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基于FLUENT的粉塵擴散分析

文檔作者：錢松文檔來源：上海煤科檢測技術(shù)有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年10月22日
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基于ＦＬＵＥＮＴ 的粉塵擴散分析
錢松
(上海煤科檢測技術(shù)有限公司?上海?。玻埃保矗埃?
[關(guān)鍵詞]粉塵?擴散?仿真?ＣＦＤ
[摘　要]建立了不同的粉塵擴散模型?采用ＦＬＵＥＮＴ 軟件對不同模型的擴散情況進行分
析?總結(jié)出擴散的特點?并提出防擴散建議?
[中圖分類號] ＴＤ７９ [文獻標(biāo)識碼] Ａ [文章編號]１００４ －９１１８(２０１９)０２ －００１２ －０４
ＤＯＩ:１０. １４０２３/ ｊ. ｃｎｋｉ. ｄｑｆｂ. ２０１９. ０２. ００４
Ｄｕｓｔ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＬＵＥＮＴ
Ｑｉａｎ Ｓｏｎｇ
(Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍｅｉｋｅ Ｔｅｓｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ. ? Ｌｔｄ?Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１４０１)
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ:ｄｕｓｔ?ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ?ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ?ｆｌｕｅｎｔ Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｔ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｕｓｔ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ? ｕｓｅｓ ＦＬＵＥＮＴ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ
ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓ? ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ? ａｎｄ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｓｏｍｅ ｓｕｇ￣
ｇｅｓｔｉｏｎｓ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ.
０　引言
對于存在可燃性粉塵的爆炸危險場所?需要
采取有效的改善措施?減少粉塵擴散的情況? 但
是由于現(xiàn)場情況復(fù)雜?設(shè)計造成的渦流、回流、壓
力、速度分布不均勻[１] ?導(dǎo)致粉塵顆粒運動具有
隨機性?無法像氣體擴散那樣計算確定區(qū)域范圍?
如果采用ＣＦＤ(Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ? 計
算流體動力學(xué))軟件?將更好地幫助我們分析粉
塵擴散現(xiàn)象?并進行針對性地改進?
１　分析方案
為了直觀地分析粉塵擴散的過程?本文采用
ＡＮＳＹＳ ＦＬＵＥＮＴ 作為分析工具?ＦＬＵＥＮＴ 是目前
比較成熟的商業(yè)ＣＦＤ 軟件?可以進行各種狀態(tài)下
的計算?并附帶有強大的后處理功能?方便對計算
結(jié)果進行全面分析[２] ? 建模時?選擇粉塵生產(chǎn)企
業(yè)最典型的工序進行分析?在封閉的房間內(nèi)?無明
顯空氣流動?上方的下料口往容器內(nèi)下料? 由于
僅僅是定性分析?因此?本文就不體現(xiàn)所用粉塵的
參數(shù)?
為了對比效果?采用兩種不同粒徑的粉料進
行測試? 當(dāng)粉塵粒徑大時?單個顆粒質(zhì)量大?不容
易隨空氣流動而擴散[３] ?粒徑小的粉塵擴散更明
顯? 因此?本文用小粒徑的粉塵進行仿真試驗?
根據(jù)粉塵擴散的特點?本文采用了多相模型進行
仿真[４ －５] ? 由于本文主要在于分析粉塵擴散的現(xiàn)
象?限于篇幅?不在此介紹粉塵擴散相關(guān)理論知
識?
２　不同工況對比
為了對比擴散的情況?根據(jù)現(xiàn)場實際可能出
現(xiàn)的工況?建立了下料口高出容器、下料口與容器
齊平、容器口被部分封閉的情況?
(１)首先?是下料口高出容器的情況?結(jié)構(gòu)如
圖１所示?下料口底部距離敞口容器的上沿有一
　　[收稿日期]２０１９ －０２ －２０
　　[作者簡介]錢松(１９８０—　)?男?２００３ 年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)?高級工程師?主要從事防爆電氣設(shè)備檢測工作?
— １２ —
«電氣防爆»　２０１９ 年４ 月　第２ 期
定距離?
圖１　高下料口示意圖
通常這種情況下粉塵擴散最為嚴(yán)重?在仿真
時也確實如此? 觀察粉塵濃度分布云圖(圖２)及
粉塵運動矢量圖(圖３、圖４)?可以看到?超細(xì)的
粉塵在下料時?雖然正對著容器下落?但由于受氣
流影響非常明顯? 這個氣流包括兩部分?一是與
粉料一同從下料口落下的空氣?二是從外部進入
容器的空氣?這些氣體進入容器后會沿著筒壁上
升擴散到環(huán)境中?質(zhì)量非常小的粉料也會隨著空
氣流動? 由于下料口高出容器口?補充進入容器
的空氣和從容器內(nèi)流出的空氣有各自的通道?互
不干涉?因此?粉塵擴散基本不受影響? 在這種情
況下?下料初期的粉塵擴散情況就非常嚴(yán)重?在容
器周圍堆積厚度上升很快?環(huán)境中粉塵濃度完全
失控?如果是可燃性粉塵?遇到環(huán)境中非防爆電氣
設(shè)備和高溫運動部件?極有可能發(fā)生爆炸?
圖２　高下料口粉塵擴散濃度分布云圖
圖３　高下料口下料時粉塵運動矢量圖
(２)其次?是下料口與容器齊平的情況?如圖
５ 所示?下料口底部與敞口容器上沿處于同一水
平位置?
圖４　下料口粉塵運動矢量放大圖
圖５　平下料口示意圖
這種情況下?下料初期的粉塵擴散并不嚴(yán)重?
但后期的擴散情況也很明顯? 觀察粉塵濃度分布
云圖(圖６)及粉塵運動矢量圖(圖７、圖８、圖９)?
在初期?由于下料口與容器口齊平?粉塵沿筒壁上
升到達(dá)頂部時?速度已經(jīng)非常小?在遇到外部向內(nèi)
流動的空氣時?也隨之重新回到容器內(nèi)?到后期?
由于容器已經(jīng)半滿?粉塵上升時速度損失較小?到
達(dá)筒口時?還有較大速度?可以抵抗向內(nèi)的氣流而
擴散到容器外部?反映在宏觀上就是:初期粉塵擴
散不嚴(yán)重?后期的粉塵擴散嚴(yán)重?
圖６　平下料口粉塵擴散濃度分布云圖
圖７　平下料口下料時粉塵運動矢量圖
— １３ —
??粉塵專題??　基于ＦＬＵＥＮＴ 的粉塵擴散分析
圖８　初期下料口粉塵運動矢量放大圖
圖９　后期下料口粉塵運動矢量放大圖
(３)最后?是容器口部分封閉的情況?如圖１０
所示?下料口底部與容器上沿處于同一水平?但是
容器采取了一定的密封措施?
圖１０　部分密封下料口示意圖
圖１１　封閉下料口粉塵擴散濃度分布云圖
如果將容器完全封閉扎緊?在下料過程中肯
定不會有明顯的擴散?為了分析擴散的過程?建模
時在容器口與下料口之間留下了一定的間隙? 在
這種情況下?觀察粉塵濃度分布云圖(圖１１)及粉
塵運動矢量圖(圖１２、圖１３)?由于間隙較小?粉
塵上升到容器頂部后?撞擊到頂部?無法上升?在
水平移動到下料口時?遇到下落的粉塵?隨之一起
下落?但是?由于容器是封閉的?下料口在下料的
時候?也會有氣體同時進入?造成容器內(nèi)壓力大于
環(huán)境壓力?容器內(nèi)部的空氣被向外擠壓?但此時流
出的空氣較少?因此只有少量的粉塵從間隙中隨
著氣體逸出?到了后期?容器內(nèi)大部分空間都被粉
料占滿?且內(nèi)部氣體壓力已經(jīng)到達(dá)最大值?空氣流
出的量和進入的量相當(dāng)?粉塵擴散也更明顯? 體
現(xiàn)在宏觀上?在下料的大部分過程中?粉塵沒有明
顯的擴散?到了下料末期?粉塵有明顯的擴散?
圖１２　部分封閉下料口下料時粉塵運動矢量圖
圖１３　下料口粉塵運動矢量放大圖
３　總結(jié)
通過上面的分析?對比各種粉塵的粒徑、下料
口位置、容器口形狀?我們可以總結(jié)出應(yīng)對粉塵擴
散的幾個建議:
(１)盡量采用粒徑大的粉料甚至顆粒料?減
弱粉塵擴散的能力?
(２)將下料口的高度盡可能降低?減小粉塵
擴散的距離?
(３)對容器口與下料口之間采取密封措施?
封閉粉塵擴散的通道?
另外?也可在下料位置安裝除塵裝置?減少粉
塵擴散的現(xiàn)象? 同時?對擴散到環(huán)境中的粉塵應(yīng)
及時進行清掃?防止粉塵在設(shè)備、裝置、建筑的表
(下轉(zhuǎn)第１８ 頁)
— １４ —
«電氣防爆»?。玻埃保?年４ 月　第２ 期
ｅｒａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ: ＩＥＣ ６００７９ － ０:２０１７[Ｓ]. [ｓ?ｌ]:[ｓ.
ｎ]?２０１７.
[２]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局?中國國
家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 爆炸性環(huán)境第１ 部分:設(shè)備通
用要求:ＧＢ ３８３６. １—２０１０[Ｓ]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版
社?２０１１:８.
[３]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局?中國國
家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 可燃性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)備
第１ 部分:通用要求:ＧＢ１２４７６. １—２０１３[Ｓ]. 北京:中
國標(biāo)準(zhǔn)出版社?２０１４:１１.
[４]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局?中國國
家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 爆炸性環(huán)境電阻式伴熱器第
１ 部分:通用和試驗要求:ＧＢ/ Ｔ １９５１８. １—２０１７[Ｓ].
北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社?２０１８:２.
[５]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局?中國國
家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 爆炸性環(huán)境用氣體探測器第１
部分:可燃?xì)怏w探測器性能要求:ＧＢ/ Ｔ ２０９３６. １—
２０１７[Ｓ]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社?２０１８:７.
[６]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局?中國國
家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 瓦斯環(huán)境用礦燈結(jié)構(gòu)、性能和
防爆試驗通用要求:ＧＢ/ Ｔ ７９５７—２０１７[Ｓ]. 北京:中國
標(biāo)準(zhǔn)出版社?２０１７:１２.
[７]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局?中國國
家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 電工術(shù)語爆炸性環(huán)境用設(shè)備:
ＧＢ/ Ｔ ２９００. ３５—２００８[Ｓ]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社?
２００９:５.
(上接第１４ 頁)
面堆積成粉塵層?在遇到空氣擾動時?這些粉塵層
將會揚起形成粉塵云?如果是可燃性粉塵?就會形
成爆炸性粉塵環(huán)境?
通過本文的演示?可以發(fā)現(xiàn)?ＣＦＤ 仿真技術(shù)
對幫助用戶采取防塵措施?提高防塵效果?對比各
種防塵方案的效果非常有效?可以在不花費大量
資金、時間的情況下?調(diào)整結(jié)構(gòu)、參數(shù)?改進方案?
由于本文的仿真僅僅是定性地分析?如果需要精
確地評估粉塵擴散、沉積情況?還應(yīng)進行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?
參數(shù)準(zhǔn)確的試驗進行對比驗證?根據(jù)驗證結(jié)果調(diào)
整仿真模型的參數(shù)?以準(zhǔn)確地指導(dǎo)用戶采取更加
有效的針對性防塵措施?
防止粉塵擴散是一個系統(tǒng)的工程?除了合理
設(shè)計防擴散措施外?還需要設(shè)備的正確使用、密封
件的良好維護、及時清掃現(xiàn)場等?以及將生產(chǎn)過程
中發(fā)現(xiàn)的問題及時反饋?完善防擴散措施? 涉及
粉塵場所的用戶應(yīng)當(dāng)根據(jù)自己的工藝、設(shè)備、環(huán)境
的特點?合理采取有效措施?防止粉塵在生產(chǎn)現(xiàn)場
擴散?
參考文獻
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域中的應(yīng)用[Ｊ]. 濟南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)?２００６?
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管道內(nèi)沉降規(guī)律研究[Ｊ]. 礦業(yè)工程? ２０１０?０８(６):４９
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[４]張繼健. 綜掘工作面粉塵運移與沉積的氣固兩相流模
擬[Ｄ]. 北京:中國礦業(yè)大學(xué)?２０１５.
[５]李鵬飛?徐敏義?王飛飛. 精通ＣＦＤ 工程仿真與案例實
戰(zhàn)[Ｍ]. 北京:人民郵電出版社?２０１１.
« 電氣防爆» 雜志聲明
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— １８ —
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