《Powder Technology》：Research on vortex capture field reconstruction and dust removal system control - dust removal parameters in roadways based on the intelligent wind allocation system
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•IWAS系统重构了用于主动粉尘控制的涡流捕捉场。•吸塵距离L = 2米时，可将粉尘扩散限制在14.44米范围内，浓度为19.34毫克/立方米。•揭示了颗粒物限制的“涡流吸附体”机制。引言随着COVID-19大流行的影响逐渐减弱，全球能源需求模式持续调整，煤炭作为基本能源的地位再
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IWAS系统重构了用于主动粉尘控制的涡流捕捉场。
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吸塵距离L = 2米时，可将粉尘扩散限制在14.44米范围内，浓度为19.34毫克/立方米。
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揭示了颗粒物限制的“涡流吸附体”机制。
引言
随着COVID-19大流行的影响逐渐减弱，全球能源需求模式持续调整，煤炭作为基本能源的地位再次受到重视。近年来，全球煤炭产量保持了稳定增长，尽管国际贸易规模有所波动，但煤炭仍然在全球能源系统中占据核心位置。电力需求的持续增长和工业活动的恢复是支撑煤炭消费的关键因素[1]、[2]。然而，煤炭产量的增加以及采矿机械化程度的提高也给环境安全和职业健康带来了严重挑战[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。
在隧道挖掘等密闭工作环境中，粉尘污染已成为制约行业可持续发展的关键瓶颈。粉尘不仅会损坏设备并影响生产效率，还对工人健康构成严重威胁。尘肺病是煤矿工人中最常见的职业病，其影响范围和严重性值得关注[9]、[10]、[11]、[12]。
根据中国国家卫生健康委员会2024年的职业病监测数据，全国共报告了11,289例新的各种职业病例，其中7,312例为尘肺病和其他呼吸系统疾病（如图1所示）。
总之，2025年的全球能源格局以及各国的发展现实决定了煤炭的战略不可替代性。煤矿尘肺病作为最突出的职业健康问题，导致了从个人健康损害到家庭经济崩溃，再到社会医疗资源消耗的一系列影响[13]、[14]、[15]。因此，控制尘肺病发生的关键在于有效利用工程技术从源头上抑制粉尘产生、阻挡其扩散并迅速清除。这种方法确保工作环境中的粉尘浓度始终保持在职业暴露限值范围内。
为了解决矿井隧道中的粉尘污染问题并降低这些通道内的粉尘浓度，各国学者进行了大量研究。Torano研究了通风系统对隧道掘进过程中粉尘扩散的影响，从而弥补了传统方法的不足[16]。Hargreaves开发了一个流体动力学模型，并将实验结果与全尺寸通风实验进行了比较，结果表明该计算流体动力学模型可以应用于隧道掘进过程[17]。Ang使用全尺寸CFD仿真方法研究了竖井中的隧道通风情况，并在不同通风组合下进行了风速的现场测量[18]。刘成义发现，隧道通风可以有效降低颗粒物浓度，压缩气流的功率和方向组合会影响通风隧道中的粉尘扩散行为，这是影响隧道空气质量的关键因素[19]。张浩楠研究了使用墙壁安装的通风管道时隧道内气流粉尘的空间分布模式，这种通风系统以其控制粉尘排放的能力为特点[20]。刘强研究了可吸入粉尘的分布特性，探讨了气流场中粉尘的轴向和径向扩散模式，确定了加压空气出口与收集管之间的最佳距离以及所需加压空气的最佳量[21]。丁某开发了一种用于显示粉尘和通风条件的仿真工具，有助于更好地理解粉尘控制的最佳参数，减少了隧道掘进过程中的粉尘污染[22]。王某研究了安装在墙壁上的粉尘和气体控制管道，并应用CFD仿真分析了管道与掘进头部之间的距离对粉尘和气体控制效果的影响[23]。孙彪通过测量掘进面处可吸入粉尘的分布模式，确定了不同通风参数下空气速度与粉尘浓度之间的数学关系[24]。彭慧天研究了粉尘颗粒的迁移规律，研究结果表明不同大小的粉尘颗粒在扩散过程中表现出不同的趋势[25]。聂文模拟了不同通风方式下长距离大截面隧道中气流入口点和排气量对粉尘控制的影响[26]。王某提出，可以使用数值仿真软件有效预测隧道掘进过程中产生的粉尘的分布和扩散行为，这一观点后来通过现场测量得到了验证[27]。谢某研究了不同产尘位置下隧道掘进过程中产生的粉尘的扩散模式和分布特性，发现当粉尘产生在较低位置时，其扩散范围和浓度会减小[28]。
当前的研究主要集中在通风模式和粉尘控制系统的参数优化上，但通常忽略了一个关键因素：粉尘清除风扇与粉尘源的空间布局[29]、[30]、[31]、[32]。粉尘吸入口与掘进面之间的距离L直接决定了压缩空气射流与收集区域之间的空间耦合关系，影响流场的能量传递和粉尘迁移路径。如果这个距离不适当，即使气流分布理想，也可能导致能量分离和粉尘积聚，从而降低整体的粉尘控制效率。因此，目前还缺乏关于如何通过优化风扇位置来构建高效涡流捕捉场的系统研究。为解决这一问题，本研究重点探讨了距离L如何影响IWAS系统的粉尘控制性能的机制。为此，我们使用CFD软件模拟了隧道通风条件下的粉尘分布模式[33]、[34]。
本研究以22,103主运输旁路隧道项目作为研究对象，基于现场实际情况，使用Solidworks软件构建了模型。通过使用Fluent数值仿真软件和CFD-POST图像处理软件，通过改变IWAS装置安装后粉尘清除风扇与掘进面之间的距离，比较了不同条件下的粉尘控制效果，以确定最佳的粉尘捕捉工作距离。
章节片段
物理模型的建立
为了确保数值仿真结果的准确性和可靠性，构建一个精确的物理模型是至关重要的第一步。根据对22,103主运营绕行现场实际布局的调查，我们按1:1的比例构建了隧道的物理模型。设备的具体布置和尺寸如图2所示。
22,103主运输旁路配备了14CM09 - 11E连续掘进机、10SC32 - 48B - 5
常规条件下的风流场和粉尘扩散的数值模拟
在常规通风条件下，巷道内的气流场呈现出“压力主导、吸力被动”的典型特征。压力管道的体积流量设置为500立方米/分钟，空气出口的体积流量设置为280立方米/分钟。如图5所示，红色表示最大气流速度（8.0米/秒），蓝色表示最小气流速度（0米/秒）。
在压缩空气管道的作用下，虽然气流可以扩散到
基于调节粉尘收集器入口与工作面之间距离L的粉尘控制优化研究
完成高质量网格生成并在ICEM-CFD中建立相应的物理模型后，将该模型导入Fluent软件。根据上述条件设置气流和粉尘仿真的边界参数，然后将得到的气流和粉尘数据导入CFD-POST后处理程序进行进一步处理和分析。
本研究中采用的基线距离L = 5米是指原始布置的粉尘清除风扇之间的距离
现场测量
为了验证现场测量结果与数值仿真之间的一致性，本研究通过多次重复测量不同测量点的粉尘浓度和扩散距离来系统验证仿真模型的可靠性。测量点的选择集中在隧道内粉尘浓度较高以及工人主要作业和活动区域，以获得具有代表性的粉尘分布数据
结论
本研究解决了隧道通风粉尘控制中长期被忽视的一个关键因素：设备的空间布局。我们提出了一种新的主动粉尘控制方法，该方法通过调整粉尘清除风扇的距离L，并根据IWAS系统调节空气体积，来“重构涡流捕捉场”。通过结合CFD数值仿真和现场测量的系统研究，我们揭示了距离L作为核心几何参数的决定性作用
CRediT作者贡献声明
刘强：方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念构建。蔡松源：撰写 - 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源协调。刘新鹏：可视化、验证、监督、软件使用、资源协调、项目管理、方法论。聂文：方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念构建。华云：正式分析、数据整理
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：52404228、52304243、52174191）、山东省自然科学基金（编号：ZR2024QE035）、中国国家重点研发计划（编号：2023YFC2509300）、国家重点青年人才支持计划（编号：SQ2022QB01009）、山东省自然科学基金（编号：ZR2022JQ26）、山东省泰山学者和青年专家计划（编号：
刘强|蔡松源|刘新鹏|聂文|华云|黄新宇
