Analysis of three-phase coupled dust reduction law of external spray in synthesized digging face
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摘要:
由于矿井掘进技术逐渐实现机械化、智能化，导致综掘面的粉尘污染问题愈发严重。为了研究综掘面外喷雾系统在不同排布方式下的降尘规律，基于气相（风流）‒固相（粉尘）‒液相（雾滴）三相耦合方法，对不同喷嘴排布方案下雾滴与粉尘扩散规律进行模拟分析。模拟结果表明：在不改变喷雾压力的前提下，随着喷嘴数量的增加，截割头周围的风流受雾滴的影响加剧，但巷道整体风流场结构受雾滴的影响较小。巷道压风侧雾滴在巷道顶板区域聚集，抽风侧因轴向和径向风流的碰撞作用而使雾滴集中在截割面区域与抽风口间，雾滴粒径在风幕区域明显减小；巷道截割面粉尘质量浓度分布受喷嘴布置方案影响较大，随着喷雾数量增加，巷道截割面顶部和压风侧区域的粉尘聚集现象逐渐减弱，雾滴对粉尘控制作用逐渐增强，巷道呼吸道高度粉尘质量浓度在6～8个喷嘴时粉尘污染情况得到有效控制；当喷嘴布置方案在6个喷嘴以下时，雾滴对截割面覆盖效果不足，粉尘控制效果较差，呼吸道高度雾滴质量浓度较小，当喷嘴布置方案达到6个喷嘴时，巷道呼吸道高度粉尘污染控制效果不足。当喷嘴排布方案为7个喷嘴时，巷道整体雾滴覆盖效果最佳，巷道抽风侧区域截割面最高粉尘质量浓度为38.5 mg/m3，沿程粉尘质量浓度均低于20.0 mg/m3，呼吸道高度粉尘质量浓度低于15.0 mg/m3，雾滴对巷道整体覆盖效果最佳，大幅的降低了巷道的粉尘污染，为综掘面外喷雾系统的优化设计提供理论依据。
Abstract:Due to the gradual realization of mechanization and intelligence in mine excavation technology, the problem of dust pollution in the comprehensive excavation face has become increasingly serious. In order to study the dust fall law of the spray system outside the excavation face under different arrangement methods, based on the three-phase coupling method of gas phase (air flow) – solid phase (dust) – liquid phase (droplets), the diffusion law of droplets and dust under different nozzle arrangement schemes was simulated and analyzed. The simulation results show that, without changing the spray pressure, as the number of nozzles increases, the air flow around the cutting head is intensified by the influence of droplets, but the overall air flow field structure of the roadway is less affected by droplets. On the compressed air side of the roadway, fog droplets accumulate in the roof area of the roadway. On the exhaust side, due to the collision effect of axial and radial air flows, the fog droplets are concentrated between the cutting face area of the tunneling working face and the exhaust outlet, and the droplet size significantly decreases in the air curtain area. The distribution of dust mass concentration on the roadway cutting surface is greatly influenced by the nozzle layout scheme. With the increase in the number of sprays, the dust accumulation phenomenon in the top and compressed air side areas of the roadway cutting surface gradually weakens, and the control effect of droplets on dust gradually strengthens. When the dust mass concentration at the height of the roadway airway is between 6 and 8 nozzles, the dust pollution situation is effectively controlled. When the nozzle layout scheme is less than 6 nozzles, the coverage effect of droplets on the cutting surface is insufficient, the dust control effect is poor, and the mass concentration of droplets at the height of the airway is small. When the nozzle layout scheme reaches 6 nozzles, the control effect of dust pollution at the height of the airway in the roadway is insufficient. When the nozzle arrangement scheme is 7 nozzles, the overall droplet coverage effect of the roadway is the best. The maximum dust mass concentration in the suction side area of the roadway cutting surface is 38.5 mg/m3. The dust mass concentration along the way is all lower than 20.0 mg/m3, and the dust mass concentration at the height of the airway is lower than 15.0 mg/m3. The fog droplets have the best overall coverage effect on the roadway, significantly reducing the dust pollution of the roadway and providing a theoretical basis for the optimal design of the external spray system in the comprehensive excavation face.
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Keywords:
- comprehensive excavation face /
- outside spray /
- dust pollution /
- spray dust /
- nozzle arrangement
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0. 引 言
随着煤炭需求量的持续增长，矿井采掘技术也迎来了显著进步，煤矿生产逐渐实现机械化、自动化及智能化，极大地提升了生产效率[1-3]。然而，采掘效率的提升也带来了新的问题，即工作面现场的粉尘污染问题日益凸显[4-5]。
喷雾方法由于经济高效、简便易行且降尘效果显著而被广泛应用，成为煤矿掘进工作面中研究最为广泛的降尘手段之一。该方法利用雾滴对粉尘的捕获作用，使粉尘颗粒大量沉降，有效地抑制粉尘的扩散，确保了井下作业环境的清洁与工人的职业健康。孙建华等[6]建立了全封闭试验管路，确定了超声雾化水作用时间对粉尘沉降速率的影响规律。王鹏飞等[7]基于自主搭建的气水喷雾降尘实验平台，分析了喷嘴出口直径对喷嘴流量、雾化特性及其降尘效果的影响规律。刘红英[8]采用雾化超重力除尘和荷电技术建立了荷电‒雾化超重力除尘试验平台，探究了该平台各参数对细颗粒物的去除效率。王庆国[9]研发了双级射流汽蚀添加装置，提出了泡沫‒水雾两用降尘喷嘴，并改进了喷雾‒泡沫一体化降尘技术。王晋[10]基于高压细水雾喷雾降尘试验系统，对不同结构参数的喷嘴雾化特征进行了对比研究。
数值模拟因其操作简便、后处理方法多样及技术成本低廉等优点，近年来在喷雾降尘研究方面已经成为了重要手段。MUDDAPUR等[11]利用Fluent研究了雾滴碰撞对喷嘴雾化场的影响，结果表明，在环境压力较高的情况下，雾场范围及穿透力较低。韩寒等[12]模拟了供水压力条件对喷嘴内外流场的影响规律，并在自行研制的喷雾降尘系统中对喷嘴的雾化特性进行了实验研究，随着供水压力的增大，降尘效率呈现先增后减的趋势。许长炜等[13]基于数值模拟分析了3种不同孔径的旋流喷嘴在不同喷雾压力下的雾场特征，结果表明，雾滴粒径与喷雾压力呈幂指数关系，且喷雾压力为8 MPa时，雾化效果达到最佳。王亚朋等[14]对不同喷嘴布置方案下的粉尘控制效果进行了模拟研究，并在现场验证了最佳布置方案的除尘效率；彭慧天等[15]研发了一种巷道全断面雾幕装置，并通过数值模拟进行了喷嘴的优选，经现场验证，该装置能有效沉降和控制巷道气流中的PM2.5；周刚等[16]对巷道中岩尘及煤尘耦合污染情况进行了数值模拟研究，并基于模拟结果研发了云雾除尘方法，该方法在各测点处的除尘效率均超过75%。
目前，国内外学者们在喷嘴雾化降尘机制的研究中已取得了一定成果，但针对综掘面风流、喷雾雾滴、粉尘三相之间相互作用的研究较少，且当前实验研究主要在实验室环境下开展，难以全面考虑实际复杂现场中的风流扰动因素，进而导致喷雾降尘相关理论指导性不强。此外，现有的喷雾仿真研究主要局限于厘米级别喷射范围，且关于粉尘和喷雾之间相互作用的尘雾耦合模型仿真研究较少。因此，笔者基于在米级尺度下建立的大尺度尘雾耦合模型，对不同喷嘴布置方案的控除尘效果的变化规律进行探究，分析不同喷雾方案下巷道内气相（风流）‒固相（粉尘）‒液相（雾滴）三相耦合运移扩散规律。
1. 喷雾降尘多场耦合数学模型
1.1 风流运移模型
当马赫数低于0.3时，可将空气视为不可压缩流体，综掘工作面中的风流运移过程可视为不可压缩流体的湍流流动[17-18]。而Realizable k-ε模型在描述复杂流场时的准确度已被广泛验证，在各种流动的模拟中都具有广泛的应用，如旋转均匀剪切流、自由流动、通道和边界层流以及分离流。因此笔者使用Realizable k-ε模型来描述工作面的风流运动情况[19-20]。
双方程湍流模型通过求解2个相互独立的输运方程来确定湍流长度和时间尺度，Realizable k-ε模型是基于湍流动能k和耗散率ε的输运方程模型，该模型的输运方程[21-23]为
$$ \begin{gathered} \frac{\partial }{{\partial t}}\left( {\rho k} \right) + \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( {\rho k{u_j}} \right) = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[ {\left( {\mu + \frac{{{\mu _{\rm t}}}}{{{\sigma _{\rm k}}}}} \right)\frac{{\partial k}}{{\partial {x_j}}}} \right] + \\ {G_{\rm k}} + {G_{\rm b}} - \rho \varepsilon - {Y_{\mathrm{M}}} + {S_{\rm k}} \end{gathered} $$ (1) $$ \begin{gathered} \frac{\partial }{{\partial t}}\left( {\rho \varepsilon } \right) + \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( {\rho \varepsilon {u_j}} \right) = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[ {\left( {\mu + \frac{{{\mu _{\rm t}}}}{{{\sigma _{\text{ε}} }}}} \right)\frac{{\partial \varepsilon }}{{\partial {x_j}}}} \right] + \rho {C_1}S_{\text{ε}} - \\ \rho {{\mathrm{C}}_2}\frac{{{\varepsilon ^2}}}{{k + \sqrt {v\varepsilon } }} + {{\mathrm{C}}_{1{\text{ε}} }}\frac{\varepsilon }{k}{{\mathrm{C}}_{3{\text{ε}} }}{G_{\rm b}} + {S_{\text{ε}} } \end{gathered} $$ (2) $$ {C_1} = \max \left[ {0.43,\frac{\eta }{{\eta + 5}}} \right],\eta = S\frac{k}{\varepsilon },S = \sqrt {2{S_{ij}}{S_{ij}}} $$ (3) 式中：ρ为流体密度；v为速度；xj为空间坐标的第j个分量；$ G_{\mathrm{k}} $为由于平均速度梯度而产生的湍流动能；$ G_{\mathrm{b}} $为浮力作用下产生的湍流动能；$ Y_{\mathrm{M}} $为可压缩湍流中波动膨胀对总耗散率的贡献；uj为j方向的湍流速度；$ {\mu _{\rm t}} $为湍流黏性系数；$ \eta $为湍流与平均流动的相互作用强度；$ {{\mathrm{C}}_2} $、$ {{\mathrm{C}}_{1{\text{ε}} }} $和$ {{\mathrm{C}}_{3{\text{ε}}}} $均为经验常数；$ {\sigma _{\rm k}} $、$ {\sigma _{\text{ε}} } $分别为k和ε的湍流普朗特数；$ {S_{\rm k}} $、$ {S_{\text{ε}} } $为自定义源项；Sij为应变速率张量；S为应变率张量的模，表示变形总强度。
1.2 颗粒受力模型
为描述颗粒在工作面中的扩散情况，使用DPM（Discrete Phase Model）模型对颗粒运动进行模拟[24-25]。该模型通过积分粒子上的力来预测离散相颗粒的轨迹，并将其写入拉格朗日参考系中，这个力等于颗粒惯量和作用在粒子上的力：
$$ {m_{\mathrm{p}}}\frac{{{\mathrm{d}}{{\vec u}_{\mathrm{p}}}}}{{{\mathrm{d}}{t_{\mathrm{p}}}}} = G + {F_{\mathrm{f}}} + {F_{\mathrm{p}}} + {F_{\mathrm{d}}} + {F_{\mathrm{M}}} + {F_{{\mathrm{Vm}}}} $$ (4) $$ {F_{\mathrm{p}}} = {m_{\mathrm{p}}}\frac{{\vec {\boldsymbol{u}} - {{\vec {\boldsymbol{u}}}_{\mathrm{p}}}}}{{{\tau _{\mathrm{r}}}}} $$ (5) 式中：$ {m_{\mathrm{p}}} $为颗粒质量；$ \vec {\boldsymbol{u}} $为空气瞬时速度；$ {\vec {\boldsymbol{u}}_{\mathrm{p}}} $为颗粒速度；$ {t_{\mathrm{p}}} $为颗粒运动时间；$ G $为重力；$ {F_{\mathrm{f}}} $为浮力；$ {F_{\mathrm{p}}} $为曳力；$ {F_{\mathrm{d}}} $为压力梯度力；$ {F_{\mathrm{M}}} $为Magnus升力；$ {F_{{\mathrm{Vm}}}} $为虚假质量力；$ {\tau _{\mathrm{r}}} $为雾滴粒子的松弛时间，计算方法[26]为
$$ {\tau _{\mathrm{r}}} = \frac{{{\rho _{\mathrm{p}}}d_{\mathrm{p}}^2}}{{18\mu }}\frac{{24}}{{{C_{\mathrm{d}}}Re}} $$ (6) 式中：$ d_{\mathrm{p}}^{} $为颗粒直径；$ {\rho _{\mathrm{p}}} $为颗粒密度；$ {C_{\mathrm{d}}} $为曳力系数；$ \mu $为气体的黏度系数；$ Re $为相对雷诺数：
$$ Re = \frac{{\rho {d_{\mathrm{p}}}\left| {{{\vec {\boldsymbol{u}}}_{\mathrm{p}}} - \vec {\boldsymbol{u}}} \right|}}{\mu } $$ (7) 1.3 尘雾耦合模型
雾滴对粉尘的捕获作用主要通过惯性碰撞、拦截作用实现，因此选用一种靶向效率来综合体现雾滴对粉尘的捕获作用。MOHEBBI等[27]开发了一种基于欧拉/拉格朗日法的数学模型，获取了雾滴通过惯性碰撞捕获粉尘的靶向效率：
$$ {\eta _{\mathrm{t}}} = {\left(\frac{{{\psi _{\mathrm{c}}}}}{{{\psi _{\mathrm{c}}} + 0.7}}\right)^r} $$ (8) 式中：$ {\eta _{\mathrm{t}}} $为单雾滴捕获效率；$ {\psi _{\mathrm{c}}} $为惯性撞击参数；$ r = 0.759{\psi _{\mathrm{c}}} - 0.245 $，$ {\psi _{\mathrm{c}}} $由式（9）获得：
$$ {\psi '_{\mathrm{c}}} = \frac{{{\rho _{\mathrm{s}}}d_{\mathrm{s}}^2\left| {\vec {\boldsymbol{u}} - \vec {\boldsymbol{u}}_{\mathrm{i}}^{\mathrm{d}}} \right|}}{{18\mu {d_{\mathrm{d}}}}} $$ (9) 式中：$ {\rho _{\mathrm{s}}} $为粉尘密度；$ d_{\mathrm{s}}^{} $为粉尘粒径；$ {d_{\mathrm{d}}} $为雾滴粒径；$ \vec{u}_{\mathrm{i}}^{\mathrm{d}} $为雾滴速度。该方法假设雾滴与粉尘位于同一网格中将发生碰撞，雾滴的靶向效率由式（10）获得：
$$ {N_{{\mathrm{cap}}}} = {\eta _{\mathrm{t}}}\frac{1}{4}\pi d_{{\mathrm{def}}}^2\left| {\vec {\boldsymbol{u}}_{\mathrm{i}}^{\mathrm{s}} - \vec {\boldsymbol{u}}_{\mathrm{i}}^{\mathrm{d}}} \right|\frac{{{N_{\mathrm{s}}}{N_{\mathrm{d}}}}}{{dV}} $$ (10) 式中：$ {N_{{\mathrm{cap}}}} $为雾滴捕获粉尘颗粒数；$ d_{{\mathrm{def}}}^{} $为因空气动力而变形的雾滴粒径；$ \vec {\boldsymbol{u}}_{\mathrm{i}}^{\mathrm{s}} $为粉尘速度；$ {N_{\mathrm{s}}} $为1个粉尘群所包含的颗粒数；$ {N_{\mathrm{d}}} $为1个雾滴群所包含的颗粒数；$ dV $为网格体积。
2. 物理模型及边界条件
2.1 几何模型
以某煤矿综掘面为研究对象，该工作面长40.0 m×宽4.6 m×高3.8 m，使用EBZ–260型掘进机进行巷道掘进作业。同时，巷道内还配备了转载机、带式输送机和除尘风机等设备。为控制巷道粉尘污染，巷道通风采用模块化分风方法，模块化分风方法是井下使用的一种风幕降尘方法，利用模块化风筒等比例替代传统压风筒。每段模块化风筒主体均设有1个径向压风口，每段风筒前后接口处设有钢圈进行衔接。为保证掘进工作面区域新鲜风流的风量与风速，模块化风筒在使用时仅开启轴向压风口与前端2个径向压风口，同时在轴向压风口设置金属丝筛网以调整径向与轴向压风口风量，其余压风口使用密闭盖封闭[27‒28]，压风筒和抽风筒与截割面的距离分别为9.0和5.0 m。本次综掘面掘进机降尘喷雾选用的是旋流芯喷嘴，总长为24.2 mm，入口直径为6.7 mm，出口直径为1.6 mm，喷嘴旋流室长度为13.2 mm，旋流室孔径为5.0 mm，旋流芯长度约为5.7 mm，旋芯角为34°。为分析不同喷嘴布置方案对工作面粉尘控制效果的影响规律，设置了6个布置方案，喷雾压力为5 MPa，具体如图1所示。
2.2 网格划分
使用ICEM CFD对物理模型进行网格划分，模型全局网格参数设置为0.3。为保证模拟结果的准确性，共划分3种不同数量网格（低、中、高），每种网格模型的网格数量分别为3 257 980、4 073 704、5 296 406，3组网格的最低质量均超过0.29。由于巷道悬浮颗粒粒径较小，其在巷道中的扩散情况主要受风流场影响，因此，选取巷道风速值作为网格独立性验证标准。在巷道抽风侧1.5 m高度自截割面至巷道出口均匀设置了80个测点，获得各测点风速值如图2所示。
从图2可知，高、中、低3组不同密度的网格在巷道中的风速分布趋势较为一致，然而低密度与中密度网格的模拟结果均与高密度网格存在一定的相对误差，尤其是低密度网格，其风速值相对中密度网格，波动较大。在距离截割面2.5 m处，低密度网格的相对误差达到了31.9%，对模拟结果影响较大，易造成后续模拟结果出现较大误差。而中密度网格与高密度网格的风速曲线更为接近，最高相对误差为14.6%，模拟精度符合要求。考虑到网格数量的增加会导致数值模拟的成本大幅上升，因此选用中密度网格进行数值模拟[29-30]。
2.3 模型准确性验证
为验证所构建模型模拟结果的准确性，使用TSI‒9545型数字风速仪和CCZ20(A)型粉尘采样器对工作面现场的风流及粉尘数据进行测量，并与模拟数据进行对比，选定测量高度为1.5 m的呼吸道高度。现场测量过程中，自截割面每隔2.0 m设置1个测点，共布置19个测点。为降低现场各种因素对测量结果的干扰，各测点的风速与粉尘质量浓度数据均进行3次独立测量后取平均值，获得数据对比如图3所示。
根据图3可得，在风流运移及粉尘扩散过程中，模拟值和实测值呈现趋势基本一致。对于巷道风流场，在距离截割面2.0 m处，相对误差达到最大值14.42%，而平均相对误差为7.01%；对于巷道粉尘场，相对误差在距离截割面12.0 m处达到最大值19.0%，平均相对误差为10.89%。由于现场人员活动、设备状态及截割面截割位置均可能对现场测量结果产生干扰。因此，可认为模型准确性符合要求。
2.4 边界条件设定
根据煤矿现场实际，压风量和抽风量分别为475 m3/min和320 m3/min，因此在模拟中将风筒压风口、除尘风机抽风口及清洁风流出口设置为Velocity Inlet，并将风速分别设定为15.75、‒10.60和10.60 m/s。此外，由于模块化分风方法中，仅开启轴向压风口与前段两径向压风口，因此将风筒轴向压风口设置为Porous-jump，前端两径向压风口设置为interior，其余径向压风口均设置为Wall。雾滴黏度设置为1.0×10‒3 kg/(m·s)，使用KH-RT破碎模型模拟雾滴破碎。掘进机截割头设置为Dust Source。巷道出口设置为Pressure Outlet，其余壁面设置为Wall。空气密度设置为1.225 kg/m3，粘度设置为1.79×10‒5 kg/(m·s)，环境温度为300 K，时间步长设置为0.02，综掘工作面具体边界条件参数见表1。
表 1 边界条件设置Table 1. Boundary condition settings名字 类型 属性/值 湍流模型 k-ε Realizable 近壁处理 Standard Wall Function 空气 密度 1.225/(kg·m‒3) 粘度 1.79×10‒5/(Pa·s) 风流 压风口 15.75/(m·s‒1) 抽风口 ‒10.60/(m·s‒1) 粉尘颗粒 最小直径 1.0×10‒6 m 最大直径 8.4×10‒5 m 平均直径 1.21×10‒5 m 雾滴 破碎模型 KH-RT 粘度 1.0×10‒3/(kg·(m·s)−1) 3. 综掘面尘雾耦合结果分析
3.1 巷道风流运移规律
3.1.1 截割面区域风流运移规律
由于粉尘与雾滴粒径较小，在巷道中的扩散分布情况主要受巷道风流场结构影响。在不同喷嘴布置方案中，因喷嘴数量差异，雾滴对截割面区域的风流扰动情况存在区别，考虑到雾滴对风流的扰动作用主要集中在截割面区域，因此选取距离截割面0.5 m处截面，对比分析各喷嘴布置方案的风流运移情况，如图4所示。
根据图4可知，压风筒轴向风流自风筒射出后与截割面发生碰撞，进而在截割面区域自压风侧向抽风侧扩散。当风流运移至抽风侧侧壁及巷道底板时，风流与壁面发生二次碰撞，其运移方向发生改变，并向巷道后方区域运移。同时，由于掘进机外喷雾喷嘴指向截割面，雾滴扩散方向也相应地指向截割面，且在5 MPa喷雾压力下，雾滴初始速度较高，导致截割头周围区域风流受雾滴影响而改变原运移方向，向截割面运移。
布置3个喷嘴时，受喷嘴数量限制，掘进机外喷雾系统形成的雾滴颗粒数较少，对截割面区域风流扰动作用不显著，仅改变了截割头附近约0.25 m区域内的风流方向。随着喷嘴数量的增加，喷嘴喷射雾滴颗粒数逐渐增加，掘进机外喷雾系统所形成的雾滴质量上升，动能增大，因此雾滴对截割面区域风流扰动效果逐渐增强，6个喷嘴时，雾滴影响范围扩大至0.47 m。
3.1.2 沿程风流场运移规律
为进一步分析喷嘴布置方案对巷道风流场结构的影响，分别测取各喷嘴布置方案下巷道抽风侧1.0、2.0、3.0 m高度风速，如图5所示。
根据图5可知，巷道抽风侧风速在0～14.0 m区域内基本呈现逐渐降低的趋势，且风速值与高度成正比。而在前径向出风口附近，巷道不同高度风速均出现明显增长，并随后降低至1.0 m/s左右。在2个径向出风口风流所形成的螺旋风幕区域，2.0和3.0 m高度风速均出现不同程度的上升。在后径向出风口处，由于压风筒距离地面3.05 m，使得3.0 m高度风速在此处出现二次增长，且后径向出风口风量低于前径向出风口，使得1.0 及2.0 m高度风速未出现明显变化。
对比不同喷嘴方案下巷道风速分布可以发现，1.0 m高度风速受喷嘴布置方案影响较小，而2.0 和3.0 m高度风速在3个喷嘴方案下，距离截割面20.0 m处较高，其风速值分别达到1.66和2.04 m/s。而8个喷嘴时，距离截割面5.5 m处其风速值达到3.21和4.16 m/s。但对比巷道沿程风速可知，由于雾滴平均粒径低于100 μm，其动能较小，对巷道风流运移情况干扰效果较弱，因此对巷道整体风流场结构影响不显著。
3.2 雾滴分布规律分析
3.2.1 雾滴质量浓度分布规律
在相同喷雾压力条件下，不同喷嘴布置方案下喷嘴数量不同，喷嘴所产生的雾滴颗粒数存在明显差异，因而对巷道中雾滴场产生较大影响。为对比不同喷嘴布置方案下巷道雾滴扩散情况，需对巷道整体雾滴质量浓度分布情况进行分析，获得结果如图6所示。
由图6可知，由于2个径向出风口间形成了指向截割面的螺旋风幕，大部分雾滴被阻隔在截割面与前径向出风口间。并且，由于前径向出风口风流在运移至抽风侧侧壁发生碰撞后，部分风流向截割面方向运移，与轴向出风口风流在除尘风机抽风口处发生碰撞，使得抽风侧雾滴主要集中在截割面与抽风口间。随着喷嘴数量的增加，少量雾滴扩散至两出风口间。而压风侧雾滴受到压风侧风流在距离截割面11.0 m处出现的向上运移趋势影响，随风流向巷道顶板运移，并对顶板产生冲击作用，使得雾滴在顶板处聚集，雾滴质量浓度升高。随着喷嘴数量上升，该区域雾滴聚集作用增强，雾滴质量浓度逐渐由8.6×103 mg/m3增加为1.6×104 mg/m3，对粉尘控制作用上升。
3.2.2 截割面雾滴覆盖规律
由于雾滴自喷嘴射出后，扩散方向指向截割面，与截割面发生碰撞。并且雾滴可以对截割面待截割煤体进行表面润湿，降低截割作业时产尘量，因此雾滴对截割面形成覆盖可有效降低巷道粉尘污染情况。但喷嘴布置方案的改变导致雾滴颗粒数存在显著区别，因此，分别测取不同喷嘴方案下截割面雾滴质量浓度云图，如图7所示。
从图7可以看出，由于轴向出风口风流在截割面区域，自压风侧向抽风侧运移，使得喷嘴射流液柱破碎形成的雾滴受到水平方向上的曳力，其扩散方向发生偏移，大量雾滴被裹挟至抽风侧，对压风侧截割面覆盖效果较弱。在喷嘴布置方案少于5喷嘴时，雾滴对截割面区域覆盖面积较小，3个喷嘴时雾滴覆盖高度和宽度仅为2.43和2.42 m，且截割头处雾滴质量浓度较低，4个喷嘴时截割头处雾滴质量浓度为3.1×104 mg/m3。此时喷嘴数量较少，掘进机外喷雾系统产生的雾滴颗粒数低，雾滴较易受风流影响，随风流向巷道后方扩散。随着喷嘴布置方案增加至5个喷嘴时，雾滴对截割面覆盖高度增加了22.89%，达到3.49 m。并且喷嘴数量增加至5个后继续增加喷嘴数量对雾滴场的覆盖高度不会造成显著影响，雾滴覆盖区域高度基本稳定在3.4 m左右。但此时截割头附近压风侧区域雾滴覆盖范围逐渐变大，对压风侧区域覆盖的效果显著增强。
3.2.3 雾滴粒径分布规律
将40.0 m巷道分割为长为5.0 m的区间0～5.0、5.0～10.0、10.0～15.0、15.0～20.0、20.0～25.0、25.0～30.0、30.0～35.0及35.0～40.0 m共8段，由于掘进机外喷雾系统距离截割面1.9 m，该区域内存在大量未充分破碎液滴，会对统计数据产生较大影响，因此将0～5.0 m区间调整为2.0～5.0 m，获得数据如图8所示。
由图8可知，在相同喷嘴布置方案下，2.0～15.0 m区域内，雾滴平均粒径D32随与截割面距离的增加而降低，但在4个喷嘴和8个喷嘴时，5.0～10.0 m区域和10.0～15.0 m区域雾滴粒径降幅较小。而由于螺旋风幕对雾滴产生的阻挡作用较为显著，使得D32在15.0～20.0 m区间出现明显降低，最高降幅在3个喷嘴时达到36.1%。同时，雾滴粒径与所受重力成正比，使得大粒径雾滴在扩散至螺旋风幕时，受到风流曳力和重力的综合影响而沉降，15.0～40.0 m区域仅有小粒径雾滴悬浮在空气中，且小粒径雾滴所受重力小，更难沉降，使得15.0～40.0 m区域雾滴降幅较小。
3.2.4 呼吸道高度雾滴质量浓度分布规律
由于呼吸性粉尘的粒径低于7.07 μm，小粒径粉尘更易悬浮在空气中，而1.5 m呼吸道高度粉尘被人体吸入概率较高，为对比不同喷嘴布置方案对呼吸道高度粉尘的控制效果，需要进一步获取不同喷嘴布置方案的呼吸道高度沿程雾滴质量浓度的分布情况。因此，分别在巷道两侧各设置一条测线，每条测线长40.0 m用以测取不同喷嘴布置方案下巷道两侧沿程雾滴质量浓度，结果如图9和图10所示。
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图 9 压风侧呼吸道高度雾滴分布Figure 9. Distribution of height droplets in respiratory tract on compressed air side![]()
图 10 抽风侧呼吸道高度雾滴分布Figure 10. Distribution of height droplets in respiratory tract on suction side从图9和图10可以看出，由于雾滴在扩散过程中，会受重力影响而逐渐沉降，使得压风侧雾滴质量浓度在0～7.5 m区域内，呈现随距离增加而降低的趋势，其最高质量浓度基本随喷嘴数量的增加而升高，但7个喷嘴时，沿程雾滴最高质量浓度高于其余喷嘴布置方案，达到4.3×104 mg/m3。由于压风侧风流在10.0 m位置处受到螺旋风幕影响，具有向上运移的趋势，使得该区域1.5 m以下高度的雾滴随之向上扩散，导致呼吸道高度雾滴质量浓度出现明显增加，此时雾滴质量浓度峰值在布置7个喷嘴时最高，达到2.9×104 mg/m3。同时，由于螺旋风幕的阻隔作用，使得螺旋风幕区域内雾滴质量浓度降低至1.5×103 mg/m3以下。
抽风侧沿程雾滴质量浓度在布置7和8个喷嘴时显著高于其他喷嘴布置方案，最高达到7.7×104 mg/m3，而其余方案下雾滴最高质量浓度不超过4.0×104 mg/m3。随着雾滴扩散至除尘风机抽风口区域时，轴向出风口风流与径向出风口风流发生碰撞，雾滴被限制在截割面与抽风口间，且由于抽风口存在负压作用，大量雾滴被抽离工作面，使得该区域雾滴质量浓度出现显著降低，对巷道后方区域粉尘控制效果较弱。
3.3 粉尘扩散规律分析
3.3.1 截割面粉尘质量浓度分布规律
掘进机截割作业是利用截割头截齿对截割面煤体施加压力，使煤体完成粉碎，在这个过程中，煤体的破碎会产生大量的粉尘，而这些粉尘在截割头的高速旋转过程中，向巷道后方扩散，造成粉尘污染。掘进机外喷雾系统可以对截割面进行预先润湿，并对截割头作业区域形成阻尘雾幕，降低截割作业过程中产生的粉尘量。而不同喷嘴布置方案下，雾滴扩散规律不同，对粉尘阻控效果不同，因此，分别提取不同喷嘴布置方案下截割面粉尘质量浓度云图进行分析，如图11所示。
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图 11 截割面粉尘质量浓度分布Figure 11. Distribution of dust mass concentration on cutting surface如图11所示，由于喷嘴射流形成雾滴受喷嘴数量影响，当布置方案为3个喷嘴时，颗粒数较小，雾滴对截割面覆盖效果不佳，巷道顶部及压风侧区域出现粉尘聚集现象，最高粉尘质量浓度达到11.2 mg/m3。在4个喷嘴时，雾滴对截割头区域形成的雾幕阻隔作用增强，且雾滴颗粒数上升，使得截割面顶部区域粉尘污染受到明显抑制，压风侧区域粉尘质量浓度降低至6.6 mg/m3以下，但截割头附近区域风流受雾场扰动，形成规模较小的涡流场，粉尘在此区域聚集，质量浓度上升。随着喷嘴布置方案增加至7个喷嘴时，雾滴对粉尘控制作用增强，截割面粉尘污染程度逐渐降低，20.0 mg/m3以上粉尘质量浓度区域逐渐减少。但在8个喷嘴时，抽风侧区域粉尘质量浓度由38.5 mg/m3增加至60.8 mg/m3，粉尘控制效果下降。
3.3.2 粉尘质量浓度分布规律
不同喷嘴布置方案下，雾滴对巷道风流场影响效果不一致，而粉尘由于粒径较小，受巷道风流运移情况影响较大，喷嘴布置方案对巷道粉尘场存在干扰。因此，分别提取各喷嘴布置方案下巷道沿程粉尘质量浓度，并且，为减少粉尘数据波动性，将巷道划分为各5.0 m长区域，对其取粉尘质量浓度平均值，如图12所示。
由图12可知，由于螺旋风幕的显著阻隔作用，掘进机截割作业产生粉尘被限制在0～15.0 m区域内，巷道各高度沿程粉尘质量浓度均呈现随距离的增加而升高的整体趋势，且1.0 m高度粉尘质量浓度较高。但在3个喷嘴时，距离截割面10.0～15.0 m区域内2.0 m高度粉尘质量浓度达到37.2 mg/m3，明显高于1.0 m高度。而在螺旋风幕尾部区域，由于后径向出风口风流风速较高，使得巷道中悬浮粉尘随风流向巷道上部区域扩散，导致2.0 m以上高度区域粉尘质量浓度上升。对比不同喷嘴布置方案下的沿程最高粉尘质量浓度可以发现，随着喷嘴数量的增加，粉尘质量浓度峰值逐渐降低，且在7个喷嘴时达到最小值，此时巷道沿程粉尘质量浓度低于20.0 mg/m3，对巷道整体粉尘污染情况控制效果最优。
3.3.3 呼吸道高度粉尘质量浓度分布规律
由于呼吸道高度区域的悬浮粉尘更易被矿工吸入并沉积于其肺部。因此，针对巷道中1.5 m高度处的巷道沿程粉尘质量浓度进行进一步分析，分别测取巷道两侧1.5 m呼吸道高度下的沿程粉尘质量浓度，获得数据如图13所示。
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图 13 呼吸道高度粉尘质量浓度分布Figure 13. Distribution of high dust mass concentration in respiratory tract根据图13可知，抽风侧呼吸道高度粉尘主要聚集在距离截割面10～25.0 m区域内，但各喷嘴布置方案下其最高粉尘质量浓度均低于25.0 mg/m3，且超过10.0 mg/m3以上区域最高占比为11.4%。随着喷嘴数量的增加，其粉尘质量浓度最高值先降低再升高，并在7个喷嘴时达到最小值，此时巷道压风侧沿程粉尘质量浓度均低于9.0 mg/m3，对粉尘控制效果较优。
巷道抽风侧区域粉尘受螺旋风幕影响较为显著，粉尘主要聚集在距离截割面10.0～14.0 m区域，其最高质量浓度为26.8 mg/m3，并且其粉尘质量浓度最大值随喷嘴数量逐渐降低，在5个喷嘴时，巷道沿程粉尘质量浓度低于20.0 mg/m3。随着喷嘴数量的进一步增加，抽风侧粉尘质量浓度均低于15.0 mg/m3，6～8个喷嘴时呼吸道高度整体粉尘质量浓度分布未出现明显降低，巷道呼吸道高度区域的粉尘污染情况受到明显控制。
3.4 现场效果验证
为得到现场条件下旋流喷嘴雾化降尘效果，将旋流喷嘴安装在综掘机外喷雾系统，如图14所示。使用CCZ20(A)型矿用粉尘采样器对现场不同喷嘴布置方案下综掘机司机处和距离截割面20.0 m处呼吸道高度的粉尘质量浓度进行采样。
粉尘采样使用滤膜取样法，粉尘采样器放置为1.5 m呼吸带高度进行采样，单次采样时间为5 min，采样流量为20.0 L/min，各测点均进行2次粉尘采样，对采样结果取平均值，获得结果如图15所示。
结果表明，未使用综掘机外喷雾系统时，综掘机司机处粉尘质量浓度达到277.7 mg/m3，距离截割面20.0 m处粉尘质量浓度为24.5 mg/m3。在开启喷雾后，掘进机司机处降尘效率随喷嘴数量的增加呈现先增后减的趋势，在喷嘴排布方案超过5个喷嘴时，降尘效率超过90.0%，并在7个喷嘴时达到最大降尘效率93.5%。而距离截割面20.0 m处降尘效率与喷嘴数量呈正相关关系，当喷嘴排布方案达到6个喷嘴时，降尘效率超过80.0%，且8个喷嘴时降尘效率达到89.29%。现场应用效果与数值模拟所得数据基本吻合。
4. 结 论
基于CFD仿真法建立了综掘工作面喷雾降尘三相耦合模型，研究了模块化分风技术下的风流‒粉尘‒雾滴耦合扩散规律，经现场实测和模拟结果对比验证，模拟结果相对误差分别低于14.42%和19.0%，模拟结果获得的结论如下：
1）巷道雾滴受到螺旋风幕的显著影响，主要聚集在前径向压风口与截割面间区域。在距离截割面11.0 m处顶板区域，压风侧雾滴聚集。抽风侧雾滴则因轴向和径向风流的碰撞作用，集中于截割面与抽风口之间。在6个喷嘴以上时，截割面雾滴覆盖效果最佳。在风幕区域内，巷道雾滴平均粒径D32明显降低，但各喷嘴布置方案下D32的差异较小。在7和8个喷嘴时，呼吸道高度的雾滴质量浓度较其他方案有所提升，对粉尘污染抑制效果更强。
2）巷道截割面粉尘质量浓度分布受喷嘴布置方案影响较大。随着喷嘴数量的增加，巷道截割面顶部及压风侧区域的粉尘聚集现象减弱，雾滴对粉尘控制作用增强。而巷道整体粉尘受螺旋风幕阻隔效应的影响较为明显，而在螺旋风幕末端区域，粉尘受风流影响向上扩散，导致2.0 m以上高度巷道空间的粉尘污染加剧。喷嘴数量的增加使巷道沿程粉尘质量浓度峰值逐渐降低，且在7个喷嘴时，粉尘质量浓度低于20.0 mg/m3。巷道呼吸道高度粉尘质量浓度在6～8个喷嘴时粉尘污染情况得到有效控制。
3）喷嘴布置方案在6个喷嘴以下时，雾滴对截割面覆盖效果不足，粉尘控制效果较差，呼吸道高度雾滴质量浓度较小，粉尘质量浓度可达26.8 mg/m3。当喷嘴布置方案达到6个喷嘴时，截割面雾滴覆盖高度达到3.37 m，但巷道呼吸道高度粉尘污染控制效果不足。当喷嘴排布方案为7个喷嘴时，巷道整体雾滴覆盖效果最佳，抽风侧区域截割面粉尘质量浓度最高为38.5 mg/m3，1.0、2.0及3.0 m高度沿程粉尘质量浓度均低于20.0 mg/m3，巷道两侧呼吸道高度粉尘质量浓度均低于15.0 mg/m3，大幅降低了作业空间内的粉尘污染，为作业人员的职业健康提供了保障。
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图 9 压风侧呼吸道高度雾滴分布
Figure 9. Distribution of height droplets in respiratory tract on compressed air side
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图 10 抽风侧呼吸道高度雾滴分布
Figure 10. Distribution of height droplets in respiratory tract on suction side
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图 11 截割面粉尘质量浓度分布
Figure 11. Distribution of dust mass concentration on cutting surface
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图 13 呼吸道高度粉尘质量浓度分布
Figure 13. Distribution of high dust mass concentration in respiratory tract
表 1 边界条件设置
Table 1 Boundary condition settings
名字 类型 属性/值 湍流模型 k-ε Realizable 近壁处理 Standard Wall Function 空气 密度 1.225/(kg·m‒3) 粘度 1.79×10‒5/(Pa·s) 风流 压风口 15.75/(m·s‒1) 抽风口 ‒10.60/(m·s‒1) 粉尘颗粒 最小直径 1.0×10‒6 m 最大直径 8.4×10‒5 m 平均直径 1.21×10‒5 m 雾滴 破碎模型 KH-RT 粘度 1.0×10‒3/(kg·(m·s)−1) 
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[1] 王云霄. 煤矿井下采煤机智能降尘控制系统研究[J]. 能源与节能,2021(2):134−135. WANG Yunxiao. Study on intelligent dust control system of underground shearer in coal mine[J]. Energy and Energy Conservation,2021(2):134−135.
[2] 石盼. 综掘工作面智能化综合防尘系统的应用[J]. 江西煤炭科技,2019(2):16−18. SHI Pan. Application of intellectualized comprehensive dust prevention system in heading face[J]. Jiangxi Coal Science & Technology,2019(2):16−18.
[3] 张荣刚. 智能综采工作面综合降尘技术与应用研究[J]. 煤炭工程,2021,53(S1):50−53. ZHANG Ronggang. Comprehensive dust suppression in intelligent fully mechanized mining face[J]. Coal Engineering,2021,53(S1):50−53.
[4] 于海明,叶宇希,程卫民,等. 高瓦斯煤矿模块化分风控尘方法及其排瓦斯规律分析[J]. 煤炭学报,2024,49(S2):970−980. YU Haiming,YE Yuxi,CHENG Weimin,et al. Modular dust control method and gas discharge law analysis in high gas coal mine[J]. Journal of China Coal Society,2024,49(S2):970−980.
[5] 李德文,隋金君,刘国庆,等. 中国煤矿粉尘危害防治技术现状及发展方向[J]. 矿业安全与环保,2019,46(6):1−7,13. LI Dewen,SUI Jinjun,LIU Guoqing,et al. Technical status and development direction of coal mine dust hazard prevention and control technology in China[J]. Mining Safety & Environmental Protection,2019,46(6):1−7,13.
[6] 孙建华,李珺,曲征,等. 超声波雾化降煤尘性能研究[J]. 安全与环境学报,2016,16(6):84−88. SUN Jianhua,LI Jun,QU Zheng,et al. On the coal-dust suppression by using the ultrasonic atomized water[J]. Journal of Safety and Environment,2016,16(6):84−88.
[7] 王鹏飞,谭烜昊,刘荣华,等. 出口直径对内混式空气雾化喷嘴雾化特性及降尘性能的影响[J]. 煤炭学报,2018,43(10):2823−2831. WANG Pengfei,TAN Xuanhao,LIU Ronghua,et al. Influence of outlet diameter on atomization characteristics and dust removal properties of internal-mixing air atomizing nozzle[J]. Journal of China Coal Society,2018,43(10):2823−2831.
[8] 刘红英. 荷电-雾化超重力除尘技术去除细颗粒物的实验研究[D]. 兰州:兰州大学,2019. LIU Hongying. Experimental study on the removal of fine particles by the technology of electrostatic charging,atomization and ultra-gravity. Lanzhou:Lanzhou University,2019.
[9] 王庆国. 煤矿综掘工作面泡沫—水雾一体化降尘技术及应用研究[D]. 徐州:中国矿业大学,2018. WANG Qingguo. Study on Foam-Water Mist Integrated Dust Control Technology and its Application in Fully Mechanized Excavation Face of Coal Mines. Xuzhou:China University of Mining and Technology,2018.
[10] 王晋. 高压细水雾喷嘴对巷道煤尘的喷雾降尘试验研究[J]. 安全与环境工程,2020,27(5):38−41,48. WANG Jin. Experimental study on spraying dust reduction of roadway coal dust by high-pressure water mist nozzle[J]. Safety and Environmental Engineering,2020,27(5):38−41,48.
[11] MUDDAPUR A,SRIKRISHNA S,SUNDARARAJAN T. Spray dynamics simulations for pulsatile injection at different ambient pressure and temperature conditions[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part A:Journal of Power and Energy,2020,234(4):500−519. doi: 10.1177/0957650919864214
[12] HAN H,WANG P F,LI Y J,et al. Effect of water supply pressure on atomization characteristics and dust-reduction efficiency of internal mixing air atomizing nozzle[J]. Advanced Powder Technology,2020,31(1):252−268. doi: 10.1016/j.apt.2019.10.017
[13] XU C W,NIE W,LIU Z Q,et al. Multi-factor numerical simulation study on spray dust suppression device in coal mining process[J]. Energy,2019,182:544−558. doi: 10.1016/j.energy.2019.05.201
[14] WANG Y P,JIANG Z A,ZHANG F,et al. Study on dust diffusion characteristics of continuous dust sources and spray dust control technology in fully mechanized working face[J]. Powder Technology,2022,396:718−730. doi: 10.1016/j.powtec.2021.11.025
[15] PENG H T,CHENG W M,GUO Y X,et al. Study on the spray field distribution of the roadway full-section water curtain device and its effect on the settlement of PM2.5[J]. Process Safety and Environmental Protection,2020,143:101−113. doi: 10.1016/j.psep.2020.05.038
[16] ZHOU G,JING B,MENG Q Z,et al. Study on coupling diffusion of composite dust and cloud-mist dedust technology in fully mechanized driving face of mixed coal-rock roadway[J]. Advanced Powder Technology,2023,34(1):103911. doi: 10.1016/j.apt.2022.103911
[17] CAO J F,QIN Z J,JU Y,et al. Study of air compressibility effects on the aerodynamic performance of the IEA-15 MW offshore wind turbine[J]. Energy Conversion and Management,2023,282:116883. doi: 10.1016/j.enconman.2023.116883
[18] MILOSEVIC H,GEYDAROV N A,ZAKHAROV Y N,et al. Model of incompressible viscous fluid flow driven by pressure difference in a given channel[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2013,62:242−246. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.02.059
[19] SHVYDKOY R. Lectures on the Onsager conjecture[J]. Discrete & Continuous Dynamical Systems - S,2010,3(3):473−496.
[20] YAKHOT V V,ORSZAG S A. Renormalization-group analysis of turbulence[J]. Physical Review Letters,1986,57(14):1722−1724. doi: 10.1103/PhysRevLett.57.1722
[21] LIU Q,NIE W,HUA Y,et al. Research on tunnel ventilation systems:Dust diffusion and pollution behaviour by air curtains based on CFD technology and field measurement[J]. Building and Environment,2019,147:444−460. doi: 10.1016/j.buildenv.2018.08.061
[22] LI Y J,WANG P F,LIU R H,et al. Optimization of structural parameters and installation position of the wall-mounted air cylinder in the fully mechanized excavation face based on CFD and orthogonal design[J]. Process Safety and Environmental Protection,2019,130:344−358. doi: 10.1016/j.psep.2019.08.027
[23] NIE W,YANG B,DU T,et al. Dynamic dispersion and high-rise release of coal dust in the working surface of a large-scale mine and application of a new wet dust reduction technology[J]. Journal of Cleaner Production,2022,351:131356. doi: 10.1016/j.jclepro.2022.131356
[24] WANG H,CHENG W M,SUN B,et al. The impacts of the axial-to-radial airflow quantity ratio and suction distance on air curtain dust control in a fully mechanized coal face[J]. Environmental Science and Pollution Research International,2018,25(8):7808−7822. doi: 10.1007/s11356-017-1106-8
[25] MO J M,YANG J L,MA W,et al. Numerical simulation and field experiment study on onboard dust removal technology based on airflow-dust pollution dispersion characteristics[J]. Environmental Science and Pollution Research International,2020,27(2):1721−1733. doi: 10.1007/s11356-019-06847-8
[26] GOSMAN A D,LOANNIDES E. Aspects of computer simulation of liquid-fueled combustors[J]. Journal of Energy,1983,7(6):482−490. doi: 10.2514/3.62687
[27] MOHEBBI A,TAHERI M,FATHIKALJAHI J,et al. Simulation of an orifice scrubber performance based on Eulerian/Lagrangian method[J]. Journal of Hazardous Materials,2003,100(1−3):13−25. doi: 10.1016/S0304-3894(03)00066-9
[28] YANG X H,YU H M,WANG Y H,et al. Study on the modularized airflow-diverging system and dust-control technology in the fully mechanized heading face[J]. Powder Technology,2022,402:117325. doi: 10.1016/j.powtec.2022.117325
[29] YANG X H,YU H M,WANG Y H,et al. Investigation of dust pollution control rules in tunnel excavation based on modularized airflow diverging system[J]. Building and Environment,2022,221:109356. doi: 10.1016/j.buildenv.2022.109356
[30] YANG X H,YU H M,ZHAO J W,et al. Research on the coupling diffusion law of airflow-dust-gas under the modularized airflow diverging dust control technology[J]. Powder Technology,2022,407:117703. doi: 10.1016/j.powtec.2022.117703
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