水两相介质、钻井液及减阻液等非牛顿液体，出现了高冲击射 流、共振射流和磨料射流。进入8 0 年代随着各国学者对各种射流理论及其应用技术的深 入研究【2 0 彩】，使脉冲射流、磨料射流、空化射流得到了进一步发展。水射流技术的应用也 由单纯的采矿工业扩大到冶金、石化、航空、建筑、国防、交通及医学等领域。 1 9 7 5 年，d s u m m e r s 提出了机械间断脉冲射流，脉冲射流与普通的连续射流相比， 脉冲射流在靶物表面产生的冲击力大大超过了一般连续射流的滞止压力，从而非常显著地 减小了切割比能。1 9 8 3 年m m u z u r k i e w i c z 提出用激光束将连续射流部分蒸发、汽化，形 成一段段水柱，从而将连续射流切断成脉冲射流。 7 0 年代初，r e k o h l 等人将空化作用引入到高压水射流技术领域，创造了新型空化。 射流；e j o h n s o n 等人采用中心体喷嘴或转叶型喷嘴做试验，对空化产生原因作了分析； f c o n n , u v e j o h n s o n 究了各种动力参数对淹没射流的影响；日木学者k a l s u g a ，y a n a c d e 报告了淹没条件下简单角形喷嘴的试验等，大大丰富了淹没条件下空化射流理论，但由于 淹没射流存在靶距范围小等缺陷，严重限制它的进一步应用。v i j a y 署n v i c k e r 等人创立了 人工淹没射流，他们利用同轴重叠喷嘴结构，使内喷嘴高压水与外喷嘴低压环形水束的界 面之间构成强烈剪切现象，来显示有效的冲蚀性能和靶距扩大范围。目前空化射流理论及 应用研究异常活跃，己发展到深水下淹没切割、清洗参数优化等，! t 1 y o s h i a k i ，y o a m a u c h i 等人关于淹没条件下空化切割和钻削的合适区域的研究。 r h h o l l i n g e r , n w d p e r r y 等人在1 9 8 9 年首次公开发表关于磨料浆体射流论文，以 后就有许多研究者从切割特性、流动特性等方面进行研究。 我国水射流技术的研究是上世纪7 0 年代开始的，进过3 0 多年的研究和实践，已经研 究出一些可喜的成果，以下主要介绍水射流技术在煤矿的降尘、除尘方面的研究现状。 8 0 年代刘华民、姚焕文研制成功了水射流除尘风机。它是靠水射流的引射装置喷出 4 江苏大学硕士学位论文 的高速运动的水雾来有效地捕捉粉尘，含尘雾滴经滤网后，粉尘便被分离出来，从而达到 净化空气的目的。 邵化振，张广掣2 5 】等人，针对我国综放工作面呼吸性粉尘浓度高且难于控制的实际情 况，根据水射流理论，提出了一种缩放喷管式高压喷雾引射降尘装置，并对其工作机理作 了深入分析。 喷雾降尘技术【2 6 】也是水射流研究应用方面的一个突破，9 0 年代，中国煤炭科学研究 总院重庆分院根据水射流理论，研制了适用于煤矿井下采煤机和炮掘工作面降尘的喷雾降 尘技术。 2 0 0 2 年，罗跃勇、周群刚等人，在前人研究的基础上，对雾化射流进行了研究。他 们根据水力降尘原理和旋转射流理论，深入分析了影响喷嘴降尘效果的各种因素，并对不 同结构喷嘴的喷雾效果进行了实验研究。研究表明高压射流雾化喷嘴在喷雾压力为1 0 m p a 时，具有要求的扩散角，合理的雾粒直径、足够的雾粒运动速度，完全满足煤矿井下控制 粉尘，呼吸性粉尘的需求。 近些年来，国外对旋转水气射流研究的成果主要集中在旋转射流的不稳定性、旋转射 流的动力学特性、旋转射流的旋涡衰退、旋转射流的流动模式以及旋转射流的结构等等； 国内的研究大多数都是围绕着旋转射流规律以及旋转射流的流动特性和对旋转射流强度 进行理论分析和计算、含悬浮颗粒旋转射流的场的稳定性、旋转射流初始阶段的理论模型 和运动的微分方程组、旋转射流分裂雾化机理、旋转射流驱散积聚瓦斯和除尘等方面进行。 旋转射流的运动规律实验研究得出的研究结论是：旋转射流在近喷嘴范围内，射流 轴心线上来流速度、压力、轴向速度和切向速度均出现低值，而最大值出现在离轴心线一 定半径范围内的环形区域上。 旋转液体射流雾化的理论与实验研究【2 9 1 介绍了旋转液体射流的雾化机理，并采用 n a v i e r s t o k e s 液体力学方程组建立喷嘴内部旋转流动和喷嘴外部旋转液体射流的计算公 式。 旋转喷嘴中空旋转射流近区域流动的研究【3 0 1 从理论上分析了旋转射流喷嘴喷出的中 空射流近区域的液膜的运动，在只考虑液膜表面张力的作用下，应用质量守恒和动量定理， 建立了描述液膜运动的非线性常微分方程组，该方程组可以用数值方法方便地求解。该研 究结果进一步地从理论上研究液膜破碎雾化过程的基础。 空心旋转液体射流初始阶段特性【3 1 - 3 2 1 应用质量守恒定律和动量守恒定律，建立了描述 空心旋转液体射流初始阶段运动的非线性常微分方程组，该方程组可以用数值方法方便的 5 。 江苏大学硕士学位论文 求解，且理论计算的结果与实验拍摄到的射流照片吻合很好。 锥形旋转水射流的实验研究设计出一种锥形射流喷嘴，对其结构特点及压力进行了 分布，从理论上和实验结果论述了影响射流扩散角的结构因素主要有叶轮叶片出口角、管 线压力等。 旋转射流驱散积聚瓦斯和除尘研列3 4 】是根据旋转射流的基本理论，结合机掘工作面的 特点，提出在机掘工作面应用旋转射流通风方法，利用旋转射流扩散角大的特点，使之在 掘进司机前方形成一空气幕，该空气幕封堵整个掘进巷道断面，从而阻止工作面粉尘向外 扩散。并且该研究通过对旋转射流结构以及旋转射流的流速和压力分布情况的分析，对旋 转射流通风对机掘工作面的粉尘的封堵以及旋转射流防止机掘工作面局部瓦斯积聚作用 机理的研究，为掘进工作面通风新方法、新技术的研究提供了新的理论和参考的依据。 1 2 3 多相流体力学研究方法现状 经验关系式法【3 5 】是根据数眼数据建立经验关系式，是工程设计中常用的方法。这种方 法就是将工业性试验的结果、半工业性试验结果或实验室实验结果整理成经验关系式或图 表。收集试验或现场中的数据，对系统变量建立任意或半任意的相关方程，然后使用任意 常数或任意函数使方程能够拟合实验数据，最后根据所获得的方程去预测其他的情况。这 种方法的优点是计算往往比较简便、快捷，也可能相当准确。缺点是局限较大。经验关系 式法并不揭露问题的物理本质，有时无法以此获得改善设计的方向。但是，由于多相流动 的复杂性以及该学科的目前发展的实际情况，许多工程设计问题还必须求助于经验关系式 法。例如，在气液两相流中应用本方法获得的m a r t i n e l l i 关系式至今仍在工程设计中广泛 应用，并取得良好的效果。 分析方法试图从基本原理出发推导多相流控制方程，对每相和界面条件建立局部瞬时 方程，用平均方法得到瞬时空间平均方程局部时间平均方程和时间空问平均方程，然后把 平均方程简化到要求的程度( 如含有相间相互作用项的多流体方程) ，以此来解决实际问 题。分析方法借助于现代计算技术，较严密，所得的关系式更具有普遍性。但对所得的平 均方程如不作某些简化，很难以得到准确的计算结果。只有当某些相关关系已知且具有一 定的物理基础或更大的普遍性时，分析方法才能给出比经验方法更好的结果。 唯象方法试图从物理上透彻的了解存在的现象，并据此建立模型。主要步骤是：按相 界面分布方式确定流型，详细地观察现象，并利用相应的测量手段建立理论或半理论的物 6 江苏大学硕士学位论文 理模型来描述局部现象，然后再综合局部模型，得到对整体系统的描述，最后应用整体模 型进行预测、设计。这种方法的主要优点是能够在物理上深刻地了解现象，描述的真实性 得到改善，为把所建立模型外延到不同系统开辟了较好的途径。典型的唯象方法有 t a i t e l & d u k l e r 关于管内气液两相流流型的建立和描述工作。但模型的正确选择取决于对物 理本质的深刻认识，而这种认识却难以用规格化的方式表达，在常规设计中，也往往过分 地依赖于实验数据。 1 3 论文研究的目的和意义 掘进机割煤是矿井高尘源之一，无防尘措施时的粉尘浓度可高达1 0 0 0 - 3 0 0 0m e d m 3 ， 目前最广泛的措施仍是掘进机内外喷雾。而实际使用中，内外喷雾仍存在一些问题：一是 布置在滚筒上的喷嘴，在滚筒截割时部分或全部埋进岩( 煤) 中，使喷出的射流不能雾化， 甚至喷嘴被堵塞；二是掘进机内喷雾系统因密封漏水、喷嘴堵塞而不能正常使用；三是喷 嘴前水压低，雾化效果差；四足掘进机外喷雾方向、角度紊乱，喷嘴数量、喷嘴结构不合 理，产生粉尘逆流。所以，掘进机产生的粉尘浓度仍然很高，约为1 0 0 0 - - 2 0 0 0 m g m 3 左右。 同时，除尘过程中一般存在除尘程序繁杂、操作复杂和设备所占空间大、运行费用高 等方面的缺陷，从而影响生产效率及成本。综掘面水气旋转射流降尘技术在研究上简化了 除尘工艺，在新建工程和技改工程中有很大的发展潜力。该技术能有效降低工作面的粉尘 浓度，净化作业环境。同时我国对综掘工作面降尘技术的研究还属于初步水平，因此进行 综掘工作面水气旋转射流降尘技术开发研究非常重要。 该技术的研究对于已使用的喷雾除尘技术有很大的改进。通过理论研究和实验验证的 方法使综掘面水气旋转射流降尘技术发挥最佳除尘效果。本项目的研究成果可广泛用于比 较容易产生粉尘的生产企业和工业场所，如矿山、水泥厂、粉碎加工等，可以有效降低工 作面的粉尘密度，改善作业场所职业安全卫生状况，从而保护员工的职业安全与健康，使 企业实现安全生产和持续稳定健康发展，在安全生产和环境保护方面有重要的意义，社会 意义也非常重大。 1 4 论文研究内容和技术路线 1 4 1 论文研究内容 7 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 综掘面水气旋转射流降尘技术采用实心旋转射流送风控尘、旋转射流吸风式喷雾 降尘、二次旋转高压水射流吸尘除尘理论； ( 2 ) 掘进机降尘关键技术参数优化。主要是分析不同喷雾装置结构型式等对喷雾装置 除尘效率的影响； ( 3 ) 传统直流送风和应用综掘面水气旋转射流降尘技术后综掘工作面旋转射流送风控 尘装置、旋转射流吸风式喷雾降尘装置、二次旋转高压水射流吸尘除尘装置的数值模拟； ( 4 ) 相关装置关键参数确定和在煤矿现场综掘工作面进行工业性试验研究。 1 4 2 技术路线 本项目按“理论分析研究曲线拟合实验和关键技术参数优化研究数值模拟研 究装置关键参数确定与工业性试验研究资料总结 的研究技术路线。 理论分析研究方面利用有限空间射流理论、两相流体力学以及三相流理论、射流泵及 文氏管原理、空气动力学、流体力学、计算流体力学、通风除尘、数理统计等理论研究分 析综掘面水气旋转射流降尘技术控尘、吸尘与除尘基本原理。 实验室研究包括不同喷雾装置模型的制作、实验系统的建立，实验数据的测定分析等； 选择最佳的实验方案，确定综掘面水气旋转射流降尘技术的最优化结构配置；采用曲线拟 合的方法分析不同喷雾装置型式对综掘面水气旋转射流降尘技术除尘效率的影响，找出针 对综掘作业产生粉尘的最佳处理方式。曲线拟合实验主要是分析不同喷雾装置结构型式等 对喷雾装置除尘效率的影响。参数优化实验主要是采用多目标决策法寻求最优参数 数值模拟研究采用计算流体力学g a m b i t 、f l u e n t 软件模拟以下内容：传统直流送风 和应用综掘面水气旋转射流降尘技术后综掘工作面旋转射流送风控尘装置、旋转射流吸风 式喷雾降尘装置、二次旋转高压水射流吸尘除尘装置的运动过程和流程速度矢量分布。先 利用g a m b i t 软件对综掘面水气旋转射流降尘技术相关数据进行实体建模，选择合适的网 格单元划分网格，再利用f l u e n t 软件对已设定好初始条件和边界条件的模型进行求解计 算。 装置关键参数确定与工业性试验研究是先确定综掘面水气旋转射流降尘技术系统的 关键参数，然后将降尘系统应用于工业性现场进行试验研究。 最后对项目研究工作进行资料总结成篇。 江苏大学硕士学位论文 第二章综掘面水气旋转射流降尘技术基本理论及分析 综掘面水气旋转射流降尘技术系统由旋流送风控尘装置、旋转射流吸风式喷雾装置、 二次旋转高压水射流吸尘除尘装置组成。旋流送风控尘装置的作用是将掘进局部通风风筒 末端的直流送风变为旋转射流送风，既降低的风筒出口风速以免扬起煤粉和落尘，又形成 旋风空气幕罩【1 3 1 5 1 控制浮尘向外扩散；旋