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基于CFD技术的新型虚拟冲击分离器粉尘分离效率影响因素分析
Analysis of Influencing Factors on Dust Separation Efficiency of New Virtual Impact Separator Based on CFD Technology
1. 主要摘要
本文研究了新型虚拟冲击分离器在煤矿可吸入粉尘分离中的效率。通过建立虚拟冲击分离器的三维模型，采用计算流体动力学（CFD）技术模拟其内部流场、压力场和颗粒分布，并分析不同入口风速对分离效率的影响。实验结果显示，对于1和7μm的颗粒，分离效率最高，分别达到95.52%和2.33%。在2.5 m/s的入口风速下，分离效果最佳，且结果与BMRC标准曲线的偏差在0.65%至4.40%之间。本研究结果为煤矿中可吸入粉尘分离技术的优化提供了理论支持。
2. 引言
随着煤矿开采机械化水平提高，煤尘危害增加。煤矿粉尘浓度高，不仅影响煤矿设备的传感器精度，还可能引发煤尘爆炸及工人尘肺病。因此，提高可吸入粉尘的分离效率至关重要。目前主要分离技术包括筛析、旋风和冲击方法，本文基于冲击技术提出了虚拟冲击分离器，通过避免颗粒在冲击板上的碰撞和反弹，降低粉尘二次悬浮风险。研究基于CFD技术分析了该分离器的分离效率和影响因素，为煤矿粉尘监测和控制提供了新方法。
3. 主要内容
虚拟冲击分离器包括入口段、加速段、分离腔、强流出口和弱流收集腔。粉尘气流通过入口进入后在加速通道内加速，并在分离腔中分为两股。大颗粒由于惯性沿直线运动进入弱流腔，小颗粒则受气流拖曳进入强流通道。
分离器的关键参数包括喷嘴宽度、加速通道尺寸和流量。为了优化分离效率，设计的分离器具备5μm的切割直径，符合BMRC曲线标准，且入口流速控制在1.7 L/min。
使用CFD软件对虚拟冲击分离器进行流速、压力分布和颗粒轨迹的模拟，采用约350万元素的网格划分以保证计算精度，并设置流场的入口速度边界条件为“速度入口”，出口边界条件为“出流”以模拟真实的空气流动情况。
不同时间下分离器内部流速分布显示，气流沿加速段加速并在分离腔中发生分流。分离腔入口处形成对称的“双峰”流速分布，使强流和弱流分离效果显著。强流流量占总流量的90%，提高了小颗粒的分离效率。
分离器内的压力主要由静压和动压组成。动压在加速段达到最大，并随气流速度的增加而增加。在分离腔中，由于方向变化和流速的急剧变化，压力场出现湍流现象，有利于颗粒的边界层分离。
在分离腔中，直径小于5μm的颗粒随强流进入强流通道，而大于5μm的颗粒进入弱流腔。模拟结果显示，1μm和7μm的颗粒分离效果最佳，而4-6μm颗粒较多集中在弱流腔。
研究表明，在2.5 m/s的入口风速下，分离效率最高，能最大程度地将小颗粒分离至强流通道，并符合BMRC曲线的标准，偏差仅为0.47%-5.68%。
不同入口风速下的分离效率随颗粒直径增大而降低。在1 m/s时，对于1μm和6.33μm颗粒，分离效率偏离BMRC曲线13.97%和10.44%，但在2.5 m/s时，与BMRC曲线的偏差在0.47%到5.68%之间，分离效果最佳。
通过3D打印制造虚拟冲击分离器原型并在实验平台上测试分离效率。实验结果表明，在2.5 m/s的入口风速下，分离效率最高，偏差在5.20%以内，与BMRC曲线的误差小于4.40%，满足误差标准。
4. 主要结论
1. 虚拟冲击分离器结构优化效果显著
通过调整加速段和分离腔的结构，显著提升了粉尘分离效率，尤其对1μm和7μm的颗粒分离效果最佳。
2. 最优入口风速提升分离效果
在2.5 m/s入口风速下，分离器的分离效率达到最高，基本符合BMRC曲线标准，对1至7μm的颗粒分离偏差仅为0.47%-4.40%。
3. 研究成果应用于煤矿粉尘监测具有潜力
本研究设计的虚拟冲击分离器能够在煤矿粉尘高浓度环境中有效分离可吸入粉尘，为煤矿粉尘控制和工人健康防护提供了新的技术支持。
5. 主要结果图
6. 参考文献
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一区TOP期刊《Energy》—采用离散元方法（DEM）研究不同水合物习性下含水合物沉积物的力学行为
一区TOP期刊《Energy》—DEM-CFD模拟天然气水合物（NGH）储层的渗透率各向异性及其在不同有效应力下的演变机制
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟煤泥微波加热过程
一区TOP期刊《Energy》—中央分级旋流燃烧器中一氧化碳（CO）形成特性的数值研究
一区TOP期刊《Energy》—CFD-DEM耦合模拟颗粒高速自旋和热传递的规律
一区TOP期刊《Energy》—ANSYS与COMSOL电磁-热耦合模型对比分析
一区TOP期刊《Computers and Geotechnics》— 三维耦合MPM模拟隧道面在水力-机械作用下的坍塌机制
一区TOP期刊《Energy》— COMSOL模拟考虑沉积压缩效应的天然气水合物降压开采储层物理和力学特性的演变
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
