《Water》：Particle-Scale Modeling of Water-Spray Dust Suppression in Underground Excavation: A Weighted DSMC Framework for Droplet–Dust Capture
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水喷雾在地下掘进中广泛用于粉尘抑制，但控制液滴–粉尘碰撞与捕集的颗粒尺度机制仍缺乏充分理解。本研究开发了一种加权直接模拟蒙特卡洛（DSMC）框架，该框架在二维预设气流场中追踪喷雾液滴和粉尘颗粒，并模拟随机碰撞、捕集和团聚。该模型重现了实验观测到的压力依赖性宏观
水喷雾在地下掘进中广泛用于粉尘抑制，但控制液滴–粉尘碰撞与捕集的颗粒尺度机制仍缺乏充分理解。本研究开发了一种加权直接模拟蒙特卡洛（DSMC）框架，该框架在二维预设气流场中追踪喷雾液滴和粉尘颗粒，并模拟随机碰撞、捕集和团聚。该模型重现了实验观测到的压力依赖性宏观捕集响应，在6 MPa及以上水压条件下相对偏差低于3%。提高水压改善了雾化效果和喷雾穿透能力，并增加了液滴–粉尘碰撞概率。在更高水压下，捕集效率的增幅减小，而耗水量持续上升。更窄的液滴粒径分布增大了有效液滴数密度，并改善了与粉尘颗粒的空间匹配。细粉尘更难被捕集，因为其惯性较低，能够随气流绕过液滴；而捕集效率通常随颗粒粒径增大而提高，随后趋于稳定。雾化角和喷雾入射角主要通过改变喷雾覆盖范围、局部液滴浓度和碰撞分布来影响捕集效果。该加权DSMC框架提供了一种颗粒尺度方法，可在预设模型假设下对喷雾运行条件和喷雾几何构型进行探索性比较。
地下掘进水喷雾抑尘的颗粒尺度建模：加权DSMC框架研究解读
粉尘污染是地下煤矿开采和机械化巷道掘进中持续存在的职业危害。高强度的切割、破碎、装载和运输过程会持续产生大量空气悬浮颗粒物，其中呼吸性粉尘可深入肺部，与煤工尘肺、矽肺、慢性阻塞性肺疾病及进行性大块纤维化密切相关。水喷雾因成本低、设备简单、响应快且适于靠近产尘源安装，成为最广泛使用的粉尘控制技术之一。然而，喷雾抑尘效果受液滴与粉尘颗粒间的相对运动、碰撞概率、湿润及粘附等颗粒尺度过程控制，而现有研究多集中于宏观喷雾参数，缺乏对液滴–粉尘随机碰撞与捕集的颗粒尺度机制认识。为此，研究人员开发了一种加权直接模拟蒙特卡洛（DSMC）框架，模拟掘进机外喷雾区域的液滴–粉尘碰撞与捕集过程，并与实验测量进行对比验证。
研究人员建立了一个基于DSMC的粒子框架，用于模拟掘进机外喷雾区域中喷雾液滴与空气中粉尘的相互作用。数值流程由四个耦合部分组成：预设气流场中的颗粒输运、喷雾液滴生成、随机液滴–粉尘碰撞判定，以及碰撞诱发的捕集与团聚。采用加权粒子处理方法，使可计算数量的采样粒子能够统计代表数量更多的物理液滴和粉尘颗粒。模型在二维2 m×1 m矩形域内进行，背景气流速度固定为5 m/s，采用单向耦合，忽略湍流脉动和颗粒对气流的反馈。液滴粒径从Rosin–Rammler分布中采样，水压决定体积流量、喷射速度和特征粒径。粉尘初始为2000个计算颗粒，粒径范围0–90 μm。碰撞搜索采用硬球碰撞核，基于局部数密度、碰撞截面和相对速度计算碰撞概率。实验验证采用中国矿业大学模拟巷道喷雾降尘系统，以花岗岩粉尘作为替代颗粒材料，水压从2 MPa逐步增至10 MPa。
研究结果部分围绕六个方面展开。在水压与捕集效率方面，水压从2 MPa增至6 MPa时，特征液滴粒径从212 μm降至144 μm，捕集效率从43.8%升至80.0%；进一步提高至10 MPa时，特征粒径仅降至121 μm，捕集效率升至91.6%，但增幅明显减小，而单喷嘴耗水量从245.4 L/h增至548.8 L/h。在粒子碰撞分布方面，碰撞事件主要发生在锥形喷雾覆盖区内；水压升高使主碰撞区域向尘源方向移动，从2 MPa时的水平距离1.3–1.9 m移至8–10 MPa时的0.7–1.3 m，较高压力下喷雾穿透力增强，液滴数密度增大。在喷雾液滴粒径分布方面，Rosin–Rammler形状因子n从1增至3使粒径分布变窄，在4 MPa下捕集效率从30.25%增至74.5%，在10 MPa下从59.2%增至94.6%；更均匀的粒径分布提高了液滴数密度，增加了液滴–粉尘碰撞机会。在粉尘粒径方面，小于约40 μm时捕集效率随粒径增大而升高，0–10 μm尘粒最难捕集，最低效率为28.6%；大于40 μm后效率趋于稳定，波动随水压升高而减小。在雾化角方面，角度从20°增至70°时，碰撞区域从0.3–1.5 m扩展至0.3–1.9 m；小角度提高喷雾路径上的局部碰撞密度，大角度扩大空间覆盖但降低局部液滴浓度。在喷雾入射角方面，入射角从10°增至50°时，最终捕集效率逐渐升高，50°时达91.5%，60°时略有下降；较小角度利于近尘源捕集，较大角度使喷雾呈水幕状拦截悬浮粉尘，横向拦截范围增大。
讨论部分指出，水压、粒径分布和粉尘粒径分别通过改变液滴数密度、颗粒惯性和空间重叠来影响捕集效率。约6 MPa为效益递减的转折点，进一步升压带来的效率增益变小而耗水持续增加，因此压力选择需综合捕集性能与耗水量。雾化角控制着碰撞密度与喷雾覆盖之间的权衡；入射角则决定喷雾系统以近源抑尘为主还是以空间拦截为主。模型存在若干局限：计算域为二维切片，预设均匀气流，未求解湍流和双向耦合；未考虑液滴间碰撞、粉尘间团聚、布朗扩散和静电作用；将碰撞事件直接视为稳定湿捕集，未考虑反弹和飞溅。0–10 μm结果仅代表碰撞控制捕集分数，而非经过验证的湿去除效率。未来工作可将加权DSMC与三维瞬态CFD流场耦合，并引入基于撞击与润湿条件的粘附判据，同时对更多随机样本和更细颗粒粒径范围进行验证。
研究结论可概括为：加权DSMC模型显式采样液滴–粉尘碰撞，并利用统计权重表示捕集和团聚，在6–10 MPa水压下复现实验压力依赖趋势，相对偏差小于3%。提高水压增加喷雾速度和液滴数密度，使主碰撞区向尘源移动，捕集效率从2 MPa的43.8%升至6 MPa的80.0%和10 MPa的91.6%，但6 MPa以上增量收益下降且耗水增加。更窄的Rosin–Rammler粒径分布提高液滴数密度和捕集效率；0–10 μm尘粒的碰撞控制捕集分数最低，较大粒径的尺寸依赖性较弱。雾化角决定局部碰撞密度与喷雾覆盖的取舍，较小角度沿喷雾路径集中液滴，较大角度扩大碰撞区域但降低局部液滴密度。较低喷雾入射角有利于近尘源捕集，较大角度增加除尘路径上的拦截，在所测试的几何和运行条件下50°时最终捕集效率最高，60°时略有下降。
