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《北京科技大学》 2019年
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综采工作面双尘源多场耦合模型及仿真模拟研究

陈雅  
【摘要】:综采工作面粉尘运动是多尘源、多场、多因素相互作用的过程,现有理论对粉尘在气-固-液耦合下运移研究甚少;为更深入研究这方面理论并将理论动态直观的模拟展现,本文以综采工作面双尘源(移架和割煤)在气流场、粉尘场和雾滴场环境下的呼吸性粉尘为研究对象,建立耦合模型,开展相似实验,确定系数并验证模型,再编程进行仿真模拟,最后开发系统软件,理论成果和动态仿真模拟可为喷雾降尘设施的改善提供决策支撑。在综采工作面特定环境下,结合气固两相流理论,建立单移架、单割煤和双尘源在气-固耦合下呼吸性粉尘扩散的三维数学模型;同时结合喷雾降尘理论,提出基于混合高斯模型的喷雾降尘模型,建立单移架、单割煤和双尘源在气-固-液耦合下呼吸性粉尘扩散的三维数学模型。为获取求解耦合模型系数的数据,运用相似理论,搭建综采工作面的实验模型,确定气水喷雾降尘系统,选取实验测点位置,并分析割煤机道、运输道和人行道在不同尘源气-固-液耦合下的风速分布和呼吸性粉尘浓度分布规律,结果表明:喷雾对气流场和粉尘场及气流场对粉尘场的影响明显,相同尘源和喷雾条件下,不同位置不同高度的呼吸性粉尘浓度分布不同;不同尘源和喷雾条件下,相同位置相同高度的呼吸性粉尘浓度分布亦不同,说明掌握已有喷雾条件下的整个工作面呼吸性粉尘浓度分布是有效抑尘的关键。将实验数据划分为训练集和测试集,采用极大似然法和梯度下降法求解气-固耦合紊流扩散系数,采用线性回归法和梯度下降法求解双尘源气-固稱合系数,采用最小二乘法和梯度下降法求解气-固-液耦合喷雾降尘模型系数。为确定更佳的耦合模型系数值,优化耦合模型的精度,运用拉格朗日插值法以不同倍数增强训练集数据,采用平均相对误差评估测试集数据与理论值,得到优化后的耦合模型平均相对误差分别为:单移架尘源气-固耦合为1 8.99%,单割煤尘源气-固耦合为22.1%,双尘源气-固耦合为25.73%,单移架尘源气-固-液耦合为24.63%,单割煤尘源气-固-液耦合为26.02%,双尘源气-固-液耦合为30.64%,验证了耦合模型的可靠性。根据确立的双尘源多场耦合模型,运用Matlab编制仿真模拟软件并进行系统设计,选取割煤机道、运输道和人行道为研究对象,从3D立体图、2D切面平面图和切面浓度等值线图等不同视角仿真模拟呼吸性粉尘浓度时空分布情况;仿真模拟系统可更直观便捷的确定不同条件下呼吸性粉尘浓度聚集区域,为防尘降尘提供更有效的理论依据。
【学位授予单位】:北京科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TD714

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