云雾除尘过程的数值模拟研究

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1、学校代码10530学号201510131305分类号TD82-9密级硕士学位论文云雾除尘过程的数值模拟研究学位申请人孙少伟指导教师欧阳晓平院士学院名称材料科学与工程学科专业材料科学与工程研究方向新能源材料与器件二〇一八年五月StudyonNumericalSimulationoftheProcessofRemovingDustbyCloudFogCandidateShaoweiSunSupervisorAcademicianXiaopingOuyangCollegeSchoolofMaterialsScienceandEngineeringProgramNewEnergyMaterialsa

2、ndDevicesSpecializationMaterialsScienceandEngineeringDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateMay2018摘要摘要煤炭开采过程中产生的粉尘颗粒，粒径小（Φ<100m）、体表面积大，不仅危害工作人员身体健康也为井下作业带来极大的安全隐患。目前，煤矿除尘既缺乏成熟可供描述的理论体系，也未见到有完整系统的实验研究。然而，在诸多的粉尘颗粒除尘理论与技术方法中，云雾除尘技术具有除尘效率高、对空间中原有物体的性能与品质影响小等优点；它是基于气液两相流理论，将空气和水按一定的比

3、例压缩进云雾发生器，水雾化之后喷射形成水雾颗粒并与空间中的粉尘颗粒碰撞形成较大质量的团聚结构，从而加速粉尘颗粒的自沉降速度，最终实现除尘目的。目前，我们对云雾除尘技术的理论机制理解不足且各实验测试的报道结果变化不定，因而该技术的推广应用仍存在许多亟待解决的问题。之所以出现这种实验差异和应用推广上的障碍，在于人们对粉尘颗粒迁移规律以及雾滴颗粒与粉尘颗粒间的相互作用没有得到充分理解。煤矿巷道中的粉尘颗粒属于离散颗粒系统，因此本课题尝试基于离散元的思想，在改进的硬球模型中，首先构建了粉尘颗粒与粉尘颗粒碰撞动力学模型，得到煤矿巷道中的粉尘迁移规律；在此基础上继续考虑粉尘颗粒与云雾雾滴碰撞机制，计算导

4、致粉尘颗粒沉降的团簇结构形成几率大小，定量研究了云雾除尘法中粉尘颗粒的初始速度、表面能、尺寸、质量浓度、巷道风速、喷雾流量、风速及湍流强度等对除尘效率的影响。本课题工作表明，粉尘颗粒间的碰撞形成团簇结构（即结合性碰撞）并沉降的几率随两粉尘颗粒相对碰撞速度（粉尘颗粒初始速度0.0~10.0m/s）、粉尘粒径（5.0~25.0μm）以及风速（0.5~2.0m/s）的增加而减少，当相对碰撞速度大于临界碰撞速度时，粉尘颗粒间的碰撞无法形成团簇结构，因而不利于云雾法除23尘。表面能在0.04~2.0J/m、粉尘浓度在94.5~420.0mg/m范围持续增加时，结合性碰撞几率随之增加；根据以上影响结合性

5、碰撞几率的因素以及调控粉尘颗粒与云雾雾滴碰撞的机制，计算得到云雾除尘法中除尘效率随煤矿巷道风速的增6加而减小；固定喷雾雾滴粒径时，除尘效率随喷雾流量在小于3.12×10N/s范围增大并在该值达到最大值，随后减少；随喷雾区湍流强度的增高，除尘效率先是增加，而后在喷雾区随机波动速度在0.15~0.5m/s范围时达到一个平衡状态。综合以上各因素，云雾除尘技术中，在煤矿巷道中设置巷道通入风速0.5m/s、6云雾喷雾流量为3.12×10N/s时，对粉尘颗粒的除尘效率最佳。实验的测试结果检验了本工作基于离散元思想的云雾除尘理论计算的可靠性。关键词：云雾除尘；煤矿粉尘；离散元；硬球模型；碰撞频率；随机波动

6、速度IAbstactAbstractThedustparticlesinthecoalminingprocessaresmall(Φ<100m)andrespirable,whichharmstoworkers'healthandbringsgreatpotentialsafetyhazardforundergroundwork.Atpresent,theremovingdustofcoalminelacksthematureandcredibletheoreticalsystemtodescribe,anddon'thavethecompletelysystematicexperimen

7、talstudy.However,inthemanytheoriesandtechnologiesofremovingdust,removingdustofcloudfogtechnologyhastheadvantagesofhighefficiencyandsmalleffectonthequalityofcoal.Itisbasedonthetheoryofgas-liquidtwophaseflow,