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基于FLUENT的粉尘扩散分析

文档作者：钱松文档来源：上海煤科检测技术有限公司		点击数：	更新时间： 2025年10月22日
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基于ＦＬＵＥＮＴ 的粉尘扩散分析
钱松
(上海煤科检测技术有限公司ꎬ上海　２０１４０１)
[关键词]粉尘ꎻ扩散ꎻ仿真ꎻＣＦＤ
[摘　要]建立了不同的粉尘扩散模型ꎬ采用ＦＬＵＥＮＴ 软件对不同模型的扩散情况进行分
析ꎬ总结出扩散的特点ꎬ并提出防扩散建议ꎮ
[中图分类号] ＴＤ７９ [文献标识码] Ａ [文章编号]１００４ －９１１８(２０１９)０２ －００１２ －０４
ＤＯＩ:１０. １４０２３/ ｊ. ｃｎｋｉ. ｄｑｆｂ. ２０１９. ０２. ００４
Ｄｕｓｔ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＬＵＥＮＴ
Ｑｉａｎ Ｓｏｎｇ
(Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍｅｉｋｅ Ｔｅｓｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ. ꎬ ＬｔｄꎬＳｈａｎｇｈａｉ ２０１４０１)
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ:ｄｕｓｔꎻｄｉｆｆｕｓｉｏｎꎻｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎻｆｌｕｅｎｔ Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｔ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｕｓｔ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓꎬ ｕｓｅｓ ＦＬＵＥＮＴ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ
ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓꎬ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎꎬ ａｎｄ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｓｏｍｅ ｓｕｇ￣
ｇｅｓｔｉｏｎｓ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ.
０　引言
对于存在可燃性粉尘的爆炸危险场所ꎬ需要
采取有效的改善措施ꎬ减少粉尘扩散的情况ꎮ 但
是由于现场情况复杂ꎬ设计造成的涡流、回流、压
力、速度分布不均匀[１] ꎬ导致粉尘颗粒运动具有
随机性ꎬ无法像气体扩散那样计算确定区域范围ꎬ
如果采用ＣＦＤ(Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓꎬ 计
算流体动力学)软件ꎬ将更好地帮助我们分析粉
尘扩散现象ꎬ并进行针对性地改进ꎮ
１　分析方案
为了直观地分析粉尘扩散的过程ꎬ本文采用
ＡＮＳＹＳ ＦＬＵＥＮＴ 作为分析工具ꎬＦＬＵＥＮＴ 是目前
比较成熟的商业ＣＦＤ 软件ꎬ可以进行各种状态下
的计算ꎬ并附带有强大的后处理功能ꎬ方便对计算
结果进行全面分析[２] ꎮ 建模时ꎬ选择粉尘生产企
业最典型的工序进行分析ꎬ在封闭的房间内ꎬ无明
显空气流动ꎬ上方的下料口往容器内下料ꎮ 由于
仅仅是定性分析ꎬ因此ꎬ本文就不体现所用粉尘的
参数ꎮ
为了对比效果ꎬ采用两种不同粒径的粉料进
行测试ꎮ 当粉尘粒径大时ꎬ单个颗粒质量大ꎬ不容
易随空气流动而扩散[３] ꎬ粒径小的粉尘扩散更明
显ꎮ 因此ꎬ本文用小粒径的粉尘进行仿真试验ꎮ
根据粉尘扩散的特点ꎬ本文采用了多相模型进行
仿真[４ －５] ꎮ 由于本文主要在于分析粉尘扩散的现
象ꎬ限于篇幅ꎬ不在此介绍粉尘扩散相关理论知
识ꎮ
２　不同工况对比
为了对比扩散的情况ꎬ根据现场实际可能出
现的工况ꎬ建立了下料口高出容器、下料口与容器
齐平、容器口被部分封闭的情况ꎮ
(１)首先ꎬ是下料口高出容器的情况ꎬ结构如
图１所示ꎬ下料口底部距离敞口容器的上沿有一
　　[收稿日期]２０１９ －０２ －２０
　　[作者简介]钱松(１９８０—　)ꎬ男ꎬ２００３ 年毕业于中国矿业大学ꎬ高级工程师ꎬ主要从事防爆电气设备检测工作ꎮ
— １２ —
«电气防爆»　２０１９ 年４ 月　第２ 期
定距离ꎮ
图１　高下料口示意图
通常这种情况下粉尘扩散最为严重ꎬ在仿真
时也确实如此ꎮ 观察粉尘浓度分布云图(图２)及
粉尘运动矢量图(图３、图４)ꎬ可以看到ꎬ超细的
粉尘在下料时ꎬ虽然正对着容器下落ꎬ但由于受气
流影响非常明显ꎮ 这个气流包括两部分ꎬ一是与
粉料一同从下料口落下的空气ꎻ二是从外部进入
容器的空气ꎬ这些气体进入容器后会沿着筒壁上
升扩散到环境中ꎬ质量非常小的粉料也会随着空
气流动ꎮ 由于下料口高出容器口ꎬ补充进入容器
的空气和从容器内流出的空气有各自的通道ꎬ互
不干涉ꎬ因此ꎬ粉尘扩散基本不受影响ꎮ 在这种情
况下ꎬ下料初期的粉尘扩散情况就非常严重ꎬ在容
器周围堆积厚度上升很快ꎬ环境中粉尘浓度完全
失控ꎬ如果是可燃性粉尘ꎬ遇到环境中非防爆电气
设备和高温运动部件ꎬ极有可能发生爆炸ꎮ
图２　高下料口粉尘扩散浓度分布云图
图３　高下料口下料时粉尘运动矢量图
(２)其次ꎬ是下料口与容器齐平的情况ꎬ如图
５ 所示ꎬ下料口底部与敞口容器上沿处于同一水
平位置ꎮ
图４　下料口粉尘运动矢量放大图
图５　平下料口示意图
这种情况下ꎬ下料初期的粉尘扩散并不严重ꎬ
但后期的扩散情况也很明显ꎮ 观察粉尘浓度分布
云图(图６)及粉尘运动矢量图(图７、图８、图９)ꎬ
在初期ꎬ由于下料口与容器口齐平ꎬ粉尘沿筒壁上
升到达顶部时ꎬ速度已经非常小ꎬ在遇到外部向内
流动的空气时ꎬ也随之重新回到容器内ꎻ到后期ꎬ
由于容器已经半满ꎬ粉尘上升时速度损失较小ꎬ到
达筒口时ꎬ还有较大速度ꎬ可以抵抗向内的气流而
扩散到容器外部ꎬ反映在宏观上就是:初期粉尘扩
散不严重ꎬ后期的粉尘扩散严重ꎮ
图６　平下料口粉尘扩散浓度分布云图
图７　平下料口下料时粉尘运动矢量图
— １３ —
􀅰粉尘专题􀅰　基于ＦＬＵＥＮＴ 的粉尘扩散分析
图８　初期下料口粉尘运动矢量放大图
图９　后期下料口粉尘运动矢量放大图
(３)最后ꎬ是容器口部分封闭的情况ꎬ如图１０
所示ꎬ下料口底部与容器上沿处于同一水平ꎬ但是
容器采取了一定的密封措施ꎮ
图１０　部分密封下料口示意图
图１１　封闭下料口粉尘扩散浓度分布云图
如果将容器完全封闭扎紧ꎬ在下料过程中肯
定不会有明显的扩散ꎬ为了分析扩散的过程ꎬ建模
时在容器口与下料口之间留下了一定的间隙ꎮ 在
这种情况下ꎬ观察粉尘浓度分布云图(图１１)及粉
尘运动矢量图(图１２、图１３)ꎬ由于间隙较小ꎬ粉
尘上升到容器顶部后ꎬ撞击到顶部ꎬ无法上升ꎬ在
水平移动到下料口时ꎬ遇到下落的粉尘ꎬ随之一起
下落ꎬ但是ꎬ由于容器是封闭的ꎬ下料口在下料的
时候ꎬ也会有气体同时进入ꎬ造成容器内压力大于
环境压力ꎬ容器内部的空气被向外挤压ꎬ但此时流
出的空气较少ꎬ因此只有少量的粉尘从间隙中随
着气体逸出ꎻ到了后期ꎬ容器内大部分空间都被粉
料占满ꎬ且内部气体压力已经到达最大值ꎬ空气流
出的量和进入的量相当ꎬ粉尘扩散也更明显ꎮ 体
现在宏观上ꎬ在下料的大部分过程中ꎬ粉尘没有明
显的扩散ꎬ到了下料末期ꎬ粉尘有明显的扩散ꎮ
图１２　部分封闭下料口下料时粉尘运动矢量图
图１３　下料口粉尘运动矢量放大图
３　总结
通过上面的分析ꎬ对比各种粉尘的粒径、下料
口位置、容器口形状ꎬ我们可以总结出应对粉尘扩
散的几个建议:
(１)尽量采用粒径大的粉料甚至颗粒料ꎬ减
弱粉尘扩散的能力ꎻ
(２)将下料口的高度尽可能降低ꎬ减小粉尘
扩散的距离ꎻ
(３)对容器口与下料口之间采取密封措施ꎬ
封闭粉尘扩散的通道ꎮ
另外ꎬ也可在下料位置安装除尘装置ꎬ减少粉
尘扩散的现象ꎮ 同时ꎬ对扩散到环境中的粉尘应
及时进行清扫ꎬ防止粉尘在设备、装置、建筑的表
(下转第１８ 页)
— １４ —
«电气防爆»　２０１９ 年４ 月　第２ 期
ｅｒａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ: ＩＥＣ ６００７９ － ０:２０１７[Ｓ]. [ｓꎬｌ]:[ｓ.
ｎ]ꎬ２０１７.
[２]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局ꎬ中国国
家标准化管理委员会. 爆炸性环境第１ 部分:设备通
用要求:ＧＢ ３８３６. １—２０１０[Ｓ]. 北京:中国标准出版
社ꎬ２０１１:８.
[３]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局ꎬ中国国
家标准化管理委员会. 可燃性粉尘环境用电气设备
第１ 部分:通用要求:ＧＢ１２４７６. １—２０１３[Ｓ]. 北京:中
国标准出版社ꎬ２０１４:１１.
[４]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局ꎬ中国国
家标准化管理委员会. 爆炸性环境电阻式伴热器第
１ 部分:通用和试验要求:ＧＢ/ Ｔ １９５１８. １—２０１７[Ｓ].
北京:中国标准出版社ꎬ２０１８:２.
[５]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局ꎬ中国国
家标准化管理委员会. 爆炸性环境用气体探测器第１
部分:可燃气体探测器性能要求:ＧＢ/ Ｔ ２０９３６. １—
２０１７[Ｓ]. 北京:中国标准出版社ꎬ２０１８:７.
[６]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局ꎬ中国国
家标准化管理委员会. 瓦斯环境用矿灯结构、性能和
防爆试验通用要求:ＧＢ/ Ｔ ７９５７—２０１７[Ｓ]. 北京:中国
标准出版社ꎬ２０１７:１２.
[７]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局ꎬ中国国
家标准化管理委员会. 电工术语爆炸性环境用设备:
ＧＢ/ Ｔ ２９００. ３５—２００８[Ｓ]. 北京:中国标准出版社ꎬ
２００９:５.
(上接第１４ 页)
面堆积成粉尘层ꎬ在遇到空气扰动时ꎬ这些粉尘层
将会扬起形成粉尘云ꎬ如果是可燃性粉尘ꎬ就会形
成爆炸性粉尘环境ꎮ
通过本文的演示ꎬ可以发现ꎬＣＦＤ 仿真技术
对帮助用户采取防尘措施ꎬ提高防尘效果ꎬ对比各
种防尘方案的效果非常有效ꎬ可以在不花费大量
资金、时间的情况下ꎬ调整结构、参数ꎬ改进方案ꎮ
由于本文的仿真仅仅是定性地分析ꎬ如果需要精
确地评估粉尘扩散、沉积情况ꎬ还应进行严谨的、
参数准确的试验进行对比验证ꎬ根据验证结果调
整仿真模型的参数ꎬ以准确地指导用户采取更加
有效的针对性防尘措施ꎮ
防止粉尘扩散是一个系统的工程ꎬ除了合理
设计防扩散措施外ꎬ还需要设备的正确使用、密封
件的良好维护、及时清扫现场等ꎬ以及将生产过程
中发现的问题及时反馈ꎬ完善防扩散措施ꎮ 涉及
粉尘场所的用户应当根据自己的工艺、设备、环境
的特点ꎬ合理采取有效措施ꎬ防止粉尘在生产现场
扩散ꎮ
参考文献
[１]张明星ꎬ 陈海焱ꎬ 颜翠平ꎬ 等. ＦＬＵＥＮＴ 软件在除尘领
域中的应用[Ｊ]. 济南大学学报(自然科学版)ꎬ２００６ꎬ
２０(２):１６０ －１６２.
[２]李新星ꎬ 易丽军ꎬ谭香. 基于ＦＬＵＥＮＴ 的巷道型采场局
部通风数值模拟[Ｊ]. 有色金属(矿山部分)ꎬ２０１０ꎬ６２
(６):６０ －６１.
[３]张原ꎬ 桂祥友. 基于ＦＬＵＥＮＴ 软件的粉尘在水平除尘
管道内沉降规律研究[Ｊ]. 矿业工程ꎬ ２０１０ꎬ０８(６):４９
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[４]张继健. 综掘工作面粉尘运移与沉积的气固两相流模
拟[Ｄ]. 北京:中国矿业大学ꎬ２０１５.
[５]李鹏飞ꎬ徐敏义ꎬ王飞飞. 精通ＣＦＤ 工程仿真与案例实
战[Ｍ]. 北京:人民邮电出版社ꎬ２０１１.
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稿时说明ꎬ本刊将做适当处理ꎮ
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«电气防爆»　２０１９ 年４ 月　第２ 期

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