Influencia de la ventilación mixta sobre las partículas.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 1585 (2023) Citar este artículo

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El gas de cola emitido por los vagones subterráneos con ruedas de goma sin rieles representa una grave amenaza para la salud y la seguridad de los trabajadores subterráneos. Para reducir efectivamente la concentración de gas de cola de una cara de excavación integral, este estudio adoptó un método de simulación numérica para investigar la influencia del volumen de succión de aire Q y la distancia L entre los vagones con ruedas de goma sin orugas y las caras de la cabeza sobre la ley de difusión de las partículas diésel, CO, y NOx bajo succión prolongada y ventilación de presión corta. Los resultados mostraron que bajo la condición de L = 20 m, el carro con ruedas de goma sin orugas está más cerca del conducto de aire de succión. En este punto, cuando Q = 600 m3/min, el efecto de control de los gases de cola en la carretera es óptimo. Además, bajo la condición de L = 40 m, el carro con ruedas de goma sin orugas está en el medio de la carretera. En este punto, cuando Q = 300 m3/min, el efecto de control de los gases de cola en la carretera es óptimo. Cuando L = 60 m y Q = 200 m3/min, el modo de ventilación en la carretera es principalmente ventilación con presión de entrada. La región de NOx de fracción de volumen alto y la región de NOx de fracción de volumen medio bajo este volumen de aire son pequeñas.

El carbón es crucial para el desarrollo industrial de China1,2,3. Cada año, el consumo de carbón de China representa más del 50% del consumo total de energía del país4,5,6. Con la mejora en los niveles de mecanización minera, la demanda de transporte auxiliar subterráneo por parte de las empresas mineras está aumentando7,8,9. Los carros con ruedas de goma sin rieles se utilizan ampliamente en grandes minas debido a su flexibilidad y conveniencia. El uso de un carro con ruedas de goma sin orugas en un frente de excavación integral mejora en gran medida la eficiencia del transporte subterráneo de material y reduce la intensidad de la mano de obra de los mineros10,11,12. Sin embargo, debido al estrecho espacio del frente de trabajo de excavación integral, el gas de cola liberado por el carro se acumula en el lugar de trabajo y causa graves daños a los mineros. El gas de cola liberado por el vehículo con ruedas de goma sin orugas comprende principalmente partículas diésel (DPM), CO y NOx. Varios químicos tóxicos están presentes en la superficie del DPM, que pueden causar daños graves al sistema respiratorio humano13,14. Cuando los NOx ingresan a los alvéolos, se forman nitritos y ácido nítrico, que tienen un efecto estimulante severo sobre el tejido pulmonar. Después de la inhalación, el CO puede unirse fácilmente a la hemoglobina en la sangre, provocando hipoxia, dolor de cabeza, mareos, vómitos y otros síntomas. Por lo tanto, tiene sentido estudiar la influencia de la ventilación subterránea en la descarga de sustancias tóxicas durante la producción segura en la mina15,16.

La tecnología de purificación de gases de escape diésel de uso común se divide principalmente en dos categorías: purificación interna y externa. Ji et al.17 agregaron una pequeña cantidad de aditivo metálico Ce al gasóleo y observaron que con un aumento en el contenido de Ce, los HC, CO y las partículas en los gases de escape de los motores diesel disminuyeron significativamente; sin embargo, su contenido de NOx aumentó. Lou et al. estableció un modelo de simulación de un receptor de partículas (DPF) de motor diésel basado en GT-Power y analizó el proceso de captura de DPM por el DPF18. Aunque la purificación interna y externa puede controlar la emisión de DPM, todavía tienen las desventajas de producir otras sustancias tóxicas y nocivas y requieren el reemplazo frecuente de los filtros desechables. Para el ambiente subterráneo húmedo y polvoriento, en las minas se adopta ventilación para diluir y dispersar los gases de escape. Kurnia et al. propusieron técnicas de ventilación innovadoras utilizando métodos de dinámica de fluidos computacional (CFD) para evaluar el flujo de aire, el oxígeno y la dispersión de gases nocivos en el fondo del pozo19. Los resultados mostraron que el diseño de ventilación propuesto puede hacer frente de manera eficiente a las emisiones de gases nocivos. Fava et al. propusieron un método híbrido para estudiar la distribución de concentración de DPM en minas subterráneas utilizando solucionadores de redes de ventilación y CFD. La eficiencia de cálculo del modelo de ventilación fue alta y precisa y, en consecuencia, se obtuvieron resultados detallados20. Thiruvengadam et al. utilizaron el modelo de transporte de materiales y el modelo de fase discreta en ANSYS FLUENT para realizar simulaciones numéricas de DPM emitido por carretillas elevadoras subterráneas21. Los resultados mostraron que la concentración de DPM simulada por el modelo de fase discreta se acerca a la situación real. Xu et al.22 estudiaron la influencia de la ley de difusión de las partículas de escape de diésel en la carretera mediante un software de simulación numérica. Liu et al.23 utilizaron simulaciones numéricas para estudiar la influencia del proceso de difusión de la velocidad del viento en las partículas de escape subterráneas. Los resultados mostraron que una velocidad del viento de 1,8 m/s puede ayudar a aliviar el fenómeno de agregación de partículas de gas de cola. Chang et al. estudiaron el estado de difusión de DPM en dos escenarios subterráneos mediante CFD y verificaron los resultados de la simulación mediante mediciones de campo24. Liu y cols. utilizó un método que combina simulación numérica con mediciones de campo para estudiar el estado de distribución de DPM en la carretera y el efecto de dilución del volumen de aire sobre DPM cuando el vehículo con ruedas de goma sin orugas está inactivo en diferentes condiciones subterráneas durante 60 s25.

Los académicos nacionales y extranjeros antes mencionados han realizado muchas investigaciones sobre la ley de difusión del DPM en minas subterráneas, lo que ha proporcionado una valiosa experiencia para resolver el problema de la sobrecarga de DPM en las minas subterráneas. Sin embargo, solo consideraron el factor dañino del DPM y no realizaron un estudio exhaustivo sobre la ley de distribución y difusión del flujo bifásico gas-sólido compuesto de DPM, CO y NOX en el túnel, mientras tanto, el estudio sobre la difusión. El efecto de los diferentes métodos de ventilación sobre los contaminantes de escape emitidos por los equipos que funcionan con combustible es aún superficial.

Por lo tanto, en este artículo, basado en modelos de fase discreta y modelos de transporte de componentes, llevamos a cabo una investigación exhaustiva sobre la ley de dispersión de los gases de escape diésel que consisten en DPM, CO y NOX, consideramos los efectos del transporte de dispersión entre diferentes componentes de los contaminantes de los gases de escape e integramos la teoría de investigación del flujo bifásico gas-sólido para analizar la dispersión de los contaminantes de escape emitidos por vehículos con ruedas de goma sin orugas. Mientras tanto, se tuvo en cuenta el efecto del sistema de ventilación en la distribución de los contaminantes de escape emitidos por el vagón con ruedas de goma sin orugas, y la influencia del volumen de succión Q del ventilador extraído y la distancia L del vagón con ruedas de goma sin orugas al Se estudió el cabezal del sistema de ventilación de extracción larga y presión corta sobre la ley de difusión del escape de la locomotora.

La difusión del polvo en la cara de conducción y en la cola del carro se basa en el movimiento de las corrientes de aire. Por lo tanto, la precisión de la ley de movimiento del flujo de aire en la cara de conducción afecta directamente la ley de difusión del polvo y el gas de cola de un vehículo con ruedas de goma sin orugas. El estado de flujo del aire en las minas de carbón generalmente se considera turbulencia26,27. En la actualidad, la ecuación de tiempo promedio de Reynolds se utiliza generalmente para la simulación de turbulencias en ingeniería. La idea básica es expresar la pulsación transitoria en la ecuación promediada en el tiempo mediante el modelo de dos ecuaciones k-ε.

La ecuación de conservación de masa, o ecuación de continuidad, se puede escribir de la siguiente manera28,29:

La ecuación para la energía cinética de turbulencia se puede escribir de la siguiente manera30,31:

La ecuación para la tasa de disipación turbulenta se puede escribir de la siguiente manera32:

El proceso de difusión de los gases de escape diésel puede considerarse como un problema de transporte de múltiples componentes sin reacción química. Este artículo solo considera el No y el CO en el gas de cola, por lo que la ecuación de conservación del gas de cola y el aire es la siguiente33:

En flujo turbulento, el flujo de difusión se describe mediante la siguiente ecuación:

donde \({\text{Sc}}_{t}\) es el número de Schmidt turbulento. El valor predeterminado de \({\text{Sc}}_{t}\) es 0,7.

La ecuación para el cambio de gas nocivo con el tiempo es:

donde \(Y_{m}\) es la fracción de masa del gas nocivo.

Debido a la pequeña fracción de volumen de las partículas de gas de cola en todo el campo de flujo, las partículas de gas de cola se tratan como un medio discreto en el fluido y el modelo de fase discreta se utiliza para describir la trayectoria de las partículas de gas de cola34,35,36. La ecuación matemática específica es la siguiente:

\(\tau_{r}\) se calcula mediante la siguiente ecuación

\(Re\) es el número de Reynolds relativo, que se define como

Para el modelo Realizable \(k\)-\(\varepsilon\), cuando se utiliza el RSM, la no isotropía de las tensiones se incluye en la derivación de las fluctuaciones de velocidad:

Se utilizó SolidWorks para modelar la cara de dirección de la vía aérea de retorno 15113 de Pingshu Company del Grupo Yangmei. Como se muestra en la Fig. 1, el modelo geométrico del sistema de ventilación a presión consta de cinco partes: carreteras, rozadoras, conductos de aire a presión, cintas de transporte y vagones con ruedas de goma sin orugas. Basado en el modelo geométrico del sistema de ventilación presurizada, se agregó un ventilador de eliminación de polvo húmedo. La calzada tenía 80,00 m de largo, 4,8 m de ancho y 3,8 m de alto; La longitud de excavación del EBZ-200H fue de 8,30 m, el ancho fue de 2,30 m, la altura fue de 2,90 m y estaba a 1,00 m de la pared lateral; el conducto de succión de aire tenía 75 m de largo, 0,8 m de diámetro, 1,9 m desde el pozo hasta el piso de la calzada y 5 m desde la salida del conducto de aire hasta el cabezal; el conducto de aire de salida de presión tenía 30 m de largo, 0,8 m de diámetro, 3,4 m desde el eje hasta el suelo de la calzada, y la distancia entre la cola del vagón con ruedas de goma sin orugas y su cabeza era L.

Modelo geométrico de la calzada.

La calidad del mallado afectará la precisión de la simulación numérica. Dado que el contenido de la investigación de este artículo es que el vehículo con ruedas de goma sin orugas emite gas de cola en estado estático, se utilizó la malla tetraédrica para dividir el modelo del túnel en su conjunto, y luego la malla se refinó localmente cambiando el tamaño digital de " Capturar Proximidad”. Finalmente se obtuvieron cuatro grupos de grillas, siendo el número de grillas 750.000, 1.500.000, 3200.000 y 6.000.000 respectivamente. La herramienta de inspección de mallas se utilizó para verificar la calidad de los cuatro grupos de mallas y los resultados de la inspección muestran que la calidad de las mallas está dentro del rango razonable de mallas. Se utilizó Fluent para simular el movimiento del flujo de aire en el túnel bajo diferentes rejillas, y la velocidad del flujo de aire de 10 puntos isotérmicos entre los puntos (8, 0,8, 1) y los puntos (80, 0,8, 1) se derivó mediante CFD-POST. Finalmente, se realizó una prueba de independencia para las cuatro rejillas, como se muestra en la Fig. 2. Puede verse en la figura que la tendencia de variación de la velocidad del flujo de aire simulada por las cuatro rejillas es aproximadamente la misma, pero los resultados obtenidos por las rejillas C y D son relativamente cercanos, mientras que los resultados obtenidos por las cuadrículas A y B tienen grandes desviaciones. Por lo tanto, considerando de manera integral la precisión de la simulación y el costo del cálculo, se selecciona la cuadrícula C para el cálculo de la simulación.

Verificación de la independencia de la red.

Se utilizan un contador de partículas láser portátil AEROTRAK™9306 y un detector de longitud específica para determinar las concentraciones de partículas, CO y NOx en los gases de escape de los camiones de caucho sin rieles. El caudal másico de partículas se calcula en función de la tasa de emisión y el área de la sección transversal de la salida de escape. Finalmente, esto se utiliza como parámetro de simulación numérica. La configuración de parámetros específicos se muestra en la Tabla 1.

La Figura 3 muestra la regla de migración del flujo de aire bajo ventilación de presión corta y larga. El volumen de aire del conducto de aire de tipo inyección se fijó en 400 m3/min, y el volumen de aire del conducto de aire de tipo extracción se aumentó en forma de gradiente de 200 a 600 m3/min.

Cuando el modo de ventilación en la calzada estaba dominado por la ventilación presurizada (cuando el volumen de aire del conducto de aire presurizado es mayor que el del conducto de aire extractivo), el campo de flujo en la calzada se dividió en tres áreas: “campo de remolino triangular ”cerca de la cabecera, “campo turbulento” en el medio de la calzada y “campo de advección” al final de la calzada. Dentro del rango de aproximadamente 0 a 12 m desde la cara de la cabeza, el impulso del chorro de alta velocidad expulsado del conducto de aire presurizado disminuyó repentinamente después de chocar con la cara de la cabeza y formó un flujo de viento inverso con una velocidad de aproximadamente 5 m/s. Parte del flujo de aire inverso se descargó de la carretera a través del conducto de succión y la otra parte del flujo de aire inverso continuó moviéndose hacia la salida de la carretera. Debido a la alta velocidad y la baja presión, el campo de chorro de alta velocidad generado por el conducto de aire de entrada se movió cerca de la salida del conducto de aire de entrada y formó un "campo de vórtice triangular" alrededor de la rozadora. Además, debido a la presión negativa continua del conducto de aire del extractor, la velocidad del flujo de aire inverso que continuó moviéndose hacia la salida de la carretera disminuyó gradualmente de 4 m/s a 0, y el flujo de aire inverso comenzó a moverse hacia la salida. del conducto de aire extractor. Por lo tanto, se formó un “campo de flujo turbulento” dentro del rango de aproximadamente 12 a 45 m desde la cabecera. En el “campo de flujo turbulento” hubo un flujo inverso hacia la salida del túnel y un flujo hacia la salida del ducto extractor. En el rango de aproximadamente 45 a 80 m desde la cabecera, el flujo de aire inverso comenzó a fluir suavemente hacia la salida de la carretera y formó un "campo de advección" en esta área, y la velocidad del flujo de aire en el "campo de advección" fue se mantiene aproximadamente entre 0,2 y 0,7 m/s.

Cuando el volumen de aire del conducto de aire presurizado era el mismo que el del conducto de aire del extractor, el campo de flujo en la carretera se categorizó principalmente en "campo de flujo en forma de J" cerca de la cabecera y "campo de flujo turbulento" en el medio y detrás de la carretera. Dentro del rango de aproximadamente 0 a 12 m desde la cabecera, debido al aumento en el volumen de aire del extractor, la mayor parte del flujo de aire inverso fluyó fuera de la carretera a través del extractor, lo que resultó en una pérdida del volumen de aire inverso. Una pequeña parte del flujo de aire inverso se movió hacia el extremo trasero de la carretera a una velocidad de 2,5 m/s. Bajo la acción de presión negativa del conducto de aire de succión y el campo de flujo de presión negativa generado por el chorro de alta velocidad, la energía disminuyó gradualmente y resultó en un cambio de dirección. En el rango de aproximadamente 19 a 80 m desde la cabecera, el volumen de aire que entraba a la calzada y fluía fuera de la calzada en el extremo delantero era el mismo. Por lo tanto, no hubo una gran diferencia de presión entre el extremo frontal de la calzada y la salida de la calzada, lo que resultó en un pequeño campo de flujo de energía en esta área y un flujo de aire desordenado.

Cuando el modo de ventilación en la calzada estaba dominado por la ventilación de extracción (cuando el volumen de aire del conducto de aire presurizado era menor que el del conducto de aire de extracción), el campo de flujo en la calzada se dividía principalmente en tres áreas: “En forma de J "campo de flujo" cerca de la cabecera, "campo de flujo turbulento" en el medio de la carretera y "campo de contraflujo" al final de la carretera. En comparación con el modo de ventilación dominado por la ventilación con presión de entrada, la presión en el extremo delantero de la calzada era menor que en el extremo trasero de la calzada debido al aumento en el volumen de aire del conducto de extracción; por lo tanto, el aire fluyó con una velocidad de aproximadamente 0,2 m/s desde la salida de la calzada hacia la calzada. A una distancia de 36 m del cabezal, se mejoró el efecto de succión del conducto de succión sobre el flujo de aire de reflujo, lo que resultó en un aumento de la velocidad del flujo de aire de reflujo de 0,2 a 1 m/s.

Diagrama de flujo descendente del volumen de aire Q de diferentes conductos de succión.

Bajo la condición de succión larga y ventilación a presión corta, la distribución de gas CO bajo diferentes volúmenes de aire Q de los conductos de succión y la distancia L entre el carro con ruedas de goma sin orugas y la cara de la cabeza se muestran en las Figs. 4, 5 y 6. Los diferentes colores en las figuras indican las fracciones de masa de gas CO en diferentes regiones. El análisis específico es el siguiente:

Cuando la distancia L entre el automóvil con ruedas de goma sin orugas y la cara de la cabeza era constante, la distribución de CO en la calzada exhibió una cierta regularidad con el aumento en el volumen de aire Q del conducto de aire extractivo. Cuando L = 40 my Q = 200 m3/min, la presión en el extremo frontal de la calzada era mayor que la de la salida de la calzada, y el flujo de aire en la calzada migraba desde la cabecera hasta la salida de la calzada. Por tanto, el CO se difundió en la dirección de la salida de la calzada. En ese momento, la distancia de difusión del CO era de 19 m y la fracción de masa estaba entre 20 y 40 ppm. Cuando L = 40 m y Q = 400 m3/min, el vehículo con ruedas de caucho sin orugas estaba en el "campo de flujo turbulento", y la velocidad del viento era de 0,45 m/s, la energía era baja y las emisiones de CO del vehículo de caucho sin orugas El coche de ruedas se vio afectado de forma insignificante. En este momento, el gas CO se difundió hacia la cara de la cabeza a una cierta velocidad inicial y la distancia de difusión fue de 28 m. Cuando L = 40 my Q = 600 m3/min, el gas CO se difundió hacia la cara frontal bajo la influencia del “campo de flujo en forma de J” de presión negativa en el frente de la carretera. Cuando el CO se difundió a 10 m de la cara de la cabeza, el gas CO estuvo involucrado en el campo de flujo de presión negativa formado por el chorro de alta velocidad. En este punto, la fracción másica de CO se diluyó instantáneamente de 20 a 0,1 ppm y la distancia de difusión fue de 32 m.

Cuando el volumen de aire Q del conducto de succión era constante, la posición del carro con ruedas de goma sin orugas en la carretera tenía poca influencia en el campo general del flujo de aire de la carretera. Por lo tanto, el estado de difusión del gas CO se vio significativamente afectado por el campo de flujo correspondiente a la ubicación del vagón con ruedas de goma sin orugas. Tomando Q = 600 m3/min como ejemplo, cuando L = 20 m, el vehículo con ruedas de goma sin orugas estaba en el "campo de flujo turbulento" y fue afectado por el conducto de aire de succión en el extremo delantero de la carretera. El gas CO se difundió hasta el extremo delantero de la carretera y se descargó a través del conducto de aire de succión. Por lo tanto, la fracción de masa de gas CO en el frente de la carretera era muy pequeña, de sólo 0,1 ppm. Cuando L = 40 m, el carro estaba en el campo de contraflujo. El gas CO descargado por el carro se difundió hasta el extremo frontal de la carretera con un flujo de aire de reflujo de 1 m/s y la distancia de difusión fue de 28 m. Cuando L = 60 m, el carro permaneció en el campo de contraflujo. Sin embargo, en comparación con L = 40 m, la distancia estaba lejos de la cara de la cabeza y el efecto de presión negativa del conducto de aire extractivo se vio afectado de manera insignificante por la ubicación, lo que resultó en una velocidad de flujo de aire de reflujo de solo 0,2 m/s. Por lo tanto, cuando L = 60 m, la distancia de difusión del gas CO al extremo frontal de la carretera disminuyó, pero la fracción de masa fue alta. La distancia de difusión y la fracción de masa del gas CO fueron 20 my 40 ppm, respectivamente.

En resumen, cuando L = 20 m, el efecto de control del gas CO fue óptimo para todos los volúmenes de aire. Esto se debe a que la ubicación estaba cerca de la salida del conducto de aire de succión. Por lo tanto, cuanto mayor sea el volumen de succión del conducto de aire del extractor, más rápido se difunde el gas CO hacia el extremo delantero de la carretera y el conducto de aire del extractor lo descarga fácilmente desde la cara de conducción. En este punto, la relación matemática entre la distancia de difusión C20 del gas CO y el volumen de aire Q es \(C_{20} = \;\left( {2.3\; \times \;10^{ - 9} } \right )\; \times \;Q^{3.5}\) Cuando L = 40 my Q = 300 m3/min, la distancia de difusión del DPM fue la más corta. Por lo tanto, el efecto de control del DPM fue mejor con este volumen de aire. En este punto, la relación matemática entre la distancia de difusión C40 del gas CO y el volumen de aire Q es \(C_{40} = \left\{ \begin{gathered} 0.0012Q^{2} - 0.65Q\; + \; 103.5\;(Q\; \le \;400) \hfill \\ 27.5\;{ + }\;\frac{1.5}{{1\;{ + }\;10\;(525 - Q)}} (Q\; > \;400) \hfill \\ \end{gathered} \right.\) bajo la condición de L = 60 m y que el tranvía esté más cerca de la salida de la calzada. El efecto de control del DPM fue mejor cuando Q = 200 m3/min y, por lo tanto, el gas CO pudo descargarse de la carretera lo antes posible. En este punto, la relación matemática entre la distancia de difusión C60 del gas CO y el volumen de aire Q es \(C_{60} = \;(3.14\; \times \;10^{ - 4} )\;Q^{2 } - 0,2Q\; + \;51,5\).

Distribución de gas CO bajo diferentes volúmenes de aire Q cuando L = 20 m.

Distribución de gas CO bajo diferentes volúmenes de aire Q cuando L = 40 m.

Distribución de gas CO bajo diferentes volúmenes de aire Q cuando L = 60 m.

Bajo la condición de succión larga y ventilación de presión corta, la ley de distribución de gas NOX bajo diferentes volúmenes de aire del conducto de succión Q y la distancia L entre el carro con ruedas de goma sin orugas y la cara de la cabeza, se muestra en las Figs. 7, 8 y 9. Los colores de las diferentes regiones en las figuras indican la fracción de masa de gas NOx en diferentes regiones. Para facilitar el estudio de la distribución del gas NOx, la región donde la fracción másica del gas NOx era superior a 8 ppm se denominó región de NOx de fracción de alto volumen (región roja en las figuras); la región donde la fracción de masa estaba entre 6 y 8 ppm se llamó región de NOx de fracción de volumen medio (región amarilla en las figuras), y la región donde la fracción de masa era inferior a 6 ppm se llamó fracción de volumen bajo Región de NOx (región verde en las figuras). El análisis específico es el siguiente:

Distribución de gas NOx bajo diferentes volúmenes de aire Q en L = 20 m.

Distribución de gas NOx bajo diferentes volúmenes de aire Q en L = 40 m.

Distribución de gas NOx bajo diferentes volúmenes de aire Q en L = 60 m.

Cuando la distancia L entre el automóvil con ruedas de goma sin orugas y la cara de la cabeza era constante, la distribución de NOx y CO en la calzada era similar con el aumento en el volumen de aire Q del conducto de aire extractivo. Tomando L = 60 m como ejemplo, cuando Q = 200 m3/min, debido a que la presión en el extremo frontal de la carretera era mayor que en la salida de la carretera, los NOx en la carretera migraron a la salida de la carretera como en conjunto con el flujo de aire, y la distancia de difusión de la fracción de NOx de alto volumen fue de 18,5 m. Con el aumento de Q, la diferencia de presión entre el frente de la calzada y la salida de la calzada cambió. Cuando Q = 400 m3/min, debido a la presión negativa del conducto de aire de succión, los NOx descargados por el vehículo con ruedas de goma sin orugas se difundieron hacia la dirección de la cabeza, y la distancia de difusión de la fracción de alto volumen de NOx fue de 11,1 m. Cuando Q = 600 m3/min, la presión en el extremo frontal de la carretera era menor que en la salida. Por lo tanto, los NOx descargados por el vehículo con ruedas de caucho sin orugas se difundieron hacia el extremo delantero de la carretera, y la distancia de difusión de la fracción de alto volumen de NOx fue de 18 m. De la Fig. 9, se puede inferir que cuando el modo de ventilación en la carretera estaba dominado por la ventilación con presión de entrada (Q < 400 m3/min), la fracción de volumen de gas NOx era pequeña, es decir, 8,8 ppm. Cuando el modo de ventilación en la carretera estuvo dominado por la ventilación de extracción (Q > 400 m3/min), la fracción de volumen de gas NOx fue relativamente grande, es decir, 10 ppm.

Cuando el volumen de aire Q del conducto de aire extractivo era constante, la distancia entre el vagón con ruedas de goma sin orugas y la cara frontal tenía efectos variados sobre la distribución del gas NOx con diferentes fracciones de masa. Con un cambio en L, la distribución del gas NOx con fracciones de volumen bajo y medio cambió de manera insignificante, pero la distribución del gas NOx con una fracción de volumen alto cambió significativamente. De las Figs. 7, 8 y 9, se puede inferir que el gas NOx con fracción de volumen media se distribuyó principalmente en el extremo posterior de la vía, mientras que la fracción de volumen de gas NOx en el extremo frontal de la vía siempre fue relativamente baja debido a que una parte de Los gases NOx fueron descargados de la calzada por el conducto de aire extractivo. El gas NOx de alta fracción se concentró principalmente alrededor del vehículo sin orugas con ruedas de goma. Esto se debió a que la emisión continua de gas NOx del vehículo sin orugas con ruedas de goma no se descargó a tiempo, lo que resultó en un aumento de la concentración de NOx con una fracción de volumen de 8 ppm.

En resumen, cuando L era constante, con el aumento en el volumen de aire Q, el área con una fracción de NOx de alto volumen continuó expandiéndose y se acercó gradualmente al inicio de la carretera. Al mismo tiempo, la región de NOx de fracción de bajo volumen disminuyó con el aumento del volumen de aire Q. Por lo tanto, cuando Q = 200 y 300 m3/min, el efecto de control del gas NOX fue mejor. Al comparar la distancia de difusión y la fracción de volumen de gas NOx de fracción de volumen bajo, medio y alto para Q = 200 y 300 m3/min, se puede ver que cuando Q = 200 m3/min, la fracción de volumen de el gas NOx de fracción de alto volumen fue ligeramente menor, es decir, 8,5 ppm; Además, la tasa de difusión del gas NOx de fracción de alto volumen fue más rápida.

Las Figuras 10, 11 y 12 muestran la evolución de la contaminación del DPM bajo bombeo prolongado y ventilación a presión corta. Las bolitas de las figuras son DPM. Los colores representan la concentración masiva de DPM y el tamaño se representa según la leyenda en la esquina superior izquierda. El análisis específico es el siguiente:

Cuando la distancia L entre el automóvil con ruedas de goma sin orugas y la cara de la cabeza es constante, la distancia de difusión y la concentración de DPM en la calzada están relacionadas con L con un aumento en el volumen de aire Q del conducto de aire extractivo. Cuando L = 20 m, la distancia de difusión del DPM disminuye con un aumento de Q; esto se debe a que el DPM se difunde hacia la salida de la carretera cuando el modo de ventilación en la carretera se basa principalmente en la presión. Cuando Q = 300 m3/min, la velocidad inicial del DPM, después de ser descargado por el vehículo con ruedas de goma sin orugas, era cercana y opuesta a la velocidad del flujo de aire. Por lo tanto, la concentración de DPM fue tan alta como 1800 ug/m3. Cuando el modo de ventilación en la calzada está dominado por el tipo de extracción, a medida que aumenta el volumen de aire Q, se bloquea la difusión de DPM a la salida de la calzada. Por el contrario, el aumento de Q da como resultado que la mayor parte del DPM sea descargado de la carretera por el conducto de aire extractivo; esto reduce la concentración de DPM en la carretera. Cuando L = 40 y 60 m, la distancia de difusión del DPM primero disminuyó y luego aumentó con un aumento en Q.

Cuando el volumen de aire Q del conducto de escape es constante, la distancia de difusión de DPM y la distancia L entre el automóvil con ruedas de goma sin orugas y la cara de la cabeza están relacionadas. Cuando Q ≤ 300 m3/min, con un aumento en L, la distancia de difusión del DPM primero disminuyó y luego permaneció sin cambios. Cuando Q > 300 m3/min, la distancia de difusión del DPM disminuyó con un aumento en L; Este fenómeno está relacionado principalmente con el campo de flujo en la ubicación del vagón con ruedas de goma sin rieles. Cuando el vagón con ruedas de goma sin orugas estaba en el extremo delantero de la carretera, la energía eólica en esta área era grande y el vagón con ruedas sin orugas estaba más cerca de la salida del conducto de succión. Por lo tanto, la distancia de difusión del DPM era mayor y la concentración era menor.

En resumen, cuando L = 20 m, el DPM se difundió hacia el extremo frontal de la calzada debido a la presión negativa en el extremo frontal de la calzada, y la distancia de difusión del DPM disminuyó con un aumento en Q. Por lo tanto, cuando Q = 600 m3/min, el efecto de control del DPM fue mejor. La relación matemática entre la distancia de difusión de DPM D20 y el volumen de aire Q es \(D_{20} = - \;1.2e^{\frac{Q}{199}} + 50\). Cuando L = 40 m, la distancia de difusión de DPM primero disminuyó y luego aumentó con un aumento en Q. Cuando Q = 300 m3/min, la distancia de difusión del gas de cola fue la más pequeña y la relación matemática entre la distancia de difusión D40 de DPM y el volumen de aire Q es \(D_{40} = \left( { - 3 \times 10^{{{ - }6}} } \right)Q^{3} + 0.004Q^{2} - 1.32Q + 161\). Cuando L = 60 m, el carro estaba más cerca de la salida de la calzada. Como la velocidad de difusión del DPM en la salida de la calzada fue la más rápida cuando Q = 200 m3/min, el DPM se descargó en la calzada lo antes posible; por lo tanto, el efecto de escape del DPM fue mejor cuando Q = 200 m3/min. La relación matemática entre la distancia de difusión de DPM D60 y el volumen de aire Q es \(D_{60} = \left( {2.36 \times 10^{{{ - }4}} } \right)Q^{2} - 0,193Q + 49\).

Distribución de DPM bajo diferentes volúmenes de aire Q en L = 20 m.

Distribución de DPM bajo diferentes volúmenes de aire Q en L = 40 m.

Distribución de DPM bajo diferentes volúmenes de aire Q en L = 60 m.

Para explorar la influencia del volumen de aire Q de diferentes conductos de escape y la distancia L entre los automóviles con ruedas de goma sin orugas y las caras de la cabeza sobre la difusión de contaminantes bajo succión prolongada y ventilación de presión corta, estudiamos las leyes de difusión de los contaminantes bajo diferentes parámetros de ventilación. La Figura 13 muestra las variaciones en las concentraciones de CO, NOx y DPM a lo largo del camino.

Variación de la concentración de contaminantes a lo largo del camino.

Se puede inferir de la Fig. 13 que:

Teniendo en cuenta el rango de difusión de los contaminantes, el rango de difusión del DPM fue menor que el del CO, NOx y otros gases nocivos. Los gases CO y NOx se distribuyeron por toda la calzada, mientras que el DPM se distribuyó principalmente cerca del vehículo con ruedas de goma; esto se debe a que la influencia de la gravedad y otras resistencias sobre el DPM fue mucho mayor que la de los gases, dificultando así su difusión en la carretera.

Como se muestra en las Figs. 13a,b, las fracciones en volumen de CO y NOx en el área cerca de la cabeza fueron inferiores a 5 ppm. Las fracciones de volumen de CO y NOx se relacionaron con el volumen de aire Q y la distancia L entre el vagón con ruedas de goma sin orugas y la cara superior. Con un aumento en el volumen de aire Q, las fracciones volumétricas de CO y NOx aumentaron gradualmente. Las fracciones de volumen de CO y NOx cerca del área de la cabeza disminuyeron gradualmente al aumentar la distancia L entre el vehículo con ruedas de caucho sin orugas y la cara de la cabeza. Excepto por el área frontal y el área de salida de escape, las fracciones en volumen de CO y NOx se mantuvieron estables, y las fracciones en volumen fueron de 10 ppm y 8 ppm, respectivamente.

Como se muestra en la Fig. 13c, el DPM se distribuyó principalmente alrededor de la salida de escape y las concentraciones excedieron el límite de concentración permitido (0,1 mg/m3). Cuando L = 20 y 40 m, el rango de difusión de DPM fue de 40 m, que es mucho mayor que la distancia de difusión de DPM en L = 60 m. Debido a la lenta velocidad de difusión del DPM, cuando la distancia entre el vagón con ruedas de goma sin orugas y la cara frontal era de 60 m y el volumen de aire Q era de 200 m3/min, el DPM se difundía hacia la salida de la carretera. En este punto, la contaminación de DPM en el área de trabajo del frente de conducción era pequeña.

Se utilizaron el anemómetro TSI-9545 y el contador de partículas láser portátil AEROTRAK™9306 para medir la velocidad del viento en la carretera y la concentración de partículas de gas de cola liberadas por el camión de caucho sin orugas. Para evitar errores de medición, se tomaron muestras de cada punto de medición tres veces consecutivas y se tomó el valor promedio de las tres mediciones como resultado final. La disposición de los puntos de medición se muestra en la Fig. 14. Los valores simulados y medidos de la velocidad del viento en los puntos de medición se muestran en la Tabla 2. Los valores DPM simulados y medidos de los puntos medidos se muestran en la Tabla 3. Comparando los puntos medidos Velocidad del viento y partículas de gas de cola en cada punto de medición con la simulación numérica correspondiente, se puede encontrar que el error relativo entre el valor simulado y el valor medido está entre 1,62 y 16,6%. Los resultados muestran que los resultados de la simulación numérica concuerdan bien con los resultados de las mediciones de campo, y los resultados de la simulación numérica pueden reflejar efectivamente la situación real del campo.

Disposición de puntos de medición.

Cuando L = 20 m, el efecto de control del gas CO fue óptimo para cada volumen de aire Q. Sin embargo, cuando Q = 600 m3/min, el gas CO se difundió rápidamente hacia el extremo delantero de la carretera y se descargó fácilmente desde la cara de conducción mediante el conducto de aire extractivo; por lo tanto, el efecto de control del CO es mejor con este volumen de aire. La distancia de difusión del DPM disminuye con un aumento en Q. Cuando Q = 600 m3/min, el DPM se difundió hacia el extremo frontal de la carretera debido a la presión negativa en el extremo frontal de la carretera y se descargó de la carretera a través de el conducto de aire de aspiración; por lo tanto, el efecto de control del DPM es mejor con este volumen de aire. Con el aumento en el volumen de aire Q, la región de NOx de fracción de alto volumen continuó expandiéndose, mientras que la región de NOx de fracción de bajo volumen continuó disminuyendo. Por lo tanto, cuando Q = 200 y 300 m3/min, el efecto de control del gas NOx es óptimo. En resumen, para controlar y eliminar de manera integral sustancias tóxicas y nocivas en un frente de excavación integral, el efecto de control de los gases de escape en la carretera es óptimo cuando Q = 600 m3/min.

Cuando L = 40 m, la distancia de difusión del gas CO primero disminuyó y luego aumentó con un aumento en Q. Cuando Q = 300 m3/min, la distancia de difusión del gas CO fue la más corta; por lo tanto, el efecto de control del gas CO bajo este volumen de aire es mejor y la ley de difusión del gas NOx es la misma que en L = 20 m. Con el aumento en el volumen de aire Q, la región de NOx de fracción de alto volumen continúa expandiéndose, mientras que la región de NOx de fracción de bajo volumen continúa disminuyendo. Por lo tanto, cuando Q = 200 y 300 m3/min, el efecto de control del gas NOx es bueno. La distancia de difusión del DPM primero disminuye y luego aumenta con un aumento en Q. Cuando Q = 300 m3/min, la distancia de difusión de los gases de escape fue mínima. En conclusión, bajo la condición de L = 40 m, el efecto de control de los gases de escape en la carretera es óptimo cuando Q = 300 m3/min.

Cuando L = 60 m, el vehículo con ruedas de goma sin orugas estaba más cerca de la salida de la carretera. Cuando el modo de ventilación en la calzada es principalmente ventilación a presión, los gases de escape se descargan rápidamente de la calzada y la concentración de gases de escape en la calzada se reduce rápidamente. Cuando Q = 200 m3/min, el modo de ventilación en la carretera fue principalmente ventilación por presión. A este volumen de aire, el gas CO y el DPM se movieron hacia la salida de la carretera y la distancia de difusión fue pequeña. Además, en comparación con otros volúmenes de aire, la región de NOx de fracción de volumen alto y la región de NOx de fracción de volumen medio eran más pequeñas bajo este volumen de aire. Por lo tanto, bajo la condición de L = 60 m, cuando Q = 200 m3/min, el efecto de control de los gases de escape en la carretera es óptimo.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

Densidad del aire (kg/m3)

Energía cinética turbulenta (m2/s2)

Tasa de disipación de energía turbulenta (m2/s2)

Coeficiente de viscosidad laminar (Pa s)

Coeficiente de viscosidad de turbulencia (Pa s)

Constantes en el modelo k estándar (1.44)

Constantes en el modelo k estándar (1.92)

Constantes en el modelo k estándar (1,00)

Constantes en el modelo k estándar (1.30)

Número de Schmidt turbulento

La fracción masiva del gas nocivo.

Masa de partícula

Velocidad de la fase fluida (m/s)

Velocidad de las partículas (m/s)

Densidad de la partícula (kg/m3)

Fuerza adicional

Diámetro de partícula (m)

número de reynolds

Energía cinética de turbulencia (m2/s2)

Tasa de disipación turbulenta (m2/s2)

Tiempo de relajación de partículas

Velocidad de pulsación aleatoria (m/s)

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Este trabajo fue apoyado financieramente por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvenciones n.º 52274215, 51904171), el Proyecto de Universidades de Ciencia y Tecnología de Qingchuang en la provincia de Shandong, China (Subvención n.º 2019KJH005) y el Proyecto de Jóvenes Talentos Destacados de la Universidad de Shandong. de Ciencia y Tecnología (Subvención n.° SKR22-5-01).

Facultad de Ingeniería Ambiental y de Seguridad, Universidad de Ciencia y Tecnología de Shandong, Qingdao, 266590, China

Gang Zhou, Yang Yang, Jinjie Duan, Bin Jing y Biao Sun

Laboratorio Estatal Clave de Prevención y Control de Desastres Mineros Cofundado por la Provincia de Shandong y el Ministerio de Ciencia y Tecnología, Universidad de Ciencia y Tecnología de Shandong, Qingdao, 266590, China

Gang Zhou, Yang Yang, Jinjie Duan, Bin Jing y Biao Sun

Instituto de Investigación y Diseño de Nanjing, Grupo de Ingeniería y Tecnología del Carbón de China, Nanjing, 210031, China

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Todos los autores contribuyeron a la concepción y diseño del estudio. ZG: Supervisión, administración de proyectos, adquisición de fondos. YY: Conceptualización, redacción—borrador original, redacción—revisión y edición. DJ: Análisis formal, curación de datos, metodología. BJ: Investigación, experimento. SB: Experimento. Todos los autores comentaron versiones anteriores del manuscrito. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Correspondencia a Biao Sun.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Zhou, G., Yang, Y., Duan, J. et al. Influencia de la ventilación mixta en la difusión de partículas de gas y distribución de los gases de escape de los motores diésel en un frente de excavación totalmente mecanizado. Informe científico 13, 1585 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27812-z

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Recibido: 16 de septiembre de 2022

Aceptado: 09 de enero de 2023

Publicado: 28 de enero de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27812-z

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