巷道内超细雾滴蒸发—弥散特性与影响规律研究
林明磊1，2, 刘建国1，3, 金龙哲1，3, 吴雪冰4, 周玉竹1，5, 穆拉提· 居尔艾提1，2, 毋豪盛1，2, 刘沱江1，2, 查舰6, 杨保国7
作者简介
金龙哲，吉林汪清人，博士，教授，博士生导师。现任北京科技大学终身教授，享受国务院政府特殊津贴专家，国家健康科普专家，国家安全生产专家，北京市教学名师，首届北京市安全（应急）生产领域学科带头人，“安全科学与工程”北京市高精尖学科首席教授。主要从事粉尘防治、应急管理与技术方面的教学与科研工作，主持国家重大专项课题、国家重点研发计划课题等纵、横向课题160余项。获得国家科学技术二等奖1项、国家教育部科学技术二等奖3项、安全生产科技进步奖等其他省部级特等奖1项、一等奖12项；作为主编或副主编出版教材和专著17部、参编专著和教材10余部；获得国家发明专利20余项；发表学术论文280余篇。担任《International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials》《煤矿安全》等杂志副主编；《工程科学学报》《中国安全科学学报》《金属矿山》《矿业科学学报》《安全》《黄金》《露天采矿技术》《煤》等期刊编委会委员。
林明磊(1997——),男,山东威海人,博士研究生,主要从事矿井粉尘防治方面的研究工作。E-mail:lmlei1997@ 163.com。
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摘要
在巷道内应用超细雾化降尘技术后可大幅提高降尘效率，但易使巷道能见度下降，造成安全隐患。针对这一问题，通过建立雾滴蒸发—弥散模型，研究了粒径、环境温度、相对湿度及风速对雾滴蒸发—弥散特性的影响规律。结果表明：随着雾滴粒径的减小，其完全蒸发时间缩短，且缩短速率逐渐增大，当雾滴粒径由200 μm减小至20 μm后，其完全蒸发时间由7.350 0 s缩短至0.001 9 s，缩短了99.97%；随着环境温度升高、相对湿度降低，雾滴蒸发速率增大，当温度由5 ℃升至30 ℃时，粒径20 μm的雾滴完全蒸发时间减少了80.0%，相对湿度达到80%后雾滴蒸发速率迅速减小；随着风速的增大，雾滴弥散距离增加，粒径小于20 μm的超细雾滴是弥散雾滴的主要组成部分。在井下煤巷实测了雾滴弥散特性，随着巷道距离的增加，雾滴平均粒径与体积、数量浓度均逐渐减小，当扩散距离达到45 m后迅速减小，大粒径雾滴逐渐沉降，小粒径雾滴在巷道内弥散；巷道截面中心位置是雾滴聚积的区域，是影响巷道能见度的关键位置。
主要内容
通过建立雾滴蒸发—弥散模型，对井下超细雾滴在不同环境下的蒸发—弥散规律进行理论计算，分析雾滴在不同粒径、环境温度、相对湿度、风速下的蒸发—弥散特性，并现场测定雾滴弥散规律。研究成果对井下消雾技术的研发及保障井下人员安全作业具有重要意义。
1. 实验材料与方法
1.1 雾滴蒸发—弥散模型建立
1.1.1 基本假设
1.1.2 雾滴蒸发—弥散模型
1.2 雾滴弥散特性现场测定方法
图 1 测点布置图
图 2 水敏纸数据处理过程
2. 结果与讨论
2.1 可靠性验证
1—接收板；2—体积测量系统；3—液滴注射系统；4—液滴；5—光源；6—湿度测量装置；7—信息传输系统；8—风速测量装置；9—温度测量装置；10—湿度控制系统；11—风速控制系统；12—温度控制系统。
图 3 雾滴蒸发特性实验系统图
图 4 理论模型与实测雾滴体积变化
2.2 初始粒径对雾滴蒸发特性的影响研究
图 5 雾滴蒸发特性与雾滴直径的关系
2.3 环境参数对雾滴蒸发特性的影响研究
2.3.1 环境温度对雾滴蒸发特性的影响
图 6 不同温度下雾滴粒径变化曲线
图 7 雾滴完全蒸发时间随温度变化曲线
2.3.2 相对湿度对雾滴蒸发特性的影响
图 8 雾滴完全蒸发时间随相对湿度变化曲线
2.3.3 风速对雾滴蒸发特性的影响
图 9 雾滴完全蒸发时间随风速变化曲线
2.4 雾滴弥散特性影响规律研究
图 10 雾滴受力变化曲线
图 11 雾滴速度与沉降距离变化曲线
图 12 雾滴弥散特性与粒径的关系
2.5 雾滴弥散特性现场试验研究
图 13 不同距离下超细雾滴雾化参数曲线
图 14 巷道喷雾开启前后对比图
图 15 雾源下风侧45 m截面雾滴雾化参数分布图
由图 15(a)、图 15(c)可知，巷道中心雾滴数量、体积浓度明显高于四周，总体在巷道中心位置雾滴数量最多。受巷道风流影响，巷道四周风速小，雾滴弥散距离近，部分雾滴在到达该截面前已沉降，使四周雾滴数量、体积浓度减小。由图 15(b)可知，随着高度的升高，雾滴粒径逐渐减小，同一高度下两侧雾滴粒径小于巷道中心处。受重力影响，粒径大的雾滴在弥散过程中逐渐沉降，而粒径小的雾滴在风流的扰动下沉降速度较慢，主要集中在巷道空间上部。因此，雾源下风侧45 m后雾滴主要集中在巷道中心位置。
3. 结论
1) 随着雾滴粒径的减小，其完全蒸发时间逐渐缩短，且缩短速率逐渐增大。在环境温度20 ℃、相对湿度40%、风速1 m/s的条件下，当雾滴粒径由200 μm减小至20 μm后，其完全蒸发时间由7.350 0 s缩短至0.001 9 s，缩短了99.97%，表明超细雾滴在巷道内蒸发时间极短。
2) 雾滴蒸发速率与环境温度呈正相关关系，与相对湿度呈负相关关系。当温度由5 ℃升高至30 ℃时，粒径为20 μm的雾滴完全蒸发时间减少了80.0%；大量超细雾快速蒸发，使巷道相对湿度升高，当相对湿度达到80%后雾滴蒸发速率迅速减小，抑制其他雾滴蒸发。
3) 随着雾滴粒径的减小，其弥散距离逐渐增大，当粒径小于20 μm时，其弥散距离迅速增大，在1 m/s风速下，粒径10 μm的雾滴可弥散556 m；粒径小于20 μm的雾滴是巷道中弥散雾滴的主要组成部分。
4) 随着巷道距离的增加，巷道内雾滴平均粒径与数量浓度、体积浓度均逐渐减小，当扩散距离达到45 m后迅速减小，大粒径雾滴逐渐沉降，小粒径雾滴在巷道内弥散；巷道截面中心雾滴体积浓度、数量浓度明显高于周围区域，是雾滴积聚的主要位置。
林明磊, 刘建国, 金龙哲, 吴雪冰, 周玉竹, 穆拉提· 居尔艾提, 毋豪盛, 刘沱江, 查舰, 杨保国. 巷道内超细雾滴蒸发—弥散特性与影响规律研究[J]. 矿业安全与环保, 2024, 51(6): 26-34.
LIN Minglei, LIU Jianguo, JIN Longzhe, WU Xuebing, ZHOU Yuzhu, MULATI · Jueraiti, WU Haosheng, LIU Tuojiang, ZHA Jian, YANG Baoguo. Study on evaporation-dispersion characteristic and influence rule of ultrafine fog droplet in roadway[J]. Mining Safety & Environmental Protection, 2024, 51(6): 26-34.
供稿：陈玉涛
审核：熊云威
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