微粒子に対する混合換気の影響

Jun 02, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 1585 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

地下無軌道ゴム車輪車両から排出されるテールガスは、地下作業員の健康と安全に重大な脅威をもたらします。包括的な掘削切羽の排ガス濃度を効果的に低減するために、本研究では数値シミュレーション手法を採用し、空気吸入量Qと無軌道ゴム車輪車と切羽間の距離Lがディーゼル粒子状物質、CO、長時間の吸引と短時間の圧力換気下での NOx。その結果、L = 20 mの条件では、無軌道ゴム車輪車が吸気ダクトに近づくことがわかりました。この時点で、Q = 600 m3/min の場合、車道での排ガス制御効果は最適になります。また、L=40m の条件では、無軌道ゴム輪車は車道の中央に位置する。この時点で、Q = 300 m3/min の場合、車道での排ガス制御効果は最適になります。 L = 60 m、Q = 200 m3/min の場合、車道内の換気モードは主に圧入換気になります。この空気量の下では、高体積分率 NOx 領域と中体積分率 NOx 領域が小さくなります。

石炭は中国の産業発展にとって極めて重要です1、2、3。中国の石炭消費は毎年、国の総エネルギー消費量の 50% 以上を占めています4、5、6。鉱山の機械化レベルの向上に伴い、鉱山企業による地下補助輸送の需要が増加しています7、8、9。無軌道ゴム車輪車は、その柔軟性と利便性により、大規模な鉱山で広く使用されています。包括的な掘削切羽に無軌道ゴム車輪車を使用すると、地下物質の輸送効率が大幅に向上し、鉱山労働者の労働集約度が軽減されます10、11、12。しかし、総合掘削作業切羽のスペースが狭いため、トロリーから放出される排ガスが作業場所に蓄積し、鉱山労働者に重大な危害を与えます。無軌道ゴム車輪車両から放出される排ガスは、主にディーゼル粒子状物質 (DPM)、CO、NOx で構成されています。 DPM の表面にはいくつかの有毒化学物質が存在し、人間の呼吸器系に重大な損傷を引き起こす可能性があります 13,14。 NOx が肺胞に入ると、亜硝酸塩と硝酸が形成され、肺組織に深刻な刺激作用を及ぼします。 CO を吸入すると、血液中のヘモグロビンと容易に結合し、低酸素症、頭痛、めまい、嘔吐、その他の症状を引き起こします。したがって、鉱山の安全生産時の有害物質の排出に対する地下換気の影響を研究することは理にかなっています15,16。

一般的に使用されているディーゼル排気浄化技術は、主に内部浄化と外部浄化の 2 つのカテゴリに分類されます。 Ji ら 17 は、ディーゼル油に少量の金属添加剤 Ce を添加し、Ce 含有量が増加すると、ディーゼルエンジン排気中の HC、CO、および粒子状物質が大幅に減少することを観察しました。ただし、NOx 含有量は増加しました。ルーら。 GT-Powerに基づいてディーゼルエンジン粒子捕集器（DPF）のシミュレーションモデルを構築し、DPF18によるDPMの捕集プロセスを分析しました。内部および外部の浄化によって DPM の排出を制御できますが、他の有毒物質や有害物質が生成されるという欠点があり、使い捨てフィルターを頻繁に交換する必要があります。湿気や粉塵の多い地下環境のため、鉱山では排気ガスを希釈し分散させるために換気が行われています。クルニアら。は、数値流体力学 (CFD) 手法を使用してダウンホールの空気流、酸素、および有害ガスの分散を評価する革新的な換気技術を提案しました 19。結果は、提案された換気設計が有害なガスの排出に効率的に対処できることを示しました。ファバら。換気ネットワークソルバーとCFDを使用して、地下鉱山のDPMの濃度分布を研究するためのハイブリッド手法を提案しました。換気モデルの計算効率は高く正確であったため、詳細な結果が得られた20。ティルベンガダムら。は、ANSYS FLUENT の物質輸送モデルと離散位相モデルを使用して、地下フォークリフトから排出される DPM の数値シミュレーションを実施しました21。結果は、離散位相モデルによってシミュレートされた DPM の濃度が実際の状況に近いことを示しました。 Xu ら 22 は、数値シミュレーションソフトウェアを使用して、道路におけるディーゼル排気粒子の拡散則の影響を研究しました。 Liu ら 23 は、数値シミュレーションを使用して、風速の拡散プロセスが地下の排気粒子に及ぼす影響を研究しました。結果は、風速 1.8 m/s が排ガス粒子の凝集現象の軽減に役立つことを示しました。チャンら。らは、CFD を使用して 2 つの地下シナリオにおける DPM の拡散状態を研究し、現地測定を通じてシミュレーション結果を検証しました24。劉ら。は、数値シミュレーションと現場測定を組み合わせた方法を使用して、無軌道ゴム車輪車両がさまざまな地下条件下で60秒間アイドリングした場合の、道路内のDPMの分布状態とDPMに対する空気量の希釈効果を研究しました25。

前述の国内外の学者は、地下鉱山におけるDPMの拡散則について多くの研究を行っており、地下におけるDPM過負荷の問題を解決するための貴重な経験を提供しています。しかし、彼らは DPM の有害要因のみを考慮しており、トンネル内での DPM、CO、NOX からなる気固二相流の分布と拡散則についての包括的な研究は行っていない。燃料を使用する機器から排出される排気汚染物質に対するさまざまな換気方法の影響はまだ浅いです。

したがって、本論文では、離散相モデルと成分輸送モデルに基づいて、DPM、CO、およびNOXからなるディーゼル排気の分散則に関する包括的な調査を実施し、排気汚染物質の異なる成分間の分散輸送効果を考慮し、統合します。無軌道ゴム車輪車両から排出される排気汚染物質の拡散を解析するための気固二相流の研究理論。一方,無軌道ゴム輪車から排出される排気汚染物質の分布に及ぼす換気システムの影響を考慮し,抽出ブロワの吸引量Qと無軌道ゴム輪車からの距離Lの影響を考慮した。機関車の排気ガスの拡散法則に関する長時間抽出および短圧換気システムのヘッドを研究した。

トロリーの駆動面やテールガスの粉塵の拡散は気流の動きに基づいています。したがって、走行面における気流運動則の精度は、無軌道ゴム車輪車両の粉塵や排ガスの拡散則に直接影響を与える。炭鉱内の空気の流れ状態は一般に乱流であると考えられている26,27。現在、エンジニアリングにおける乱流シミュレーションには、レイノルズの時間平均方程式が通常使用されています。基本的な考え方は、k-ε 2 方程式モデルを通じて過渡脈動を時間平均方程式で表現することです。

質量保存の方程式、つまり連続方程式は次のように書くことができます 28,29:

乱流の運動エネルギーの方程式は次のように記述できます 30,31:

乱流の消散率の方程式は次のように記述できます32:

ディーゼル排気の拡散プロセスは、化学反応を伴わない多成分の輸送問題とみなすことができます。この論文では排ガス中の NO と CO のみを考慮しているため、排ガスと空気の保存式は次のとおりです 33:

乱流では、拡散束は次の方程式で表されます。

ここで、 \({\text{Sc}}_{t}\) は乱流シュミット数です。 \({\text{Sc}}_{t}\) のデフォルト値は 0.7 です。

有害ガスの時間変化の方程式は次のとおりです。

ここで、\(Y_{m}\) は有害なガスの質量分率です。

流れ場全体における排ガス粒子の体積割合が小さいため、排ガス粒子は流体中の離散媒体として扱われ、排ガス粒子の軌道を記述するために離散位相モデルが使用されます 34,35,36。具体的な数式は次のとおりです。

\(\tau_{r}\) は次の式で計算されます

\(Re\) は相対レイノルズ数であり、次のように定義されます。

Realizable \(k\)-\(\varepsilon\) モデルの場合、RSM を使用すると、速度変動の導出に応力の非等方性が含まれます。

SolidWorks を使用して、Yangmei Group の Pingshu Company の 15113 航空路の機首面をモデル化しました。図 1 に示すように、圧入換気システムの幾何学的モデルは、道路、ロードヘッダー、圧入空気ダクト、輸送ベルト、無軌道ゴム車輪車の 5 つの部分で構成されます。加圧換気システムの幾何学的モデルに基づいて、湿った除塵ファンを追加しました。車道は長さ 80.00 m、幅 4.8 m、高さ 3.8 m でした。 EBZ-200H 掘削長さは 8.30 m、幅は 2.30 m、高さは 2.90 m、側壁から 1.00 m でした。吸引空気ダクトは長さ75メートル、直径0.8メートル、立坑から道路床まで1.9メートル、空気ダクト出口から頭部まで5メートルであった。圧出空気ダクトは長さ30m、直径0.8m、軸線から道路床面まで3.4m、無軌道ゴム車輪車の尾部と先頭部との距離はLであった。

道路の幾何学的モデル。

メッシュの品質は数値シミュレーションの精度に影響します。この論文の研究内容は、無軌道ゴム車輪車両が静止状態で排ガスを放出するというものであるため、四面体メッシュを使用してトンネルモデル全体を分割し、その後、「」のデジタルサイズを変更することでメッシュを局所的に細分化しました。近接キャプチャ」。最終的に、グリッドの数がそれぞれ 750,000、1,500,000、3200,000、および 6,000,000 である 4 つのグリッドグループが得られました。メッシュ検査ツールを使用して 4 グループのメッシュの品質をチェックしました。検査結果は、メッシュの品質がメッシュの妥当な範囲内にあることを示しています。 Fluent を使用して、異なるグリッドの下でトンネル内の気流の動きをシミュレートし、点 (8、0.8、1) と点 (80、0.8、1) の間の 10 個の等温点の気流速度が CFD-POST によって導出されました。最後に、図 2 に示すように 4 つのグリッドについて独立性テストを実行しました。図から、4 つのグリッドでシミュレーションされた空気流速の変化傾向はほぼ同じであることがわかりますが、グリッド C で得られた結果はと D は比較的近いですが、グリッド A と B によって得られた結果には大きな偏差があります。したがって、シミュレーション精度と計算コストを総合的に考慮して、グリッドＣを選択してシミュレーション計算を行う。

グリッドの独立性の検証。

AEROTRAK™9306 手持ち式レーザー粒子計数器と特定の長さ検出器は、無軌道ゴムトラックの排気ガス中の微粒子、CO、NOx の濃度を測定するために使用されます。微粒子の質量流量は、排出速度と排気出口の断面積に基づいて計算されます。最終的に、これは数値シミュレーションのパラメータとして使用されます。特定のパラメータ設定を表 1 に示します。

図 3 は、長時間および短時間の圧換気における気流の移動規則を示しています。注入式エアダクトの風量は 400 m3/min に固定し、抽出式エアダクトの風量は 200 ～ 600 m3/min まで勾配状に増加させました。

車道内の換気モードが加圧換気に支配されている場合（加圧空気ダクトの風量が排気ダクトの風量より大きい場合）、車道内の流れ場は次の 3 つの領域に分割されます。頭頂面付近に「乱流場」、車道の中央に「乱流場」、車道の最後尾に「移流場」があります。ヘッドフェイスから約0～12mの範囲では、加圧空気ダクトから噴出された高速噴流はヘッドフェイスに衝突した後に勢いが急激に減少し、速度約5m/sの逆風流を形成した。逆気流の一部は吸気ダクトを通って車道から排出され、残りの逆気流は車道の出口に向かって移動し続けました。高速かつ低圧のため、入力空気ダクトによって生成された高速ジェット場は、入力空気ダクトの出口付近を移動し、ロードヘッダーの周囲に「三角形の渦場」を形成しました。さらに、排気ダクトの継続的な負圧により、車道の出口に向かって移動し続けていた逆気流の速度が4m/sから0まで徐々に減少し、逆気流は出口に向かって移動し始めました。エクストラクターエアダクトの。このため、頭頂面から約12～45mの範囲に「乱流場」が形成された。「乱流場」では、トンネル出口に向かう逆流と抽気ダクト出口に向かう流れがあった。頭頂面から約 45 ～ 80 m の範囲では、逆流気流が車道出口にスムーズに流れ始め、この領域に「移流場」が形成され、「移流場」内の気流の速度は約 0.2 ～ 0.7 m/s に維持されます。

加圧空気ダクトの風量と抽気ダクトの風量が同じ場合、車道内の流れ場は主に頭頂面付近の「Ｊ字型流れ場」と中央部の「乱流場」に分類される。車道の裏側。頭頂面から約0～12mの範囲では、エクストラクタの風量増加により、逆流の大部分がエクストラクタを通って車道外に流出し、逆風量が損失した。逆気流のごく一部が 2.5 m/s の速度で車道後端に向かって移動しました。吸気ダクトの負圧作用と高速ジェットによって生成される負圧流場により、エネルギーは徐々に減少し、方向が変わります。頭頂面から約 19 ～ 80 m の範囲では、車道に流入する空気量と前端で車道から流出する空気量は同じであった。そのため、車道前端と車道出口との間に大きな圧力差がなくなり、この部分の流れ場エネルギーが小さくなり、空気の流れが乱雑になる。

車道内の換気モードが排気換気によって支配されている場合（加圧空気ダクトの風量が排気ダクトの風量よりも少ない場合）、車道内の流れ場は主に 3 つの領域に分割されます。頭頂面付近の「流れ場」、車道中央の「乱流場」、車道の最後尾の「逆流場」です。圧入換気が主流の換気モードと比較して、排気ダクトの空気量の増加により、車道前端の圧力は車道後端の圧力よりも低くなりました。したがって、空気は車道の出口から車道まで約 0.2 m/s の速度で流れました。ヘッドから36mの距離では、逆流気流に対する吸引ダクトの吸引効果が高まり、逆流気流の速度が0.2m/sから1m/sに増加しました。

各種吸込ダクトの風量Qの下降流図。

長時間吸引、短時間圧換気の条件下で、吸引ダクトの風量Qと無軌道ゴム車とヘッドフェイス間の距離Lを変化させたときのCOガスの分布を図1と図2に示します。図中の異なる色は、異なる領域における CO ガスの質量分率を示しています。具体的な分析は次のとおりです。

無軌道ゴム輪車と頭頂面との距離Lが一定の場合、抽気ダクトの風量Qの増加に伴い、車道内のCOの分布は一定の規則性を示した。 L = 40 m、Q = 200 m3/min の場合、車道先端の圧力が車道出口よりも大きく、車道内の空気流は車道先頭から出口に向かって移動します。このため、COは車道出口方向に拡散した。このときのCOの拡散距離は19m、質量分率は20～40ppmであった。 L = 40 m、Q = 400 m3/min のとき、無軌道ゴム車輪車両は「乱流場」にあり、風速は 0.45 m/s でエネルギーが低く、無軌道ゴムからの CO 排出量は低くなりました。車輪付き車両への影響はほとんどありませんでした。このとき、ＣＯガスはヘッドフェイスに向かって一定の初速度で拡散し、その拡散距離は２８ｍであった。 L = 40 m、Q = 600 m3/min の場合、車道前面の負圧「J 型流れ場」の影響で CO ガスが前面に向かって拡散しました。 CO がヘッドフェイスから 10 m 離れた位置に拡散すると、高速ジェットによって形成される負圧流場に CO ガスが巻き込まれます。この時点で、CO の質量分率は 20 ppm から 0.1 ppm に瞬時に希釈され、拡散距離は 32 m になりました。

吸気ダクトの風量 Q が一定の場合、車道内での無軌道ゴム輪車の位置は車道全体の気流場にほとんど影響を与えなかった。したがって、CO ガスの拡散状態は、無軌道ゴム輪車の位置に応じた流れ場に大きく影響されることになる。 Q = 600 m3/min を例にとると、L = 20 m のとき、無軌道ゴム輪車両は「乱流場」にあり、車道前端の吸気ダクトの影響を受けました。 CO ガスは車道前端まで拡散し、吸気ダクトから排出されました。したがって、道路前面の CO ガスの質量分率は非常に小さく、わずか 0.1 ppm でした。 L = 40 m のとき、トロリーは逆流場にありました。台車から排出されたCOガスは1m/sの逆流気流で車道先端まで拡散し、拡散距離は28mでした。 L = 60 m の場合、トロリーは逆流場に留まりました。ただし、L=40m に比べてヘッドフェイスからの距離が遠く、場所による抽気ダクトの負圧効果の影響はほとんどなく、逆流風速は 0.2m/s にとどまりました。したがって、L = 60 m の場合、車道先端までの CO ガスの拡散距離は減少しますが、質量分率は高くなります。 COガスの拡散距離は20m、質量分率は40ppmであった。

まとめると、L = 20 m の場合、CO ガス制御効果はすべての風量に対して最適でした。場所が吸気ダクトの出口に近かったためである。したがって、抽出空気ダクトの吸入容積が大きいほど、一酸化炭素ガスはより速く車道前端まで拡散し、抽出空気ダクトによって走行面から排出されやすくなります。このとき、CO ガスの拡散距離 C20 と空気の体積 Q の数学的関係は、 \(C_{20} = \;\left( {2.3\; \times \;10^{ - 9} } \right) となります。 )\; \times \;Q^{3.5}\) L = 40 m、Q = 300 m3/min のとき、DPM の拡散距離は最も短くなりました。したがって、この風量の方が DPM の制御効果が優れていることがわかります。このとき、CO ガスの拡散距離 C40 と空気の体積 Q の数学的関係は \(C_{40} = \left\{ \begin{gathered} 0.0012Q^{2} - 0.65Q\; + \; 103.5\;(Q\; \le \;400) \hfill \\ 27.5\;{ + }\;\frac{1.5}{{1\;{ + }\;10\;(525 - Q)}} (Q\; > \;400) \hfill \\ \end{gathered} \right.\) L = 60 m で、トロリーが車道の出口に近いという条件で。 DPM の制御効果は Q = 200 m3/min の方が良好であり、CO ガスをできるだけ早く車道から排出できました。このとき、CO ガスの拡散距離 C60 と空気体積 Q の数学的関係は \(C_{60} = \;(3.14\; \times \;10^{ - 4} )\;Q^{2 } - 0.2Q\; + \;51.5\)。

L = 20 m の場合の、異なる風量 Q での CO ガス分布。

L = 40 m の場合の、異なる風量 Q での CO ガス分布。

L = 60 m の場合の、異なる風量 Q での CO ガス分布。

長吸気・短圧換気の条件下で、吸気ダクト風量Qと無軌道ゴム輪車とヘッドフェイス間の距離Lを変化させた場合のNOXガス分布則を図3と図4に示します。図中の異なる領域の色は、異なる領域におけるNOxガスの質量分率を示している。 NOx ガスの分布を調べやすくするために、NOx ガスの質量分率が 8 ppm を超える領域を高体積分率 NOx 領域（図の赤い領域）と呼びます。質量分率が 6 ～ 8 ppm の領域を中体積分率 NOx 領域（図の黄色の領域）と呼び、質量分率が 6 ppm 未満の領域を低体積分率 NOx 領域と呼びます。 NOx領域（図の緑色の領域）。具体的な分析は次のとおりです。

L = 20 m での異なる空気量 Q の下での NOx ガス分布。

L = 40 m での異なる空気量 Q の下での NOx ガス分布。

L = 60 m での異なる空気量 Q の下での NOx ガス分布。

無軌道ゴム輪車と頭頂面との距離Lが一定の場合、抽気ダクトの風量Qの増加に伴い、車道内のNOxとCOの分布は同様となった。 L = 60 m を例にとると、Q = 200 m3/min の場合、車道先端の圧力が車道出口の圧力よりも高いため、車道内の NOx は車道出口に次のように移動します。全体を気流で覆い、高体積分率NOxの拡散距離は18.5mとなった。 Q が増加すると、車道の先端と車道の出口の間の圧力差が変化しました。 Q=400m3/minの場合、吸気ダクトの負圧により無軌道ゴム輪車両から排出されたNOxは頭部方向に拡散し、高体積分NOxの拡散距離は11.1mとなった。 Q = 600 m3/min の場合、道路の前端の圧力は出口の圧力よりも低かった。したがって、無軌道ゴム輪車両から排出されたNOxは車道前端まで拡散し、高体積分率NOxの拡散距離は18mとなった。図 9 から、車道の換気モードが圧換気（Q < 400 m3/min）によって支配されている場合、NOx ガスの体積分率は小さく、つまり 8.8 ppm であると推測できます。車道の換気モードが抽出換気（Q > 400 m3/min）によって支配されている場合、NOx ガスの体積分率は比較的大きく、つまり 10 ppm でした。

抽出空気ダクトの風量 Q が一定の場合、無軌道ゴム輪車とヘッドフェイスの間の距離は、異なる質量分率で NOx ガスの分布にさまざまな影響を及ぼします。 L の変化により、低および中体積分率の NOx ガスの分布はほとんど変化しませんでしたが、高体積分率の NOx ガスの分布は大きく変化しました。図から。図 7、8、9 より、中程度の体積分率の NOx ガスが主に車道後端に分布していたのに対し、車道前端の NOx ガスの体積分率は常に相対的に低かったと推測できます。 NOx ガスは排気ダクトによって車道から排出されました。高体積分NOxガスは主に無軌道ゴム車輪車両の周囲に集中していました。これは、無軌道ゴム輪車両から継続的に排出されるNOxガスの排出が間に合わず、NOx濃度が上昇し、体積分率が8ppmとなったためである。

まとめると、L が一定の場合、空気量 Q の増加に伴って、体積分率 NOx の多い領域は拡大を続け、徐々に車道頭に近づきます。同時に、風量 Q の増加に伴って低体積分率 NOx 領域は減少した。したがって、Q = 200 および 300 m3/min の場合、NOx ガスの抑制効果はより良好であった。 Q = 200 および 300 m3/min の低、中、および高体積分率の NOx ガスの拡散距離と体積分率を比較すると、Q = 200 m3/min の場合、高体積分率 NOx ガスはわずかに小さく、8.5 ppm でした。さらに、高体積分率の NOx ガスの拡散速度が速くなりました。

図 10、11、および 12 は、長時間のポンピングと短時間の圧換気下での DPM の汚染の進行を示しています。図中の小さな丸はDPMです。色は DPM の質量濃度を表し、サイズは左上の凡例に基づいて表されます。具体的な分析は次のとおりです。

無軌道ゴム車と頭頂面との距離Ｌが一定の場合、抽気ダクトの風量Ｑの増加に伴い、車道におけるＤＰＭの拡散距離と濃度はＬに相関する。 L = 20 m の場合、DPM の拡散距離は Q の増加とともに減少します。これは、車道の換気モードが主に圧力駆動である場合、DPM が車道の出口まで拡散するためです。 Q = 300 m3/min の場合、無軌道ゴム車輪車両によって排出された後の DPM の初速度は、気流の速度に近く、その逆でした。したがって、DPM の濃度は 1800 μg /m3 にも達しました。車道内の換気モードが抽気式主体の場合、風量Qが増加するにつれて車道出口へのDPMの拡散が阻害される。対照的に、Q が増加すると、DPM の大部分が排気ダクトによって車道から排出されます。これにより、道路における DPM の集中が軽減されます。 L = 40 および 60 m の場合、DPM の拡散距離は最初に減少し、その後 Q の増加に伴って増加しました。

排気ダクトの風量Qが一定の場合、DPMの拡散距離と無軌道ゴム輪車とヘッドフェイス間の距離Lは関係があります。 Q ≤ 300 m3/min の場合、L の増加に伴い、DPM の拡散距離は最初に減少し、その後は変化しませんでした。 Q > 300 m3/min の場合、DPM の拡散距離は L の増加とともに減少しました。この現象は主に無軌道ゴム車輪車の位置の流れ場に関連しています。無軌道ゴム輪車が車道の先端にあるとき、この領域の風力エネルギーは大きく、無軌道ゴム輪車は吸込ダクトの出口に最も近かった。したがって、DPM の拡散距離は長くなり、濃度は小さくなります。

以上をまとめると、L=20m の場合、DPM は車道前端の負圧により車道前端まで拡散し、Q の増加に伴い DPM の拡散距離は減少した。 = 600 m3/min、DPM の制御効果はより良好でした。 DPM D20 の拡散距離と空気体積 Q の数学的関係は \(D_{20} = - \;1.2e^{\frac{Q}{199}} + 50\) です。 L = 40 mの場合、DPMの拡散距離は最初に減少し、その後Qの増加とともに増加しました。Q = 300 m3/minの場合、テールガスの拡散距離は最小となり、DPMの拡散距離D40との数学的関係は空気の体積 Q は \(D_{40} = \left( { - 3 \times 10^{{{ - }6}} } \right)Q^{3} + 0.004Q^{2} - 1.32Q + 161\)。 L = 60 m の場合、トロリーは車道の出口に近づきました。車道出口における DPM の拡散速度は Q = 200 m3/min のときが最も速かったため、DPM はできるだけ早く車道に排出された。したがって、DPM の排気効果は Q = 200 m3/min のときに最も優れていました。 DPM D60 の拡散距離と空気体積 Q の数学的関係は \(D_{60} = \left( {2.36 \times 10^{{{ - }4}} } \right)Q^{2} - 0.193Q + 49\)。

L = 20 m での異なる風量 Q での DPM 分布。

L = 40 m での異なる風量 Q での DPM 分布。

L = 60 m での異なる風量 Q での DPM 分布。

異なる排気ダクトの空気量 Q と無軌道ゴム車輪車とヘッドフェイス間の距離 L が長時間吸引および短圧換気下での汚染物質の拡散に及ぼす影響を調査するために、さまざまな換気パラメータの下で汚染物質の拡散法則を研究しました。図 13 は、経路に沿った CO、NOx、および DPM 濃度の変化を示しています。

経路に沿った汚染物質濃度の変化。

図 13 から次のことが推測できます。

汚染物質の拡散範囲を考慮すると、DPM の拡散範囲は CO、NOx などの有害ガスに比べて小さかった。 CO および NOx ガスは道路全体に分布しましたが、DPM は主に無軌道ゴム車輪車両の近くに分布しました。これは、重力やその他の抵抗の DPM への影響がガスよりもはるかに大きく、それによって車道での拡散が妨げられたためです。

図１、２に示すように。図１３ａ、ｂに示すように、ヘッドフェイス付近の領域におけるＣＯおよびＮＯｘの体積分率は５ｐｐｍ未満であった。 COとNOxの体積分率は空気体積Qと無軌道ゴム輪車と頭部間の距離Lに関係した。空気体積 Q の増加に伴い、CO と NOx の体積分率は徐々に増加しました。無軌道ゴム車輪車両とヘッドフェイスとの間の距離Ｌが増加するにつれて、ヘッドフェイス領域付近のＣＯおよびＮＯｘの体積分率は徐々に減少した。ヘッドオン領域および排気出口領域を除いて、ＣＯおよびＮＯｘの体積分率は安定しており、それぞれ１０ｐｐｍおよび８ｐｐｍであった。

図 13c に示すように、DPM は主に排気口付近に分布しており、その濃度は許容濃度限度（0.1 mg/m3）を超えていました。 L = 20 および 40 m の場合、DPM の拡散距離は 40 m であり、L = 60 m の場合の DPM の拡散距離よりもはるかに大きくなりました。 DPM の拡散速度は遅いため、無軌道ゴム輪車と頭頂面との距離が 60 m、風量 Q が 200 m3/min の場合、DPM は車道出口まで拡散しました。この時点では、ドライビングフェイスの作業領域における DPM の汚染はわずかでした。

TSI-9545 風速計と AEROTRAK™9306 ハンドヘルドレーザー粒子カウンターを使用して、道路の風速と無軌道ゴムトラックから放出される排ガス粒子の濃度を測定しました。測定誤差を避けるため、各測定点は連続 3 回サンプリングされ、3 回の測定値の平均値が最終結果として採用されました。測定点の配置を図 14 に示します。測定点における風速のシミュレーション値と測定値を表 2 に示します。測定点の DPM 値のシミュレーション値と測定値を表 3 に示します。各測定点での風速と排ガス粒子を対応する数値シミュレーションで測定すると、シミュレーション値と測定値の間の相対誤差が 1.62 ～ 16.6% であることがわかります。結果は,数値シミュレーション結果が現場測定結果とよく一致し,数値シミュレーション結果が現場の実際の状況を効果的に反映できることを示した。

測定点の配置。

L = 20 m の場合、各風量 Q に対して CO ガスの制御効果は最適であった。しかし、Q = 600 m3/min の場合、CO ガスは車道前端まで急速に拡散し、走行面から排出されやすくなった。抽出空気ダクト; したがって、この風量では CO の制御効果がより優れています。 Q が増加すると DPM の拡散距離は減少する。Q = 600 m3/min の場合、DPM は車道前端の負圧により車道前端まで拡散し、車道前端を通って車道外に排出される。吸気ダクトと、したがって、この風量では DPM の制御効果がより優れています。空気体積Ｑの増加に伴い、高体積分率ＮＯｘ領域は拡大し続ける一方、低体積分率ＮＯｘ領域は減少し続ける。したがって、Q = 200 および 300 m3/min のときに、NOx ガスの抑制効果が最適になります。以上をまとめると、総合掘削切羽における有毒有害物質を総合的に管理・除去するには、Q = 600 m3/min の場合に車道内の排ガス抑制効果が最適となる。

L = 40 m の場合、CO ガスの拡散距離は最初に減少し、その後 Q の増加に伴って増加しました。Q = 300 m3/min の場合、CO ガスの拡散距離は最も短くなり、Q = 300 m3/min の場合、CO ガスの拡散距離は最も短くなりました。したがって、この風量下での CO ガスの抑制効果はより優れており、NOx ガスの拡散則は L = 20 m の場合と同じになります。空気体積Ｑの増加に伴い、高体積分率ＮＯｘ領域は拡大し続ける一方、低体積分率ＮＯｘ領域は減少し続ける。したがって、Q = 200 および 300 m3/min の場合、NOx ガスの抑制効果は良好です。 DPM の拡散距離は、最初に減少し、Q の増加に伴って増加します。Q = 300 m3/min のとき、排気ガスの拡散距離は最小でした。結論として、L = 40 m の条件では、Q = 300 m3/min のときに車道での排ガス抑制効果が最適になります。

L = 60 m の場合、無軌道ゴム車輪車両は車道の出口に近づきました。車道内の換気モードが圧換気主体の場合、排気ガスは速やかに車道から排出され、車道内の排気ガス濃度は急速に低下する。 Q = 200 m3/min の場合、車道内の換気モードは主に圧入換気でした。この風量では、CO ガスと DPM は車道出口まで移動し、拡散距離は小さくなりました。また、他の風量に比べて、この風量では高体積分率NOx領域と中体積分率NOx領域が小さくなった。したがって、L=60m、Q=200m3/minの条件では、車道における排ガス抑制効果が最適となる。

現在の研究中に生成されたデータセット、および/または現在の研究中に分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

空気の密度 (kg/m3)

乱流運動エネルギー (m2/s2)

乱流エネルギー散逸率 (m2/s2)

層流粘性係数(Pa・s)

乱流粘性係数 (Pa・s)

標準 k モデル (1.44) の定数

標準 k モデル (1.92) の定数

標準 k モデルの定数 (1.00)

標準 k モデルの定数 (1.30)

乱流シュミット数

有害ガスの質量分率

粒子質量

流体相速度 (m/s)

粒子速度 (m/s)

粒子の密度(kg/m3)

追加の力

粒子径(μm)

レイノルズ数

乱流の運動エネルギー (m2/s2)

乱流散逸速度(m2/s2)

粒子緩和時間

ランダム脈動速度(m/s)

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この研究は、中国国立自然科学財団 (助成金番号 52274215、51904171)、中国山東省大学の清荘科学技術プロジェクト (助成金番号 2019KJH005)、および山東大学の傑出した若手人材プロジェクトによって財政的に支援されました。科学技術の博士号 (助成金番号 SKR22-5-01)。

山東科学技術大学安全環境工学部、青島、266590、中国

Gang Zhou、Yang Yang、Jinjie Duan、Bin Jing、Biao Sun

国家鉱山災害予防管理重点研究所、山東省と科学技術省が共同設立、山東科学技術大学、青島、266590、中国

Gang Zhou、Yang Yang、Jinjie Duan、Bin Jing、Biao Sun

南京設計研究所、中国石炭技術工学グループ、南京、210031、中国

宋樹正

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著者全員が研究の構想と設計に貢献しました。 ZG: 監督、プロジェクト管理、資金調達。 YY: 構想、執筆 - 原案、執筆 - レビュー、編集。 DJ: 形式的な分析、データのキュレーション、方法論。 BJ: 調査、実験です。 SB: 実験です。すべての著者が原稿の以前のバージョンにコメントしました。著者全員が最終原稿を読んで承認しました。

彪孫への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Zhou、G.、Yang、Y.、Duan、J. 他。完全に機械化された掘削切羽における粒子状ガスの拡散とディーゼルエンジン排気の分布に対する混合換気の影響。 Sci Rep 13、1585 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-27812-z

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受信日: 2022 年 9 月 16 日

受理日: 2023 年 1 月 9 日

公開日: 2023 年 1 月 28 日

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

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