Influencia de la ventilación mixta en partículas

Jul 31, 2023

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

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Detalles de métricas

El gas de cola emitido por los vagones subterráneos sin orugas con ruedas de goma representa una grave amenaza para la salud y la seguridad de los trabajadores subterráneos. Para reducir efectivamente la concentración de gas de cola de un frente 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 carros con ruedas de caucho sin orugas y los frentes de cabeza en la ley de difusión de las partículas diésel, CO, y NOx bajo ventilación de succión larga y presión corta. Los resultados mostraron que bajo la condición de L = 20 m, el carro de 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 del gas de cola en la calzada es óptimo. Además, bajo la condición de L = 40 m, el automóvil con ruedas de caucho sin orugas está en el medio de la calzada. En este punto, cuando Q = 300 m3/min, el efecto de control del gas de cola en la calzada es óptimo. Cuando L = 60 m y Q = 200 m3/min, el modo de ventilación en la calzada es principalmente ventilación por presión. La región de NOx de fracción de volumen alto y la región de NOx de fracción de volumen medio debajo de 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 de las minas, la demanda de transporte auxiliar subterráneo por parte de las empresas mineras está aumentando7,8,9. Los vagones sin orugas con ruedas de caucho se utilizan ampliamente en las 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 materiales y reduce la intensidad de trabajo de los mineros10,11,12. Sin embargo, debido al estrecho espacio del amplio frente de trabajo de excavación, 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 productos químicos tóxicos están presentes en la superficie de DPM, que pueden causar daños graves al sistema respiratorio humano13,14. Cuando el NOx ingresa a los alvéolos, se forman nitrito y ácido nítrico, que tienen un efecto estimulante severo en el tejido pulmonar. Después de la inhalación, el CO puede unirse fácilmente a la hemoglobina en la sangre, lo que provoca 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 de seguridad minera15,16.

La tecnología de purificación de gases de escape diésel comúnmente utilizada se divide principalmente en dos categorías: purificación interna y externa. Ji et al.17 agregaron una pequeña cantidad de aditivo metálico Ce al aceite diesel y observaron que con un aumento en el contenido de Ce, HC, CO y partículas en el escape del motor diesel disminuyeron significativamente; sin embargo, su contenido de NOx aumentó. Lou et al. estableció un modelo de simulación de un captador de partículas de motor diésel (DPF) 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 dañinas, y requieren el reemplazo frecuente de los filtros desechables. Para el ambiente subterráneo húmedo y polvoriento, se adopta la ventilación en las minas para diluir y dispersar los gases de escape. Kurnia et al. propuso técnicas de ventilación innovadoras utilizando métodos de dinámica de fluidos computacional (CFD) para evaluar el flujo de aire de fondo de pozo, el oxígeno y la dispersión de gases nocivos19. Los resultados mostraron que el diseño de ventilación propuesto puede hacer frente a las emisiones de gases nocivos de manera eficiente. Fava et al. propuso 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, por lo que se obtuvieron resultados detallados20. Thiruvengadam et al. utilizó el modelo de transporte de materiales y el modelo de fase discreta en ANSYS FLUENT para realizar simulaciones numéricas de DPM emitidas por carretillas elevadoras subterráneas21. Los resultados mostraron que la concentración de DPM simulada por el modelo de fase discreta es cercana 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 calzada a través de 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. estudió el estado de difusión de DPM en dos escenarios subterráneos usando CFD y verificó los resultados de la simulación a través de mediciones de campo24. Liu et al. usó un método de combinación de simulación numérica con mediciones de campo para estudiar el estado de distribución de DPM en la calzada y el efecto de dilución del volumen de aire en DPM cuando el vehículo con ruedas de goma sin orugas está inactivo en diferentes condiciones subterráneas durante 60 s25.

Los académicos nacionales y extranjeros mencionados anteriormente han realizado muchas investigaciones sobre la ley de difusión de DPM en minas subterráneas, lo que ha proporcionado una valiosa experiencia para resolver el problema de la sobrecarga de DPM en el subsuelo. Sin embargo, solo consideraron el factor dañino de DPM y no realizaron un estudio exhaustivo sobre la ley de distribución y difusión del flujo bifásico gas-sólido compuesto por 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 aún es superficial.

Por lo tanto, en este documento, 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 consta de DPM, CO y NOX, consideramos los efectos del transporte de dispersión entre diferentes componentes de los contaminantes de escape e integramos la teoría de investigación del flujo bifásico gas-sólido para analizar la dispersión de los contaminantes de escape emitidos por los vehículos sin orugas con ruedas de goma. Mientras tanto, se tuvo en cuenta el efecto del sistema de ventilación en la distribución de los contaminantes de escape emitidos por el carro con ruedas de goma sin orugas, y la influencia del volumen de succión Q del soplador extraído y la distancia L del carro con ruedas de goma sin orugas desde el cabeza 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 el gas de 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 el frente de conducción afecta directamente la ley de difusión del polvo y el gas de cola del vehículo con ruedas de goma sin orugas. El estado de flujo del aire en una mina de carbón generalmente se considera turbulento26,27. En la actualidad, la ecuación de promedio de tiempo de Reynolds se usa generalmente para la simulación de turbulencia en ingeniería. La idea básica es expresar la pulsación transitoria en la ecuación promediada en el tiempo a través del modelo de dos ecuaciones k-ε.

La ecuación para la conservación de la 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 se puede considerar como un problema de transporte de múltiples componentes sin reacción química. Este documento 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 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 usa 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 relativo de Reynolds, que se define como

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

SolidWorks se utilizó para modelar el frente de dirección de la carretera aérea de retorno 15113 de Pingshu Company of Yangmei Group. Como se muestra en la Fig. 1, el modelo geométrico del sistema de ventilación a presión consta de cinco partes: calzadas, rozadoras, conductos de aire a presión, bandas de transporte y carros con ruedas de caucho sin orugas. Basado en el modelo geométrico del sistema de ventilación presurizado, 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 altura; La longitud de la excavación EBZ-200H fue de 8,30 m, el ancho de 2,30 m, la altura de 2,90 my estaba a 1,00 m de la pared lateral; el ducto de aire de succión 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 ducto de aire hasta la cabecera; el conducto de aire de salida a presión tenía 30 m de largo, 0,8 m de diámetro, 3,4 m desde el eje hasta el piso de la calzada, y la distancia entre la cola del carro sin orugas y la 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 caucho sin orugas emite gas de cola en estado estático, se usó la malla tetraédrica para dividir el modelo de túnel en su totalidad, y luego la malla se refinó localmente cambiando el tamaño digital de " Captura de 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 usó para verificar la calidad de los cuatro grupos de mallas, y los resultados de la inspección muestran que la calidad de las mallas se encuentra 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 a través de CFD-POST. Finalmente, se realizó una prueba de independencia para las cuatro cuadrículas, como se muestra en la Fig. 2. En la figura se puede ver que la tendencia de variación de la velocidad del flujo de aire simulada por las cuatro cuadrículas es aproximadamente la misma, pero los resultados obtenidos por las cuadrículas C y D están relativamente cerca, mientras que los resultados obtenidos por las cuadrículas A y B tienen grandes desviaciones. Por lo tanto, considerando la precisión de la simulación y el costo del cálculo de manera integral, se selecciona la cuadrícula C para el cálculo de la simulación.

Verificación de independencia de red.

El contador de partículas láser portátil AEROTRAK™9306 y un detector de longitud específico se utilizan para determinar las concentraciones de partículas, CO y NOx en el escape del camión de caucho sin orugas. La tasa de flujo 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, se utiliza como parámetro de simulación numérica. Los ajustes de parámetros específicos se muestran en la Tabla 1.

La Figura 3 muestra la regla de migración del flujo de aire bajo ventilación de presión larga y corta. 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 incrementó en forma de gradiente de 200 a 600 m3/min.

Cuando el modo de ventilación en la calzada estuvo dominado por la ventilación presurizada (cuando el volumen de aire del conducto de aire presurizado es mayor que el del conducto de aire de extracción), el campo de flujo en la calzada se dividió en tres áreas: "campo de Foucault triangular " cerca de la cabeza, "campo turbulento" en el medio de la calzada y "campo de advección" en la cola de la calzada. Dentro del rango de aproximadamente 0 a 12 m desde la cara frontal, el momento del chorro de alta velocidad expulsado del conducto de aire presurizado disminuyó repentinamente después de chocar con la cara frontal 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 calzada a través del conducto de succión, y la otra parte del flujo de aire inverso continuó moviéndose hacia la salida de la calzada. 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 continuaba moviéndose hacia la salida de la calzada disminuyó gradualmente de 4 m/s a 0, y el flujo de aire inverso comenzó a moverse hacia la salida. del conducto de aire del extractor. Por lo tanto, se formó un "campo de flujo turbulento" dentro del rango de aproximadamente 12 a 45 m desde la cabeza. 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 cabeza, el flujo de aire inverso comenzó a fluir suavemente hacia la salida de la calzada y formó un "campo de advección" en esta área, y la velocidad del flujo de aire en el "campo de advección" fue mantenido a aproximadamente 0,2–0,7 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 calzada se clasificaba principalmente en "campo de flujo en forma de J" cerca de la cara superior y "campo de flujo turbulento" en el medio y parte trasera de la calzada. Dentro del rango de aproximadamente 0 a 12 m desde la cabeza, debido al aumento en el volumen de aire del extractor, la mayor parte del flujo de aire inverso salió de la calzada 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 la parte trasera de la calzada 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 cabeza, el volumen de aire que ingresaba a la calzada y salía de la calzada en el extremo delantero era el mismo. Por lo tanto, no había 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 por 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 cabeza, "campo de flujo turbulento" en el medio de la calzada y "campo de reflujo" en la cola de la calzada. En comparación con el modo de ventilación dominado por la ventilación de entrada a presión, la presión en el extremo delantero de la calzada era menor que en el extremo trasero de la calzada debido al aumento del 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 a 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 retorno, lo que resultó en un aumento de la velocidad del flujo de aire de retorno de 0,2 a 1 m/s.

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

Bajo la condición de succión larga y ventilación de 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 de ruedas de goma sin orugas y la cabeza se muestra 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 carro de ruedas de goma sin orugas y la cara frontal era constante, la distribución de CO en la calzada exhibió cierta regularidad con el aumento del volumen de aire Q del conducto de aire de extracción. Cuando L = 40 m y 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 migró desde la cabecera hasta la salida de la calzada. Por lo tanto, el CO se difundió en dirección a la salida de la calzada. En ese momento, la distancia de difusión del CO era de 19 my la fracción de masa estaba entre 20 y 40 ppm. Cuando L = 40 m y Q = 400 m3/min, el vehículo con ruedas de goma 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 la emisión de CO del vehículo sin orugas coche de ruedas se vio afectado de manera insignificante. En ese momento, el gas CO se difundió hacia la cabeza a cierta velocidad inicial y la distancia de difusión fue de 28 m. Cuando L = 40 m y 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 calzada. Cuando el CO se difundió a 10 m 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 de masa 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 de ruedas de goma sin orugas en la calzada tenía poca influencia en el campo de flujo de aire general de la calzada. Por lo tanto, el estado de difusión del gas CO se vio significativamente afectado por el campo de flujo correspondiente a la ubicación del automóvil 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 se vio afectado por el conducto de aire de succión en el extremo delantero de la calzada. El gas CO se difundió al extremo delantero de la calzada y se descargó a través del conducto de aire de succión. Por lo tanto, la fracción de masa de gas CO al frente de la calzada era muy pequeña, de solo 0,1 ppm. Cuando L = 40 m, el carro estaba en el campo de reflujo. El gas CO descargado por el carro se difundió hacia el extremo frontal de la calzada 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 reflujo. Sin embargo, en comparación con L = 40 m, la distancia estaba lejos de la cara frontal y el efecto de presión negativa del conducto de aire de extracción se vio afectado de manera insignificante por la ubicación, lo que resultó en una velocidad de flujo de aire de retorno de solo 0,2 m/s. Por lo tanto, cuando L = 60 m, la distancia de difusión del gas CO hasta el extremo frontal de la calzada disminuyó, pero la fracción de masa fue alta. La distancia de difusión y la fracción de masa del gas CO fueron 20 m y 40 ppm, respectivamente.

En resumen, cuando L = 20 m, el efecto de control de 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 calzada y el conducto de aire del extractor lo descarga fácilmente desde el frente 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 m y Q = 300 m3/min, la distancia de difusión del DPM fue la más corta. Por lo tanto, el efecto de control de DPM fue mejor bajo 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 \(C_{40} = \left\{ \begin{reunidos} 0.0012Q^{2} - 0.65Q\; + \; 103.5\;(Q\; \le \;400) \hfill \\ 27.5\;{ + }\;\frac{1.5}{{1\;{ + }\;10\;(525 - Q)}} (Q\; > \;400) \hfill \\ \end{reunidos} \right.\) bajo la condición de L = 60 my que el carro está más cerca de la salida de la calzada. El efecto de control de DPM fue mejor cuando Q = 200 m3/min y, por lo tanto, el gas CO podría descargarse de la calzada 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 de ruedas de goma sin orugas y la cara frontal, 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 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 denominó región NOx de fracción de volumen medio (región amarilla en las figuras), y la región donde la fracción de masa estaba por debajo de 6 ppm se denominó fracción de volumen bajo. Región NOx (región verde en las figuras). El análisis específico es el siguiente:

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

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

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

Cuando la distancia L entre el carro sin orugas y la cara frontal era constante, la distribución de NOx y CO en la calzada era similar con el aumento del volumen de aire Q del conducto de aire de extracción. Tomando L = 60 m como ejemplo, cuando Q = 200 m3/min, debido a que la presión en el extremo frontal de la calzada era mayor que la de la salida de la calzada, el NOx en la calzada migró a la salida de la calzada como un todo con el flujo de aire, y la distancia de difusión de la fracción de alto volumen de NOx fue de 18,5 m. Con el aumento de Q, cambió la diferencia de presión entre el extremo frontal de la calzada y la salida de la calzada. Cuando Q = 400 m3/min, debido a la presión negativa del conducto de aire de succión, el NOx descargado por el vehículo con ruedas de goma sin orugas se difundió 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 calzada era menor que en la salida. Por lo tanto, el NOx descargado por el vehículo con ruedas de caucho sin orugas se difundió hacia el extremo delantero de la calzada, 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 calzada estaba dominado por la ventilación con presión (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 calzada estaba dominado por la ventilación por extracción (Q > 400 m3/min), la fracción de volumen de gas NOx era relativamente grande, es decir, 10 ppm.

Cuando el volumen de aire Q del conducto de aire de extracción era constante, la distancia entre el carro de ruedas de goma sin orugas y la cara frontal tenía efectos variados en la distribución del gas NOx con diferentes fracciones de masa. Con un cambio en L, la distribución de gas NOx con fracciones de volumen bajo y medio cambió de manera insignificante, pero la distribución de 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 medio se distribuyó principalmente en el extremo posterior de la calzada, mientras que la fracción de volumen de gas NOx en el extremo frontal de la calzada siempre fue relativamente baja porque una parte de El gas NOx fue descargado de la calzada por el conducto de aire de extracción. La fracción de alto volumen de gas NOx se concentró principalmente alrededor del vehículo con ruedas de caucho sin orugas. Esto se debió a que la emisión continua de gas NOx del vehículo con ruedas de goma sin orugas 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 alto volumen de NOx continuó expandiéndose y gradualmente se acercó al inicio de la calzada. 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 era ligeramente menor, es decir, 8,5 ppm; además, la velocidad 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 de DPM bajo bombeo largo y ventilación de presión corta. Las bolitas de las figuras son DPM. Los colores representan la concentración de masa 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 carro de ruedas de caucho sin orugas y la cara frontal 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 de extracción. Cuando L = 20 m, la distancia de difusión del DPM disminuye con el aumento de Q; esto se debe a que el DPM se difunde hacia la salida de la calzada cuando el modo de ventilación en la calzada es impulsado principalmente por la presión. Cuando Q = 300 m3/min, la velocidad inicial del DPM, después de ser descargado por el vehículo sin orugas con ruedas de caucho, fue 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 se descargue de la calzada por el conducto de aire de extracción; esto reduce la concentración de DPM en la calzada. 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 carro de ruedas de goma sin orugas y la cara frontal están relacionadas. Cuando Q ≤ 300 m3/min, con un aumento de L, la distancia de difusión de DPM primero disminuyó y luego permaneció sin cambios. Cuando Q > 300 m3/min, la distancia de difusión de DPM disminuyó con el aumento de L; este fenómeno está relacionado principalmente con el campo de flujo en la ubicación del carro con ruedas de goma sin orugas. Cuando el automóvil con ruedas de goma sin orugas estaba en el extremo delantero de la carretera, la energía eólica en esta área era grande y el automóvil con ruedas sin orugas estaba más cerca de la salida del conducto de succión. Por lo tanto, la distancia de difusión de DPM fue mayor y la concentración fue 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 de Q. Por lo tanto, cuando Q = 600 m3/min, el efecto de control de 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 de 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 de 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 de 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 carros con ruedas de goma sin orugas y los cabezales en la difusión de contaminantes bajo ventilación de succión larga y presión corta, estudiamos las leyes de difusión de contaminantes bajo diferentes parámetros de ventilación. La Figura 13 muestra las variaciones en las concentraciones de CO, NOx y DPM a lo largo del trayecto.

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

Se puede inferir de la Fig. 13 que:

Teniendo en cuenta el rango de difusión de los contaminantes, el rango de difusión de DPM fue menor que el de 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 caucho sin orugas; esto se debe a que la influencia de la gravedad y otras resistencias sobre el DPM era mucho mayor que la de los gases, lo que dificultaba su difusión en la calzada.

Como se muestra en las Figs. 13a,b, las fracciones de volumen de CO y NOx en el área cercana a la cabeza eran 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 carro sin orugas y la cabeza. Con un aumento en el volumen de aire Q, las fracciones de volumen 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 goma sin orugas y la cabeza. Excepto por el área frontal y el área de salida del escape, las fracciones de volumen de CO y NOx fueron estables, y las fracciones de volumen fueron 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 a L = 60 m. Debido a la lenta tasa de difusión de DPM, cuando la distancia entre el carro sin orugas y la cara frontal era de 60 m y el volumen de aire Q era de 200 m3/min, DPM se difundió a la salida de la calzada. En este punto, la contaminación de DPM en el área de trabajo del frente de conducción era pequeña.

El anemómetro TSI-9545 y el contador de partículas láser portátil AEROTRAK™9306 se utilizaron para medir la velocidad del viento en la carretera y la concentración de partículas de gas de cola liberadas por el camión de goma sin orugas. Para evitar errores de medición, cada punto de medición se muestreó tres veces consecutivas y el valor promedio de las tres mediciones se tomó como resultado final. El diseño de los puntos de medición se muestra en la Fig. 14. Los valores medidos y simulados de la velocidad del viento en los puntos de medición se muestran en la Tabla 2. Los valores de DPM medidos y simulados de los puntos medidos se muestran en la Tabla 3. Comparando los valores 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 la medición del campo, y los resultados de la simulación numérica pueden reflejar efectivamente la situación real del campo.

Disposición de puntos de medida.

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 calzada y se descargó fácilmente del frente de circulación por el conducto de aire de extracción; por lo tanto, el efecto de control de CO es mejor bajo este volumen de aire. La distancia de difusión del DPM disminuye con un aumento de Q. Cuando Q = 600 m3/min, el DPM se difundió hacia el extremo frontal de la calzada debido a la presión negativa en el extremo frontal de la calzada y se descargó de la calzada a través de el conducto de aire de aspiración; por lo tanto, el efecto de control de DPM es mejor bajo 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 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 las sustancias tóxicas y nocivas en un frente de excavación integral, el efecto de control de gases de escape en la calzada 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 de 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 para 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 de DPM primero disminuye y luego aumenta con un aumento de Q. Cuando Q = 300 m3/min, la distancia de difusión de los gases de escape era mínima. En conclusión, bajo la condición de L = 40 m, el efecto de control de gases de escape en la calzada 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 calzada. Cuando el modo de ventilación en la calzada es principalmente ventilación por 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 calzada era principalmente ventilación por presión. Con este volumen de aire, el gas CO y el DPM se trasladaron a la salida de la calzada 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 calzada es óptimo.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido 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 turbulento de Schmidt

La fracción de masa del gas nocivo

masa de partículas

Velocidad de la fase del fluido (m/s)

Velocidad de 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)

Velocidad de pulsación aleatoria (m/s)

Velocidad de pulsación aleatoria (m/s)

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Este trabajo fue apoyado financieramente por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención n.º 52274215, 51904171), el Proyecto de Ciencia y Tecnología Qingchuang de las Universidades de la provincia de Shandong, China (Subvención n.º 2019KJH005) y el Proyecto de Jóvenes Talentos Sobresalientes de la Universidad de Shandong. de Ciencia y Tecnología (Beca no. 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 Co-fundado 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 el 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 sobre 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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Reimpresiones y permisos

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

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Recibido: 16 Septiembre 2022

Aceptado: 09 enero 2023

Publicado: 28 enero 2023

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

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