Einfluss der Mischlüftung auf Partikel

Jul 31, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 1585 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Die von unterirdischen, spurlosen Gummiradwagen ausgestoßenen Abgase stellen eine ernsthafte Gefahr für die Gesundheit und Sicherheit der Untergrundarbeiter dar. Um die Abgaskonzentration einer umfassenden Abbaufläche wirksam zu reduzieren, wurde in dieser Studie eine numerische Simulationsmethode angewendet, um den Einfluss des Luftansaugvolumens Q und des Abstands L zwischen spurlosen Gummiradfahrzeugen und Abbauflächen auf das Diffusionsgesetz von Dieselpartikeln (CO) zu untersuchen. und NOx bei langer Saug- und kurzer Druckbelüftung. Die Ergebnisse zeigten, dass sich der spurlose Gummiradwagen unter der Bedingung L = 20 m näher am Saugluftkanal befindet. Zu diesem Zeitpunkt, wenn Q = 600 m3/min, ist die Abgaskontrollwirkung in der Fahrbahn optimal. Darüber hinaus befindet sich der spurlose Gummiradwagen unter der Bedingung L = 40 m in der Mitte der Fahrbahn. Zu diesem Zeitpunkt, wenn Q = 300 m3/min, ist die Abgaskontrollwirkung in der Fahrbahn optimal. Bei L = 60 m und Q = 200 m3/min handelt es sich bei der Belüftungsart auf der Fahrbahn hauptsächlich um eine Drucklüftung. Der Bereich mit hohem NOx-Volumenanteil und der Bereich mit mittlerem NOx-Volumenanteil unter diesem Luftvolumen sind klein.

Kohle ist für die industrielle Entwicklung Chinas von entscheidender Bedeutung1,2,3. Der Kohleverbrauch Chinas macht jedes Jahr mehr als 50 % des gesamten Energieverbrauchs des Landes aus4,5,6. Mit der Verbesserung des Mechanisierungsgrads der Minen steigt die Nachfrage der Minenunternehmen nach unterirdischen Hilfstransporten7,8,9. Gleislose Gummiradwagen werden aufgrund ihrer Flexibilität und Zweckmäßigkeit häufig in großen Bergwerken eingesetzt. Der Einsatz eines spurlosen Gummiradwagens in einer umfassenden Baugrube verbessert die Effizienz des unterirdischen Materialtransports erheblich und verringert die Arbeitsintensität für Bergleute10,11,12. Allerdings sammeln sich die von der Laufkatze freigesetzten Restgase aufgrund des engen Raums der umfassenden Ortsbrust am Arbeitsplatz an und verursachen schwere Schäden für die Bergleute. Das vom spurlosen Gummiradfahrzeug freigesetzte Abgas besteht hauptsächlich aus Dieselpartikeln (DPM), CO und NOx. Auf der Oberfläche von DPM befinden sich mehrere giftige Chemikalien, die schwere Schäden an den menschlichen Atemwegen verursachen können13,14. Wenn NOx in die Lungenbläschen gelangt, entstehen Nitrit und Salpetersäure, die eine stark stimulierende Wirkung auf das Lungengewebe haben. Nach dem Einatmen kann sich CO leicht an Hämoglobin im Blut binden, was zu Hypoxie, Kopfschmerzen, Schwindel, Erbrechen und anderen Symptomen führt. Daher ist es sinnvoll, den Einfluss der unterirdischen Belüftung auf die Freisetzung toxischer Substanzen während der Bergwerkssicherheitsproduktion zu untersuchen15,16.

Die häufig verwendete Dieselabgasreinigungstechnologie wird hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: interne und externe Reinigung. Ji et al.17 fügten Dieselöl eine kleine Menge des Metalladditivs Ce hinzu und beobachteten, dass mit einem Anstieg des Ce-Gehalts HC, CO und Partikel in den Abgasen von Dieselmotoren deutlich abnahmen; allerdings stieg sein NOx-Gehalt. Lou et al. erstellte ein Simulationsmodell eines Dieselmotor-Partikelfängers (DPF) auf Basis von GT-Power und analysierte den Einfangprozess von DPM durch den DPF18. Obwohl die Emission von DPM durch interne und externe Reinigung kontrolliert werden kann, haben sie dennoch den Nachteil, dass andere toxische und schädliche Substanzen entstehen und ein häufiger Austausch der Einwegfilter erforderlich ist. Für die feuchte und staubige Untergrundumgebung wird in Bergwerken eine Belüftung eingesetzt, um die Abgase zu verdünnen und zu verteilen. Kurnia et al. schlug innovative Belüftungstechniken vor, die Methoden der Computational Fluid Dynamics (CFD) nutzen, um den Luftstrom im Bohrloch, den Sauerstoff und die Ausbreitung schädlicher Gase zu bewerten19. Die Ergebnisse zeigten, dass das vorgeschlagene Lüftungsdesign die Emission schädlicher Gase effizient bewältigen kann. Fava et al. schlugen eine Hybridmethode zur Untersuchung der Konzentrationsverteilung von DPM in Untertagebergwerken unter Verwendung von Ventilationsnetzwerklösern und CFD vor. Die Berechnungseffizienz des Lüftungsmodells war hoch und genau, sodass detaillierte Ergebnisse erzielt wurden20. Thiruvengadam et al. verwendeten das Materialtransportmodell und das diskrete Phasenmodell in ANSYS FLUENT, um numerische Simulationen der von unterirdischen Gabelstaplern emittierten DPM durchzuführen21. Die Ergebnisse zeigten, dass die durch das diskrete Phasenmodell simulierte DPM-Konzentration nahe an der tatsächlichen Situation liegt. Xu et al.22 untersuchten den Einfluss des Diffusionsgesetzes von Dieselabgaspartikeln auf der Fahrbahn mithilfe numerischer Simulationssoftware. Liu et al.23 verwendeten numerische Simulationen, um den Einfluss des Diffusionsprozesses der Windgeschwindigkeit auf unterirdische Abgaspartikel zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Windgeschwindigkeit von 1,8 m/s dazu beitragen kann, das Phänomen der Abgaspartikelaggregation zu mildern. Chang et al. untersuchten den Diffusionszustand von DPM in zwei unterirdischen Szenarien mithilfe von CFD und verifizierten die Simulationsergebnisse durch Feldmessungen24. Liu et al. verwendeten eine Methode zur Kombination numerischer Simulationen mit Feldmessungen, um den Verteilungszustand von DPM auf der Fahrbahn und den Verdünnungseffekt des Luftvolumens auf DPM zu untersuchen, wenn das spurlose Fahrzeug mit Gummirädern 60 Sekunden lang unter verschiedenen Untergrundbedingungen im Leerlauf steht25.

Die oben genannten in- und ausländischen Wissenschaftler haben umfangreiche Untersuchungen zum Diffusionsgesetz von DPM in Untertagebergwerken durchgeführt und dabei wertvolle Erfahrungen zur Lösung des Problems der DPM-Überlastung im Untertagebau gesammelt. Sie berücksichtigten jedoch nur den schädlichen Faktor DPM und führten keine umfassende Studie zum Verteilungs- und Diffusionsgesetz der Gas-Feststoff-Zweiphasenströmung bestehend aus DPM, CO und NOX im Tunnel durch, während die Studie zur Diffusion durchgeführt wurde Der Einfluss verschiedener Belüftungsmethoden auf die Abgasschadstoffe, die von kraftstoffbetriebenen Geräten ausgestoßen werden, ist noch gering.

Daher führen wir in diesem Artikel auf der Grundlage diskreter Phasenmodelle und Komponententransportmodelle eine umfassende Untersuchung des Ausbreitungsgesetzes von Dieselabgasen bestehend aus DPM, CO und NOX durch, berücksichtigen die Ausbreitungstransporteffekte zwischen verschiedenen Komponenten von Abgasschadstoffen und integrieren die Forschungstheorie der Gas-Feststoff-Zweiphasenströmung zur Analyse der Ausbreitung von Abgasschadstoffen, die von spurlosen Fahrzeugen mit Gummirädern emittiert werden. Dabei wurde die Auswirkung des Belüftungssystems auf die Verteilung der Abgasschadstoffe, die vom spurlosen Gummiradwagen ausgestoßen werden, sowie der Einfluss des Saugvolumens Q des abgesaugten Gebläses und des Abstands L des spurlosen Gummiradwagens von diesem berücksichtigt Am Kopf des Langabsaug- und Kurzdruckentlüftungssystems wurde das Diffusionsgesetz der Lokomotivabgase untersucht.

Die Staubdiffusion im Treib- und Abgas des Trolleys basiert auf der Bewegung von Luftströmungen. Daher wirkt sich die Genauigkeit des Luftstrombewegungsgesetzes in der Fahrbahn direkt auf das Diffusionsgesetz von Staub und Abgasen eines spurlosen Fahrzeugs mit Gummirädern aus. Der Strömungszustand der Luft in Kohlebergwerken wird im Allgemeinen als Turbulenz angesehen26,27. Derzeit wird die Reynolds-Zeitmittelungsgleichung üblicherweise für die Turbulenzsimulation im Ingenieurwesen verwendet. Die Grundidee besteht darin, die transiente Pulsation in der zeitlich gemittelten Gleichung durch das k-ε-Zweigleichungsmodell auszudrücken.

Die Gleichung zur Massenerhaltung oder Kontinuitätsgleichung kann wie folgt geschrieben werden28,29:

Die Gleichung für die kinetische Turbulenzenergie kann wie folgt geschrieben werden30,31:

Die Gleichung für die turbulente Dissipationsrate kann wie folgt geschrieben werden32:

Der Diffusionsprozess von Dieselabgasen kann als Mehrkomponenten-Transportproblem ohne chemische Reaktion angesehen werden. In diesem Artikel werden nur NO und CO im Abgas berücksichtigt, daher lautet die Erhaltungsgleichung für Abgas und Luft wie folgt33:

Bei turbulenter Strömung wird der Diffusionsfluss durch die folgende Gleichung beschrieben:

wobei \({\text{Sc}}_{t}\) die turbulente Schmidt-Zahl ist. Der Standardwert von \({\text{Sc}}_{t}\) beträgt 0,7.

Die Gleichung für die zeitliche Veränderung des Schadgases lautet:

wobei \(Y_{m}\) der Massenanteil des Schadgases ist.

Aufgrund des geringen Volumenanteils der Abgaspartikel im gesamten Strömungsfeld werden Abgaspartikel als diskretes Medium in der Flüssigkeit behandelt und das diskrete Phasenmodell wird verwendet, um die Flugbahn der Abgaspartikel zu beschreiben34,35,36. Die spezifische mathematische Gleichung lautet wie folgt:

\(\tau_{r}\) wird durch die folgende Gleichung berechnet

\(Re\) ist die relative Reynolds-Zahl, die definiert ist als

Für das realisierbare \(k\)-\(\varepsilon\)-Modell wird bei Verwendung des RSM die Nichtisotropie der Spannungen in die Ableitung der Geschwindigkeitsschwankungen einbezogen:

SolidWorks wurde zum Modellieren der Rückluftfahrbahn 15113 der Pingshu Company of Yangmei Group verwendet. Wie in Abb. 1 dargestellt, besteht das geometrische Modell des Pressbelüftungssystems aus fünf Teilen: Fahrbahnen, Teilschnittmaschinen, Pressluftkanälen, Transportbändern und spurlosen Gummiradwagen. Basierend auf dem geometrischen Modell des Drucklüftungssystems wurde ein Ventilator zur Nassentstaubung hinzugefügt. Die Fahrbahn war 80,00 m lang, 4,8 m breit und 3,8 m hoch; Die Aushublänge des EBZ-200H betrug 8,30 m, die Breite 2,30 m, die Höhe 2,90 m und der Abstand von der Seitenwand 1,00 m. der Saugluftkanal war 75 m lang, hatte einen Durchmesser von 0,8 m, 1,9 m vom Schacht bis zur Fahrbahnsohle und 5 m vom Luftkanalaustritt bis zum Kopf; Der Abluftkanal war 30 m lang, hatte einen Durchmesser von 0,8 m, 3,4 m von der Achse bis zum Boden der Fahrbahn und der Abstand zwischen dem Heck des spurlosen Wagens mit Gummirädern und seinem Kopf betrug L.

Geometrisches Modell der Fahrbahn.

Die Qualität der Vernetzung beeinflusst die Genauigkeit der numerischen Simulation. Da der Forschungsinhalt dieser Arbeit darin besteht, dass das spurlose Gummiradfahrzeug im statischen Zustand Abgase ausstößt, wurde das Tetraedernetz verwendet, um das Tunnelmodell als Ganzes zu unterteilen, und dann wurde das Netz lokal verfeinert, indem die digitale Größe von geändert wurde. Nähe erfassen“. Schließlich wurden vier Gruppen von Gittern erhalten, wobei die Anzahl der Gitter jeweils 750.000, 1.500.000, 3.200.000 und 6.000.000 betrug. Das Netzinspektionstool wurde verwendet, um die Qualität der vier Netzgruppen zu überprüfen, und die Inspektionsergebnisse zeigen, dass die Qualität der Netze innerhalb des angemessenen Netzbereichs liegt. Fluent wurde verwendet, um die Luftströmungsbewegung im Tunnel unter verschiedenen Gittern zu simulieren, und die Luftströmungsgeschwindigkeit von 10 Isothermenpunkten zwischen den Punkten (8, 0,8, 1) und den Punkten (80, 0,8, 1) wurde durch CFD-POST abgeleitet. Abschließend wurde ein Unabhängigkeitstest für die vier Gitter durchgeführt, wie in Abb. 2 dargestellt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass der von den vier Gittern simulierte Variationstrend der Luftströmungsgeschwindigkeit ungefähr derselbe ist, die von Gittern C erhaltenen Ergebnisse jedoch und D liegen relativ nahe beieinander, während die Ergebnisse der Gitter A und B große Abweichungen aufweisen. Unter umfassender Berücksichtigung der Simulationsgenauigkeit und der Berechnungskosten wird daher Gitter C für die Simulationsberechnung ausgewählt.

Überprüfung der Netzunabhängigkeit.

Der tragbare Laser-Partikelzähler AEROTRAK™9306 und ein Detektor für spezifische Längen werden verwendet, um die Konzentrationen von Partikeln, CO und NOx in den Abgasen des spurlosen Gummilastwagens zu bestimmen. Der Partikelmassenstrom wird auf Grundlage der Emissionsrate und der Querschnittsfläche des Abgasauslasses berechnet. Schließlich wird dieser als Parameter der numerischen Simulation verwendet. Die spezifischen Parametereinstellungen sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Abbildung 3 zeigt die Migrationsregel des Luftstroms bei langer und kurzer Druckbeatmung. Die Luftmenge des Einblasluftkanals wurde auf 400 m3/min festgelegt und die Luftmenge des Absaugluftkanals wurde in einem Gradienten von 200 auf 600 m3/min erhöht.

Als der Belüftungsmodus in der Fahrbahn von der Überdrucklüftung dominiert wurde (wenn das Luftvolumen des Druckluftkanals größer ist als das des Abluftkanals), wurde das Strömungsfeld in der Fahrbahn in drei Bereiche unterteilt: „Dreieckswirbelfeld“. „in der Nähe der Kopffläche, „turbulentes Feld“ in der Mitte der Fahrbahn und „Advektionsfeld“ am Ende der Fahrbahn. Im Bereich von etwa 0–12 m von der Kopffläche nahm der Impuls des aus dem Druckluftkanal ausgestoßenen Hochgeschwindigkeitsstrahls nach der Kollision mit der Kopffläche plötzlich ab und bildete eine umgekehrte Windströmung mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 m/s. Ein Teil des Rückluftstroms wurde durch den Absaugkanal von der Fahrbahn abgeleitet, der andere Teil des Rückluftstroms bewegte sich weiter in Richtung Fahrbahnausgang. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit und des niedrigen Drucks bewegte sich das vom Einlassluftkanal erzeugte Hochgeschwindigkeitsstrahlfeld in die Nähe des Auslasses des Einlassluftkanals und bildete ein „dreieckiges Wirbelfeld“ um die Teilschnittmaschine. Darüber hinaus verringerte sich aufgrund des kontinuierlichen Unterdrucks des Abluftkanals die Geschwindigkeit des umgekehrten Luftstroms, der sich weiterhin in Richtung des Auslasses der Fahrbahn bewegte, allmählich von 4 m/s auf 0, und der umgekehrte Luftstrom begann, sich in Richtung des Auslasses zu bewegen des Abluftkanals. Daher bildete sich im Bereich von ca. 12–45 m von der Kopffläche ein „turbulentes Strömungsfeld“ aus. Im „turbulenten Strömungsfeld“ gab es eine Gegenströmung zum Ausgang des Tunnels und eine Strömung zum Ausgang des Absaugkanals. Im Bereich von ca. 45–80 m von der Kopffläche begann der umgekehrte Luftstrom gleichmäßig zum Ausgang der Fahrbahn zu strömen und bildete in diesem Bereich ein „Advektionsfeld“, und die Geschwindigkeit des Luftstroms im „Advektionsfeld“ betrug bei etwa 0,2–0,7 m/s gehalten.

Wenn das Luftvolumen des Druckluftkanals dem des Abluftkanals entsprach, wurde das Strömungsfeld in der Fahrbahn hauptsächlich in „J-förmiges Strömungsfeld“ in der Nähe der Kopffläche und „turbulentes Strömungsfeld“ in der Mitte eingeteilt Rückseite der Fahrbahn. Im Bereich von ca. 0–12 m von der Kopffläche strömte aufgrund der Vergrößerung des Luftvolumens des Absaugers der größte Teil des Rückluftstroms aus der Fahrbahn durch den Absauger, was zu einem Verlust des Rückluftvolumens führte. Ein kleiner Teil des umgekehrten Luftstroms bewegte sich mit einer Geschwindigkeit von 2,5 m/s zum hinteren Ende der Fahrbahn. Unter der Unterdruckwirkung des Saugluftkanals und dem durch den Hochgeschwindigkeitsstrahl erzeugten Unterdruckströmungsfeld nahm die Energie allmählich ab und führte zu einer Richtungsänderung. Im Bereich von ca. 19–80 m ab der Kopffläche war die in die Fahrbahn eintretende und am vorderen Ende aus der Fahrbahn ausströmende Luftmenge gleich. Daher gab es keinen großen Druckunterschied zwischen dem vorderen Ende der Fahrbahn und dem Ausgang der Fahrbahn, was zu einer geringen Strömungsfeldenergie in diesem Bereich und einer ungeordneten Luftströmung führte.

Wenn der Belüftungsmodus in der Fahrbahn von der Absauglüftung dominiert wurde (wenn das Luftvolumen des Druckluftkanals geringer war als das des Abluftkanals), war das Strömungsfeld in der Fahrbahn hauptsächlich in drei Bereiche unterteilt: „J-förmig“. „Strömungsfeld“ in der Nähe der Kopffläche, „turbulentes Strömungsfeld“ in der Mitte der Fahrbahn und „Rückströmungsfeld“ am Ende der Fahrbahn. Verglichen mit dem von der Druckeinlüftung dominierten Lüftungsmodus war der Druck am vorderen Ende der Fahrbahn aufgrund der Erhöhung des Luftvolumens des Absaugkanals geringer als am hinteren Ende der Fahrbahn; Daher strömte die Luft mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,2 m/s vom Ausgang der Fahrbahn zur Fahrbahn. In einer Entfernung von 36 m vom Kopf verstärkte sich die Saugwirkung des Saugkanals auf den Rückströmluftstrom, was zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit des Rückströmluftstroms von 0,2 auf 1 m/s führte.

Abwindströmungsdiagramm des Luftvolumens Q verschiedener Saugkanäle.

Unter der Bedingung einer langen Saug- und kurzen Druckbelüftung ist die Verteilung von CO-Gas unter verschiedenen Luftvolumina Q der Saugkanäle und dem Abstand L zwischen dem spurlosen Gummiradwagen und der Kopffläche in den Abbildungen dargestellt. 4, 5 und 6. Die unterschiedlichen Farben in den Abbildungen geben die Massenanteile von CO-Gas in verschiedenen Regionen an. Die spezifische Analyse lautet wie folgt:

Bei konstantem Abstand L zwischen dem spurlosen Gummiradwagen und der Kopffläche zeigte die CO-Verteilung in der Fahrbahn eine gewisse Regelmäßigkeit mit der Zunahme des Luftvolumens Q des Abluftkanals. Bei L = 40 m und Q = 200 m3/min war der Druck am vorderen Ende der Fahrbahn größer als am Ausgang der Fahrbahn, und der Luftstrom in der Fahrbahn wanderte vom Kopf zum Ausgang der Fahrbahn. Daher diffundierte CO in Richtung der Ausfahrt der Fahrbahn. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Diffusionsstrecke von CO 19 m und der Massenanteil lag zwischen 20 und 40 ppm. Bei L = 40 m und Q = 400 m3/min befand sich das spurlose Gummiradfahrzeug im „turbulenten Strömungsfeld“, die Windgeschwindigkeit betrug 0,45 m/s, die Energie war niedrig und der CO-Ausstoß des spurlosen Gummiradfahrzeugs gering Radwagen wurde nur unwesentlich beeinträchtigt. Zu diesem Zeitpunkt diffundierte CO-Gas mit einer bestimmten Anfangsgeschwindigkeit zur Kopffläche und die Diffusionsstrecke betrug 28 m. Bei L = 40 m und Q = 600 m3/min diffundierte CO-Gas unter dem Einfluss des Unterdrucks „J-förmiges Strömungsfeld“ an der Vorderseite der Fahrbahn zur Vorderseite. Als CO 10 m von der Kopffläche entfernt diffundierte, war CO-Gas in das vom Hochgeschwindigkeitsstrahl gebildete Unterdruck-Strömungsfeld involviert. Zu diesem Zeitpunkt wurde der Massenanteil von CO sofort von 20 auf 0,1 ppm verdünnt und die Diffusionsstrecke betrug 32 m.

Bei konstantem Luftvolumen Q des Saugkanals hatte die Position des spurlosen Gummiradwagens in der Fahrbahn nur geringen Einfluss auf das gesamte Luftströmungsfeld der Fahrbahn. Daher wurde der Diffusionszustand von CO-Gas erheblich durch das Strömungsfeld beeinflusst, das dem Standort des spurlosen Gummiradwagens entsprach. Am Beispiel von Q = 600 m3/min befand sich das spurlose Gummiradfahrzeug bei L = 20 m im „turbulenten Strömungsfeld“ und wurde vom Saugluftkanal am vorderen Ende der Fahrbahn beeinflusst. CO-Gas diffundierte zum vorderen Ende der Fahrbahn und wurde über den Saugluftkanal abgeführt. Daher war der Massenanteil des CO-Gases an der Vorderseite der Fahrbahn mit nur 0,1 ppm sehr gering. Bei L = 40 m befand sich der Wagen im Rückstaufeld. Das vom Wagen ausgestoßene CO-Gas diffundierte mit einer Rückströmungsluftströmung von 1 m/s zum vorderen Ende der Fahrbahn, und die Diffusionsstrecke betrug 28 m. Bei L = 60 m blieb die Laufkatze im Rückstaufeld. Allerdings war der Abstand im Vergleich zu L = 40 m weit von der Kopffläche entfernt und der Unterdruckeffekt des Abluftkanals wurde durch den Standort vernachlässigbar beeinflusst, so dass sich eine Rückströmungsgeschwindigkeit der Luft von nur 0,2 m/s ergab. Daher verringerte sich bei L = 60 m die Diffusionsstrecke des CO-Gases zum vorderen Ende der Fahrbahn, der Massenanteil war jedoch hoch. Die Diffusionsstrecke und der Massenanteil des CO-Gases betrugen 20 m bzw. 40 ppm.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei L = 20 m der CO-Gaskontrolleffekt für alle Luftmengen optimal war. Dies liegt daran, dass der Standort in der Nähe des Auslasses des Saugluftkanals lag. Je größer also das Ansaugvolumen des Abluftkanals ist, desto schneller diffundiert das CO-Gas zum vorderen Ende der Fahrbahn und wird durch den Abluftkanal problemlos von der Fahrbahn abgeführt. An diesem Punkt ist die mathematische Beziehung zwischen der Diffusionsstrecke C20 des CO-Gases und dem Luftvolumen Q \(C_{20} = \;\left( {2.3\; \times \;10^{ - 9} } \right )\; \times \;Q^{3,5}\) Bei L = 40 m und Q = 300 m3/min war die Diffusionsstrecke des DPM am kürzesten. Daher war die Kontrollwirkung von DPM bei diesem Luftvolumen besser. An diesem Punkt beträgt die mathematische Beziehung zwischen der Diffusionsentfernung C40 von CO-Gas und dem Luftvolumen Q \(C_{40} = \left\{ \begin{gathered} 0.0012Q^{2} - 0.65Q\; + \; 103,5\;(Q\; \le \;400) \hfill \\ 27,5\;{ + }\;\frac{1,5}{{1\;{ + }\;10\;(525 - Q)}} (Q\; > \;400) \hfill \\ \end{gathered} \right.\) unter der Bedingung, dass L = 60 m ist und dass sich die Straßenbahn näher am Ausgang der Fahrbahn befindet. Der Kontrolleffekt von DPM war besser, wenn Q = 200 m3/min, und somit konnte CO-Gas so schnell wie möglich von der Fahrbahn abgeführt werden. An diesem Punkt beträgt die mathematische Beziehung zwischen der Diffusionsentfernung C60 von CO-Gas und dem Luftvolumen Q \(C_{60} = \;(3,14\; \times \;10^{ - 4} )\;Q^{2 } - 0,2Q\; + \;51,5\).

CO-Gasverteilung bei unterschiedlichen Luftvolumina Q bei L = 20 m.

CO-Gasverteilung bei unterschiedlichen Luftvolumina Q bei L = 40 m.

CO-Gasverteilung bei unterschiedlichen Luftvolumina Q bei L = 60 m.

Unter der Bedingung einer langen Saug- und kurzen Druckbelüftung ist das NOX-Gasverteilungsgesetz bei unterschiedlichem Saugkanal-Luftvolumen Q und dem Abstand L zwischen dem spurlosen Gummiradwagen und der Kopffläche in den Abbildungen dargestellt. 7, 8 und 9. Die Farben der verschiedenen Regionen in den Abbildungen geben den Massenanteil von NOx-Gas in verschiedenen Regionen an. Um die Untersuchung der Verteilung von NOx-Gas zu erleichtern, wurde der Bereich, in dem der Massenanteil des NOx-Gases mehr als 8 ppm betrug, als Bereich mit hohem NOx-Volumenanteil bezeichnet (roter Bereich in den Abbildungen); Der Bereich, in dem der Massenanteil zwischen 6 und 8 ppm lag, wurde als NOx-Bereich mit mittlerem Volumenanteil (gelber Bereich in den Abbildungen) bezeichnet, und der Bereich, in dem der Massenanteil weniger als 6 ppm betrug, wurde als NOx-Bereich mit geringem Volumen bezeichnet NOx-Bereich (grüner Bereich in den Abbildungen). Die spezifische Analyse lautet wie folgt:

NOx-Gasverteilung bei unterschiedlichen Luftmengen Q bei L = 20 m.

NOx-Gasverteilung bei unterschiedlichen Luftmengen Q bei L = 40 m.

NOx-Gasverteilung bei unterschiedlichen Luftmengen Q bei L = 60 m.

Bei konstantem Abstand L zwischen dem spurlosen Gummiradwagen und der Kopffläche war die Verteilung von NOx und CO auf der Fahrbahn ähnlich mit der Zunahme des Luftvolumens Q des Abluftkanals. Nehmen wir als Beispiel L = 60 m und Q = 200 m3/min. Da der Druck am vorderen Ende der Fahrbahn größer war als der am Ausgang der Fahrbahn, wanderten NOx in der Fahrbahn zum Ausgang der Fahrbahn ein Ganzes mit dem Luftstrom, und die Diffusionsstrecke des hochvolumigen NOx-Anteils betrug 18,5 m. Mit der Erhöhung von Q veränderte sich die Druckdifferenz zwischen dem vorderen Ende der Fahrbahn und dem Ausgang der Fahrbahn. Bei Q = 400 m3/min diffundierte das vom spurlosen Fahrzeug mit Gummirädern ausgestoßene NOx aufgrund des Unterdrucks des Saugluftkanals in Richtung des Kopfes, und die Diffusionsstrecke des NOx mit hohem Volumenanteil betrug 11,1 m. Bei Q = 600 m3/min war der Druck am vorderen Ende der Fahrbahn geringer als am Auslass. Daher diffundierte das von dem spurlosen Gummiradfahrzeug ausgestoßene NOx zum vorderen Ende der Fahrbahn, und die Diffusionsstrecke des NOx mit hohem Volumenanteil betrug 18 m. Aus Abb. 9 lässt sich ableiten, dass der Volumenanteil des NOx-Gases gering war, nämlich 8,8 ppm, wenn der Belüftungsmodus auf der Fahrbahn von der Drucklüftung dominiert wurde (Q < 400 m3/min). Wenn der Lüftungsmodus in der Fahrbahn von der Absauglüftung dominiert wurde (Q > 400 m3/min), war der Volumenanteil des NOx-Gases relativ groß, nämlich 10 ppm.

Bei konstantem Luftvolumen Q des Abluftkanals hatte der Abstand zwischen dem spurlosen Gummiradwagen und der Kopffläche unterschiedliche Auswirkungen auf die Verteilung von NOx-Gas mit unterschiedlichen Massenanteilen. Mit einer Änderung von L änderte sich die Verteilung von NOx-Gas mit niedrigem und mittlerem Volumenanteil vernachlässigbar, die Verteilung von NOx-Gas mit hohem Volumenanteil jedoch deutlich. Aus Abb. Aus den Abbildungen 7, 8 und 9 lässt sich ableiten, dass NOx-Gas mit mittlerem Volumenanteil hauptsächlich am hinteren Ende der Fahrbahn verteilt war, während der Volumenanteil von NOx-Gas am vorderen Ende der Fahrbahn immer relativ gering war, da ein Teil davon immer relativ gering war Über den Abluftkanal wurde NOx-Gas von der Fahrbahn abgeführt. Das NOx-Gas mit hohem Volumenanteil konzentrierte sich hauptsächlich um das spurlose Gummiradfahrzeug. Dies lag daran, dass der kontinuierliche Ausstoß von NOx-Gas aus dem spurlosen Fahrzeug mit Gummirädern nicht rechtzeitig beseitigt wurde, was zu einer erhöhten NOx-Konzentration mit einem Volumenanteil von 8 ppm führte.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich bei konstantem L mit zunehmendem Luftvolumen Q der Bereich mit NOx mit hohem Volumenanteil weiter ausdehnte und sich allmählich dem Straßenkopf näherte. Gleichzeitig nahm der NOx-Bereich mit niedrigem Volumenanteil mit der Zunahme des Luftvolumens Q ab. Daher war die Kontrollwirkung des NOX-Gases besser, wenn Q = 200 und 300 m3/min. Durch Vergleich der Diffusionsstrecke und des Volumenanteils von NOx-Gas mit niedrigem, mittlerem und hohem Volumenanteil für Q = 200 und 300 m3/min lässt sich erkennen, dass bei Q = 200 m3/min der Volumenanteil von NOx-Gas mit hohem Volumenanteil war etwas kleiner, nämlich 8,5 ppm; Darüber hinaus war die Diffusionsrate von NOx-Gas mit hohem Volumenanteil schneller.

Die Abbildungen 10, 11 und 12 zeigen die Verschmutzungsentwicklung von DPM bei langem Pumpen und kurzer Druckbelüftung. Die kleinen Kugeln in den Figuren sind DPM. Die Farben stellen die Massenkonzentration von DPM dar und die Größe wird anhand der Legende in der oberen linken Ecke dargestellt. Die spezifische Analyse lautet wie folgt:

Wenn der Abstand L zwischen dem spurlosen Wagen mit Gummirädern und der Kopffläche konstant ist, stehen die Diffusionsentfernung und die Konzentration von DPM in der Fahrbahn mit L im Zusammenhang mit einer Zunahme des Luftvolumens Q des Abluftkanals. Bei L = 20 m nimmt die Diffusionsentfernung des DPM mit zunehmendem Q ab; Dies liegt daran, dass das DPM zum Ausgang der Fahrbahn diffundiert, wenn der Belüftungsmodus in der Fahrbahn hauptsächlich druckgesteuert ist. Bei Q = 300 m3/min lag die Anfangsgeschwindigkeit des DPM nach dem Ausstoß durch das spurlose Gummiradfahrzeug nahe bei und entgegengesetzt zur Geschwindigkeit des Luftstroms. Daher betrug die DPM-Konzentration bis zu 1800 ug/m3. Wenn der Belüftungsmodus in der Fahrbahn vom Absaugtyp dominiert wird, wird mit zunehmendem Luftvolumen Q die Diffusion von DPM zum Auslass der Fahrbahn blockiert. Im Gegensatz dazu führt die Erhöhung von Q dazu, dass der Großteil des DPM über den Abluftkanal von der Fahrbahn abgeführt wird; Dies verringert die DPM-Konzentration auf der Fahrbahn. Bei L = 40 und 60 m verringerte sich die Diffusionsentfernung des DPM zunächst und nahm dann mit zunehmendem Q zu.

Wenn das Luftvolumen Q des Abgaskanals konstant ist, hängen der Diffusionsabstand von DPM und der Abstand L zwischen dem spurlosen Gummiradwagen und der Kopffläche zusammen. Bei Q ≤ 300 m3/min verringerte sich mit zunehmendem L die Diffusionsstrecke von DPM zunächst und blieb dann unverändert. Wenn Q > 300 m3/min, verringerte sich die Diffusionsstrecke von DPM mit zunehmendem L; Dieses Phänomen hängt hauptsächlich mit dem Strömungsfeld am Standort des spurlosen Gummiradwagens zusammen. Als sich der spurlose Gummiradwagen am vorderen Ende der Fahrbahn befand, war die Windenergie in diesem Bereich groß und der spurlose Radwagen war dem Auslass des Saugkanals am nächsten. Daher war die Diffusionsstrecke von DPM größer und die Konzentration kleiner.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei L = 20 m DPM aufgrund des Unterdrucks am vorderen Ende der Fahrbahn zum vorderen Ende der Fahrbahn diffundiert wurde und die Diffusionsentfernung des DPM mit zunehmendem Q abnahm. Wenn also Q = 600 m3/min, der Kontrolleffekt von DPM war besser. Die mathematische Beziehung zwischen der Diffusionsentfernung von DPM D20 und dem Luftvolumen Q beträgt \(D_{20} = - \;1,2e^{\frac{Q}{199}} + 50\). Bei L = 40 m verringerte sich der Diffusionsabstand von DPM zunächst und vergrößerte sich dann mit zunehmendem Q. Bei Q = 300 m3/min war der Abgasdiffusionsabstand am kleinsten und es besteht die mathematische Beziehung zwischen dem Diffusionsabstand D40 von DPM und das Luftvolumen Q ist \(D_{40} = \left( { - 3 \times 10^{{{ - }6}} } \right)Q^{3} + 0,004Q^{2} - 1,32Q + 161\). Bei L = 60 m befand sich die Straßenbahn näher am Ausgang der Fahrbahn. Da die Diffusionsgeschwindigkeit von DPM am Austritt aus der Fahrbahn bei Q = 200 m3/min am höchsten war, wurde DPM so schnell wie möglich in die Fahrbahn abgegeben; Somit war die Abgaswirkung von DPM am besten, wenn Q = 200 m3/min. Die mathematische Beziehung zwischen der Diffusionsstrecke von DPM D60 und dem Luftvolumen Q ist \(D_{60} = \left( {2.36 \times 10^{{{ - }4}} } \right)Q^{2} - 0,193Q + 49\).

DPM-Verteilung unter verschiedenen Luftvolumina Q bei L = 20 m.

DPM-Verteilung unter verschiedenen Luftvolumina Q bei L = 40 m.

DPM-Verteilung unter verschiedenen Luftvolumina Q bei L = 60 m.

Um den Einfluss des Luftvolumens Q verschiedener Abgaskanäle und des Abstands L zwischen spurlosen Gummiradwagen und Kopfflächen auf die Schadstoffdiffusion bei langer Saug- und kurzer Druckbelüftung zu untersuchen, haben wir die Diffusionsgesetze von Schadstoffen bei verschiedenen Belüftungsparametern untersucht. Abbildung 13 zeigt die Schwankungen der CO-, NOx- und DPM-Konzentrationen entlang des Pfades.

Variation der Schadstoffkonzentration entlang des Weges.

Aus Abb. 13 lässt sich Folgendes ableiten:

Unter Berücksichtigung der Diffusionsreichweite der Schadstoffe war die Diffusionsreichweite von DPM kleiner als die von CO, NOx und anderen schädlichen Gasen. CO- und NOx-Gase wurden über die gesamte Fahrbahn verteilt, während DPM hauptsächlich in der Nähe des spurlosen Gummiradfahrzeugs verteilt wurde; Dies liegt daran, dass der Einfluss der Schwerkraft und anderer Widerstände auf den DPM weitaus größer war als der der Gase, wodurch dessen Diffusion auf der Fahrbahn behindert wurde.

Wie in den Abb. gezeigt. 13a,b betrugen die Volumenanteile von CO und NOx im Bereich nahe der Kopffläche weniger als 5 ppm. Die Volumenanteile von CO und NOx standen im Zusammenhang mit dem Luftvolumen Q und dem Abstand L zwischen dem spurlosen Gummiradwagen und der Kopffläche. Mit zunehmender Luftmenge Q nahmen die Volumenanteile von CO und NOx allmählich zu. Die Volumenanteile von CO und NOx in der Nähe der Kopffläche nahmen mit zunehmendem Abstand L zwischen dem spurlosen Gummiradfahrzeug und der Kopffläche allmählich ab. Mit Ausnahme des Frontbereichs und des Abgasauslassbereichs waren die Volumenanteile von CO und NOx stabil und betrugen 10 ppm bzw. 8 ppm.

Wie in Abb. 13c dargestellt, war DPM hauptsächlich um den Abgasauslass verteilt und die Konzentrationen überstiegen den zulässigen Konzentrationsgrenzwert (0,1 mg/m3). Bei L = 20 und 40 m betrug die Diffusionsreichweite von DPM 40 m, was viel größer ist als die Diffusionsentfernung von DPM bei L = 60 m. Aufgrund der langsamen Diffusionsrate von DPM diffundierte DPM zum Ausgang der Fahrbahn, wenn der Abstand zwischen dem spurlosen Wagen mit Gummirädern und der Kopffläche 60 m betrug und das Luftvolumen Q 200 m3/min betrug. Zu diesem Zeitpunkt war die DPM-Verschmutzung im Arbeitsbereich der Ortsbrust gering.

Mit dem Anemometer TSI-9545 und dem tragbaren Laserpartikelzähler AEROTRAK™9306 wurden die Windgeschwindigkeit auf der Fahrbahn und die Konzentration der vom spurlosen Gummilaster freigesetzten Abgaspartikel gemessen. Um Messfehler zu vermeiden, wurde jeder Messpunkt dreimal hintereinander abgetastet und der Durchschnittswert der drei Messungen als Endergebnis herangezogen. Die Anordnung der Messpunkte ist in Abb. 14 dargestellt. Die simulierten und gemessenen Werte der Windgeschwindigkeit an den Messpunkten sind in Tabelle 2 dargestellt. Die simulierten und gemessenen DPM-Werte der Messpunkte sind in Tabelle 3 dargestellt. Durch Vergleich der gemessenen Wenn man Windgeschwindigkeit und Abgaspartikel an jedem Messpunkt mit der entsprechenden numerischen Simulation betrachtet, kann man feststellen, dass der relative Fehler zwischen dem simulierten Wert und dem gemessenen Wert zwischen 1,62 und 16,6 % liegt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ergebnisse der numerischen Simulation gut mit den Ergebnissen der Feldmessung übereinstimmen und die Ergebnisse der numerischen Simulation die tatsächliche Situation im Feld effektiv widerspiegeln können.

Anordnung der Messstellen.

Bei L = 20 m war die Kontrollwirkung von CO-Gas für jedes Luftvolumen Q optimal. Bei Q = 600 m3/min diffundierte CO-Gas jedoch schnell zum vorderen Ende der Fahrbahn und wurde leicht von der Fahrbahnseite abgeführt der Abluftkanal; Daher ist die Kontrollwirkung von CO bei diesem Luftvolumen besser. Die Diffusionsstrecke des DPM nimmt mit zunehmendem Q ab. Bei Q = 600 m3/min diffundierte das DPM aufgrund des Unterdrucks am vorderen Ende der Fahrbahn zum vorderen Ende der Fahrbahn und wurde durch die Fahrbahn ausgetragen der Saugluftkanal; Daher ist die Kontrollwirkung von DPM bei diesem Luftvolumen besser. Mit der Zunahme des Luftvolumens Q dehnte sich der Bereich mit hohem NOx-Volumenanteil weiter aus, während der Bereich mit niedrigem NOx-Volumenanteil weiter abnahm. Daher ist die Kontrollwirkung des NOx-Gases optimal, wenn Q = 200 und 300 m3/min. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass zur umfassenden Kontrolle und Entfernung giftiger und schädlicher Substanzen in einer umfassenden Baugrube die Abgaskontrollwirkung in der Fahrbahn optimal ist, wenn Q = 600 m3/min.

Bei L = 40 m nahm die Diffusionsstrecke des CO-Gases zunächst ab und nahm dann mit zunehmendem Q zu. Bei Q = 300 m3/min war die Diffusionsstrecke des CO-Gases am kürzesten; Daher ist die Kontrollwirkung von CO-Gas unter diesem Luftvolumen besser und das Diffusionsgesetz von NOx-Gas ist das gleiche wie bei L = 20 m. Mit der Zunahme des Luftvolumens Q dehnt sich der Bereich mit hohem NOx-Volumenanteil weiter aus, während der Bereich mit niedrigem NOx-Volumenanteil weiter abnimmt. Daher ist die Kontrollwirkung des NOx-Gases gut, wenn Q = 200 und 300 m3/min. Die Diffusionsstrecke des DPM verringert sich zunächst und nimmt dann mit zunehmendem Q zu. Bei Q = 300 m3/min war die Abgasdiffusionsstrecke minimal. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unter der Bedingung L = 40 m die Abgaskontrollwirkung in der Fahrbahn optimal ist, wenn Q = 300 m3/min.

Bei L = 60 m befand sich das spurlose Gummiradfahrzeug näher am Ausgang der Fahrbahn. Wenn der Belüftungsmodus in der Fahrbahn hauptsächlich eine Drucklüftung ist, werden die Abgase schnell von der Fahrbahn abgeführt und die Abgaskonzentration in der Fahrbahn nimmt schnell ab. Bei Q = 200 m3/min handelte es sich bei der Belüftung der Fahrbahn hauptsächlich um eine Drucklüftung. Bei diesem Luftvolumen bewegten sich CO-Gas und DPM zum Auslass der Fahrbahn, und die Diffusionsstrecke war gering. Darüber hinaus waren im Vergleich zu anderen Luftmengen der Bereich mit hohem NOx-Volumenanteil und der Bereich mit mittlerem NOx-Volumenanteil bei diesem Luftvolumen kleiner. Daher ist unter der Bedingung L = 60 m und Q = 200 m3/min die Abgaskontrollwirkung in der Fahrbahn optimal.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

Luftdichte (kg/m3)

Turbulente kinetische Energie (m2/s2)

Turbulente Energiedissipationsrate (m2/s2)

Laminarer Viskositätskoeffizient (Pa·s)

Turbulenzviskositätskoeffizient (Pa·s)

Konstanten im Standard-k-Modell (1.44)

Konstanten im Standard-k-Modell (1.92)

Konstanten im Standard-k-Modell (1,00)

Konstanten im Standard-k-Modell (1.30)

Turbulente Schmidt-Zahl

Der Massenanteil des Schadgases

Teilchenmasse

Flüssigkeitsphasengeschwindigkeit (m/s)

Partikelgeschwindigkeit (m/s)

Dichte des Partikels (kg/m3)

Zusätzliche Kraft

Partikeldurchmesser (m)

Reynolds Nummer

Kinetische Energie der Turbulenz (m2/s2)

Turbulente Dissipationsrate (m2/s2)

Teilchenrelaxationszeit

Zufällige Pulsationsgeschwindigkeit (m/s)

Zufällige Pulsationsgeschwindigkeit (m/s)

Zufällige Pulsationsgeschwindigkeit (m/s)

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Diese Arbeit wurde finanziell von der National Natural Science Foundation of China (Grant-Nr. 52274215, 51904171), dem Qingchuang Science and Technology Project of Universities in Shandong Province, China (Grant-Nr. 2019KJH005) und dem Outstanding Young Talents Project der Shandong University unterstützt of Science and Technology (Grant-Nr. SKR22-5-01).

Hochschule für Sicherheit und Umwelttechnik, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, 266590, China

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

Staatliches Schlüssellabor für Bergbaukatastrophenprävention und -kontrolle, gemeinsam gegründet von der Provinz Shandong und dem Ministerium für Wissenschaft und Technologie, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, 266590, China

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

Nanjing Design and Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group, Nanjing, 210031, China

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Alle Autoren haben zur Konzeption und Gestaltung der Studie beigetragen. ZG: Betreuung, Projektadministration, Fördermittelakquise. YY: Konzeptualisierung, Schreiben – ursprünglicher Entwurf, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. DJ: Formale Analyse, Datenkuration, Methodik. BJ: Untersuchung, Experiment. SB: Experimentieren. Alle Autoren kommentierten frühere Versionen des Manuskripts. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Biao Sun.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhou, G., Yang, Y., Duan, J. et al. Einfluss der Mischbelüftung auf die Partikelgasdiffusion und -verteilung von Dieselmotorabgasen in vollmechanisierten Baugruben. Sci Rep 13, 1585 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27812-z

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Eingegangen: 16. September 2022

Angenommen: 09. Januar 2023

Veröffentlicht: 28. Januar 2023

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

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