基于CFD技术的大型断面隧道风助喷雾幕降尘抑尘研究

为解决大采高综采工作面高浓度煤尘污染问题，研究人员提出风助喷雾幕除尘装置，通过CFD模拟优化喷嘴与风罩组合，实验验证其有效性。结果表明：装置外偏角20°、风量18 m3/min、喷雾压力6 MPa时，高效喷雾场覆盖断面达85.11%，D32为78.2 μm，总尘和呼吸尘浓度分别降至91.8和48.2 mg/m3，除尘效率达87.4%和85.5%，为工作面粉尘治理提供创新方案。

　　

煤炭在中国能源结构中占据主导地位，但机械化开采带来的高浓度煤尘严重威胁矿工健康，尤其是可吸入粉尘长期沉积易引发尘肺病。传统喷雾除尘因覆盖范围有限难以有效解决大断面工作面的粉尘扩散问题。为此，山东科技大学的研究团队创新性提出风助喷雾幕除尘装置，通过结合流体动力学与机械优化设计，显著提升除尘效率，研究成果发表于《Powder Technology》。

研究采用计算流体力学(CFD)模拟结合实验验证的方法，关键技术包括：1) 基于Euler-Lagrange方法的气固两相流模拟；2) 通过Fluent软件优化喷嘴与风罩组合；3) 在小纪汗煤矿13218工作面进行现场实测，验证装置在18 m³/min风量和6 MPa喷雾压力下的性能。

气流-粉尘迁移模型
通过建立大采高工作面气固两相流模型，发现粉尘运动主要受风速和湍流影响，为装置参数设计提供理论基础。

喷嘴选择
搭建喷雾特性测试平台，对比直筒、斜筒和喇叭形风罩的风场分布，最终确定斜筒风罩与X型导流芯喷嘴组合可形成最佳雾化效果。

物理建模与网格划分
依据13218工作面实际尺寸(支架高5.8 m，长240 m)建立三维模型，模拟显示20°外偏角时喷雾覆盖最均匀。

现场验证
装置布置于采煤机下风侧10 m处，监测显示总尘浓度从700 mg/m³降至91.8 mg/m³，呼吸尘浓度从330 mg/m³降至48.2 mg/m³，验证了模拟结果的准确性（误差<12%）。

结论与意义
该研究通过多学科交叉解决了三大难题：1) 突破传统喷雾距离限制，覆盖率达85.11%；2) 优化D₃₂(体积表面积平均直径)至78.2 μm，增强粉尘捕获效率；3) 创新风助结构使除尘效率提升至87.4%。Wen Nie团队的工作不仅为煤矿粉尘治理提供标准化方案，其CFD模拟与工程实践结合的方法论对工业粉尘控制领域具有普适性参考价值。国家重点研发计划(2023YFC2509301)等项目的支持，体现了该研究在职业健康与安全生产领域的重要战略意义。