水分调控抑尘中的气动动量耗散与能量守恒机制：一种跨尺度CFD-DEM方法

《Energy》：Aerodynamic momentum dissipation and energy conservation mechanisms in moisture-regulated dust mitigation: A cross-scale CFD-DEM approach

　　

•跨尺度 CFD-DEM 解析了水分驱动缓解过程中的能量守恒。
•宏观气动活塞能不会因水分变化而衰减。
•惯性激增和快速动量耗散切断了扬尘携带路径。
•15% 的水分阈值平衡了扬尘缓解与热能损失。

引言
现代工业文明的物质基础依赖于大量散装材料的高效流动。在中国、印度和东南亚，大型煤炭生产基地、钢铁联合企业和港口物流枢纽的建设直接推动了对超大型输送设备的需求[1], [2], [3], [4], [5]。带式输送机系统因其结构简单紧凑、效率高效，被广泛应用于采矿、农业、化工、港口物流和发电领域[6], [7]。转运点作为连接不同输送设备的关键节点，涉及高速物料流的排出及随后的冲击。在此过程中，高通量颗粒流与周围空气之间发生剧烈的动量交换，导致严重的逸散粉尘排放。此类排放不仅导致物料损失，还损害设备可靠性，并造成严重的职业健康风险。

在开发转运点粉尘控制的通用理论框架时，煤炭代表了工程设计中的最坏情况。这源于其独特的理化特性：低密度诱导高携带气流，高脆性导致连续产尘，疏水性使抑制工作复杂化，以及严重的爆炸和健康风险。为了抵消这些危害，传统行业广泛采用无差别的全局洒水。然而，从生命周期能源角度来看，这种耗水做法带来了严重的热能损失。过量水分严重降低了散装煤的热值，在下游燃烧和发电过程中消耗了大量潜热。具体而言，呼吸性粉尘（PM10 和 PM2.5）可以绕过上呼吸道防御，沉积在肺泡区域深处，引发不可逆疾病，如煤矿工人尘肺病（CWP）[8], [9], [10], [11], [12]。因此，阐明支配这些颗粒的气动机制是评估工人呼吸区暴露风险的前提。传统的职业健康干预措施过度依赖个人防护装备（PPE）。然而，在炎热潮湿条件下进行高强度地下劳动时，严重的呼吸阻力及面部密封泄漏使得 PPE 几乎无法有效应对高浓度粉尘的瞬间激增[13], [14], [15], [16], [17]。更关键的是，悬浮粉尘导致的能见度降低和爆炸风险代表了一种任何被动保护都无法解决的系统性危机。因此，现代粉尘控制的核心必须转向源头级气动干预。这需要从材料的微物理特性出发，识别在源头抑制携带气流的根本手段。

转运点逸散粉尘向呼吸道的传输轨迹从根本上由携带气流结构决定。尽管经典理论和传统 CFD-DEM 框架试图预测这些流场，但它们主要依赖于一个关键的简化假设：即散装煤表现为干燥、离散且无凝聚力的粒子集合[18], [19]。随后，Plinke 引入了流态分类理论，阐明了颗粒空隙率对空气携带的非线性影响[20]。在计算进步的推动下，研究重点逐渐转向下落物料与诱导气流之间复杂的动态耦合。Chen 等人的早期努力利用 Fluent 框架预测转运溜槽内高速气固两相流的演化[21]。最近，针对这些气流的致病机制，Zhang 等人实验证实诱导气流是转运点二次逸散粉尘的根本驱动力[22]。在此基础上，Jia 等人采用数值模拟剖析了下落煤引发的交替压力梯度和宏观涡结构如何严重加剧空间粉尘扩散[23]。Zhang 等人进一步探讨了这些诱导流场与超声速微雾抑制技术之间的动态干扰机制[24]。同时，为了精确解析颗粒相的运动边界，Lu 等人引入了离散单元法（DEM），细致追踪了动态机械边界下煤尘的时空混合和剥落行为[25]。

然而，尽管在解码诱导气流拓扑结构和离散颗粒追踪方面取得了重大进展，这些当代框架主要依赖于一个关键地过度简化的前提：将散装煤流概念化为完美干燥、离散且无凝聚力的粒子集合。事实上，受地质条件或上游预处理影响，工业原煤 inherent 保留着不同的水分水平，在堆积和排出过程中表现出明显的颗粒间粘附特性。这种理想化的“干粒子”假设强行切断了数学模型中实际材料水分特性与流体动力学之间的物理映射。因此，它从根本上无法捕捉潮湿煤尘在关键气动相互作用期间的特征团聚和沉降行为。

水分不仅仅是一个被动的环境变量；相反，它是多相气固系统中一个关键的主动调节器。微观上，水分激活的毛细液桥催化了细颗粒的团聚，将下落的煤流从分散的颗粒雨转化为凝聚的块状簇。这种结构相变从根本上改变了相间动量传递机制。然而，科学上仍不清楚不同的水分含量如何定量调节级联传输连续体——从初始颗粒射流到诱导气流，再到最终的呼吸暴露。具体而言，存在一个关键的认知差距：尚未解决由水分引起的团聚是通过物理衰减宏观气动风暴来减轻职业粉尘危害，还是通过专门改变颗粒本身的微气动携带和沉降轨迹来实现。

为了解决这一根本不确定性，本研究建立了一个经过严格校准的未解析四向耦合 CFD-DEM 框架，用于宏观气 - 煤系统，同时追踪微观呼吸性粉尘作为单向耦合稀薄离散相，以解码不同水分含量对流场拓扑结构和职业健康风险的调节机制。在该框架中，宏观散装煤的颗粒 - 颗粒相互作用和粘聚碰撞得到完全解析，同时存在双向相间动量交换，而微观呼吸性粉尘则在动量解耦的瞬态流场中作为单向耦合离散相进行追踪（由于其极低的体积分数，不施加动量反馈），其中颗粒间碰撞在物理上可忽略不计。通过结合 JKR 接触力学模型来参数化不同的水分梯度，显式模拟了湿颗粒从刮板输送机到带式输送机的动态转移演化。提取的数值数据精确可视化了由不同粘聚力驱动的颗粒射流的形态演化。此外，本研究量化了诱导气流速度对水分波动的敏感性，并深刻阐明了这种水分调节的气动环境最终如何重塑职业呼吸区内呼吸性粉尘的空间分布。最终，本研究为实现水分驱动的粉尘控制策略、保障矿工呼吸健康提供了稳健的机理闭环和理论基础。

章节片段
数学模型
气流被视为连续、不可压缩流体。为了严格考虑高通量颗粒射流引起的体积排斥效应，采用了体积平均纳维 - 斯托克斯方程。具体而言，采用了广泛认可的“模型 A"公式[26]，其中宏观压力梯度在相之间共享。这种严谨的理论公式显式捕捉了欧拉网格尺度上颗粒对流体的置换。控制方程

转运点的几何模型与网格生成
以何图煤矿的刮板输送机至带式输送机转运点为原型，在 SolidWorks 中构建了全尺度 3D 几何模型。该模型主要包括上部刮板输送机、缓冲转运溜槽、矿工假人和下部接收带式输送机。落料管垂直高度为 2.2 米，转运溜槽总长 2 米。为了提高计算效率，非接触支撑件和次要输送机细节被合理地

极端冲击下的局部流场畸变与涡演化
为了深入揭示全机械化采煤工作面煤炭转运引起的二次逸散粉尘的动力学起源，本节结合流线拓扑演化（图 5）和体积积分动能曲线（图 6）量化了气固相间动量转移的全周期。
为了阐明全机械化转运操作期间诱导的二次逸散粉尘的基本气动起源，本节关联流线拓扑

结论
利用经过精心校准的未解析四向耦合 CFD-DEM 框架和颗粒空气动力学原理，本研究解码了水分调节下转运点粉尘的宏观扩散和微动态演化。主要结论如下：
(1) 水分决定了粉尘扩散的高度非线性空间抑制，将 15% 确定为绝对最佳工程阈值。达到这一 15% 水分容量会引发严重的的收缩

CRediT 作者贡献声明
Yun Hua: 验证，软件。Wenjin Niu: 监督，项目管理。Fei Liu: 可视化，调查。Wen Nie: 项目管理，资金获取，数据整理。Lidian Guo: 资源，形式分析，概念化。Xingchao Cha: 写作 – 原稿，可视化，软件。Qiang Liu: 验证，监督。Huitian Peng: 方法论，调查

利益冲突声明
? 作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本报告中工作的发表。

致谢
本研究由山东省自然科学基金（ZR2022JQ26 和 ZR2023QE026）、国家高层次人才特殊支持计划青年拔尖人才项目（SQ2022QB01009）、山东省泰山学者及青年专家计划（tsqn202211155）、国家自然科学基金（编号 52174191、52374213 和 52304243）、中国博士后科学基金（编号 2023TQ0201）、山东省博士后科学基金（编号 SDCX-ZG-202302014）资助。

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