基于CFD 的理論分析方法，對綜放支架放煤口負壓捕塵裝置的內部流場進行了模擬，分析了噴嘴供水壓力對流場真空度的影響。模擬結果表明，裝置吸塵的最根本原因是吸塵罩連接管處有很大的相對真空度，確定供水4 MPa 是理想的水壓，吸塵罩的長度盡量縮短且安裝位置盡量靠近產塵處。

　　當前對于放煤口的粉塵的防治措施應用最廣泛的是濕式噴霧降塵，但是噴霧時由于噴霧方式和水流量小等原因不能很好的解決粉塵污染問題。目前，國內外的許多研究人員對負壓降塵進行了研究，謝耀社等通過負壓降塵技術利用高壓水產生的高速水霧射流降塵，對于解決滾筒采煤機粉塵問題提供了新的思路和方法；程衛民等對霧化粒徑與噴霧壓力之間的關系進行了研究。利用常用的CFD 模擬軟件對負壓捕塵裝置的內部流場進行了模擬分析研究，分析了裝置的內部流場，繼而得出影響相對真空度大小的因素，對于煤礦粉塵防治問題的解決起到了很好的理論指導作用。

1、負壓捕塵裝置

　　負壓捕塵裝置主要是應用了流體力學中的文丘里原理，高壓水通過噴嘴在文丘里管中形成水霧，由于水霧的橫向運動使得管中形成負壓。裝置安裝在綜放支架尾梁的控制油缸開口板上，其吸塵罩的大小、形式及安裝位置可以根據綜放支架的參數來確定，綜放支架放煤口負壓捕塵裝置結構圖如圖1。

圖1 綜放支架放煤口負壓捕塵裝置結構圖

　　通過噴嘴供水組件引入高壓水，當高壓水噴出時，與喉管和漸縮管進行碰撞形成水霧。由于水霧的橫向紊流的作用，使漸縮管內的空氣被卷西帶出，隨之在漸縮管的后方產生負壓區。在射流形成的負壓作用下，外界的含塵氣流由吸塵罩被吸入接受管。在接受管內，粉塵與水霧碰撞混合并沉降下來。

2、CFD模擬

　　在此項目研究中，由于本裝置的用水量在工作境下受到很大限制，并且該模型是抽吸試驗，因此采用CFD中離散相模型。由液固、氣固和液氣固所組成的多相流體，在運動過程中將產生相對運動。由于各相的密度及粘度上的差異，會產生不同的作用效果。噴霧降塵過程中，水霧是液相，風流是典型的氣相。在研究的氣霧兩相流場中，氣流場為連續相，湍流流動采用標準k -ε雙方程模型。選擇了非穩態求解方式，因此選擇隨機軌道模型中的離散隨機游走模型。在計算過程中，考慮到采用的是離散相模型，并且要考慮工作過程中離散相與連續相的耦合作用，因此，設計的模擬流程圖如圖2。

圖2 模擬流程圖

　　當模擬兩相耦合過程時，首先計算得到收斂或部分收斂的連續相流場，然后在創建噴射源進行耦合計算。在每一輪的離散相計算中，FLUENT 會更新每一個流體計算單元內的相間動量、熱量以及質量交換項，然后這些交換項就會作用到隨后的連續相的計算。耦合計算時，FLUENT 在連續相迭代計算的過程中，按照一定的迭代步驟間隔來計算離散相迭代，直到連續相的流場計算結果不再隨著迭代步數加大而發生變化。

　　FLUENT 有2 種霧滴破碎模型可供選擇：泰勒類比破碎( TAB) 模型和波致破碎模型。TAB 模型適用于低韋伯數射流霧化和低速射流進入標態空氣中的情況。當韋伯數特別大時，霧滴就會破碎。經過分析，破碎模型應該選擇TAB 模型。粒子噴射時間步長為0. 1 s，由于霧滴直徑較大，不考慮SaffmanSaffman升力，忽略磨蝕/沉積，忽略霧滴間的碰撞與霧滴分裂。

3、模擬結果

　　參數設置完成后進行迭代求解，時間步長設為1 s，迭代步數可設為200 ～400，依次求解工作水壓為1、2、3、4、5 MPa 情況下的裝置內流場的壓力云圖，圖3 給出了供水壓力為2 MPa 時的裝置前半部分(漸縮管、吸塵罩和接受管) 內流場模擬的壓力變化，可知有效的負壓區在噴水組件的正下方，即吸塵罩和接受管的交匯處。這是由于這塊區域距離噴水射流比較近，射流帶走的空氣多的緣故，這符合虹吸原理的基本規律。

圖3 2 MPa 供水壓力下流場的壓力云圖

　　圖4 為供水壓力下與有效最大負壓值關系圖，其絕對壓力與相對真空度的關系為：p2 = p1 - p0，關系式中：p0為標準大氣壓；p1為絕對壓力；p2為相對真空度。

圖4 供水壓力下與有效最大負壓值關系

　　從圖4 以及公式可以看出，當噴嘴供水壓力為1 MPa 時，裝置中的吸塵罩、連接管及漸擴管中絕對壓力都比較大，從而相對真空度也比較小，基本沒有負壓效果。但在噴嘴供水壓力上升到2 MPa 時，連接管和漸擴管中的絕對壓力就明顯減小，相對真空度開始增大。直到供水壓力上升至5 MPa 時，連接管和漸擴管中的絕對壓力變化開始減緩，隨之相對真空度的增大也開始減緩。進一步可以看出，在工作水壓為5 MPa 時，吸塵罩連接管、喉管及漸擴管處的內部流場的絕對壓力值比1、2、3、4 MPa 時所產生的絕對壓力均小，即在水壓為5 MPa 時，裝置內流場的相對真空度最高。并且漸擴管出口處的相對真空度較1、2、3、4 MPa 時均大，得知裝置在工作時，隨著工作水壓的不斷調高，負壓吸塵的作用會越來越強。但供水壓力大于4 MPa 以后，變化并不是很明顯，且5 MPa 時對水源的浪費較大，綜合考慮得出結論，要使負壓捕塵裝置獲得合適的工作流場真空度，選取噴嘴供水壓力4 MPa 是比較理想的。

　　通過觀察碰嘴的絕對壓力云圖，對裝置的吸塵罩、吸塵罩連接管以及喉管和漸擴管處的相對真空度進行分析。在此只對裝置在2 MPa 時碰嘴的絕對壓力云圖進行分析，在越接近接受管處，絕對壓力越小，相反地，越接近吸塵罩處，絕對壓力越大，根據絕對壓力與相對真空度的關系式可以得出吸塵罩連接管的相對真空度的值最小，從而得出結論：在對裝置結構設計時應該把吸塵罩連接管處長度盡量縮短。并且在裝置的出口處，存在一定的相對真空度，進而會產生二次降塵的效果，即出口處的水霧在進行水霧捕塵時還會起到二次負壓降塵的作用，利用水霧吸附漂浮在出口處的粉塵，進行捕捉，使其沉降，達到二次降塵的目的。

4、結語

　　通過FLUENT 中的離散相模型，分別對5 種不同壓力下的裝置內部流場的絕對壓力進行了模擬分析，并且對喉管和漸擴管、吸塵罩連接管的絕對壓力變化進行了分析。得出最理想的有效負壓區在接收管，喉管和漸縮管內，并確定供水壓力4 MPa 比較理想；在設計裝置結構時，應該使吸塵罩的長度盡量縮短。裝置在工作時，漸擴管出口處有很大相對真空度，所以在安裝裝置時應該使漸擴管出口盡量靠近粉塵處。