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Jul 26, 2023

Influence de la ventilation mixte sur les particules

Rapports scientifiques volume 13,

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 1585 (2023) Citer cet article

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Les gaz résiduaires émis par les wagons souterrains à roues en caoutchouc sans rail constituent une grave menace pour la santé et la sécurité des travailleurs souterrains. Pour réduire efficacement la concentration de gaz de queue d'une face d'excavation complète, cette étude a adopté une méthode de simulation numérique pour étudier l'influence du volume d'aspiration d'air Q et de la distance L entre les wagons à roues en caoutchouc sans chenilles et les fronts de tête sur la loi de diffusion des particules diesel, CO, et NOx sous ventilation longue aspiration et courte pression. Les résultats ont montré que sous la condition de L = 20 m, la voiture à roues en caoutchouc sans chenilles est plus proche du conduit d'air d'aspiration. A ce stade, lorsque Q = 600 m3/min, l'effet de contrôle des gaz résiduaires dans la chaussée est optimal. De plus, sous la condition de L = 40 m, la voiture à roues en caoutchouc sans chenilles se trouve au milieu de la chaussée. A ce stade, lorsque Q = 300 m3/min, l'effet de contrôle des gaz résiduaires dans la chaussée est optimal. Lorsque L = 60 m et Q = 200 m3/min, le mode de ventilation dans la chaussée est principalement une ventilation par pression. La région de NOx à fraction de volume élevé et la région de NOx à fraction de volume moyen sous ce volume d'air sont petites.

Le charbon est crucial pour le développement industriel de la Chine1,2,3. Chaque année, la consommation de charbon de la Chine représente plus de 50 % de la consommation totale d'énergie du pays4,5,6. Avec l'amélioration des niveaux de mécanisation des mines, la demande des entreprises minières pour le transport auxiliaire souterrain augmente7,8,9. Les wagons à roues en caoutchouc sans chenilles sont largement utilisés dans les grandes mines en raison de leur flexibilité et de leur commodité. L'utilisation d'un wagon à roues en caoutchouc sans chenilles dans une surface d'excavation complète améliore considérablement l'efficacité du transport souterrain des matériaux et réduit l'intensité de la main-d'œuvre pour les mineurs10,11,12. Cependant, en raison de l'espace étroit du front de taille complet de l'excavation, le gaz résiduaire libéré par le chariot s'accumule sur le lieu de travail et cause de graves dommages aux mineurs. Le gaz de queue libéré par le véhicule à roues en caoutchouc sans chenilles comprend principalement des particules diesel (DPM), du CO et des NOx. Plusieurs produits chimiques toxiques sont présents à la surface du DPM, ce qui peut causer de graves dommages au système respiratoire humain13,14. Lorsque les NOx pénètrent dans les alvéoles, des nitrites et de l'acide nitrique se forment, ce qui a un effet stimulant important sur le tissu pulmonaire. Après inhalation, le CO peut facilement se lier à l'hémoglobine dans le sang, entraînant une hypoxie, des maux de tête, des étourdissements, des vomissements et d'autres symptômes. Par conséquent, il est logique d'étudier l'influence de la ventilation souterraine sur le rejet de substances toxiques lors de la production de sécurité minière15,16.

La technologie de purification des gaz d'échappement diesel couramment utilisée est principalement divisée en deux catégories : purification interne et externe. Ji et al.17 ont ajouté une petite quantité d'additif métallique Ce à l'huile diesel et ont observé qu'avec une augmentation de la teneur en Ce, les HC, le CO et les particules dans les gaz d'échappement des moteurs diesel diminuaient considérablement ; cependant, sa teneur en NOx a augmenté. Lou et al. établi un modèle de simulation d'un capteur de particules de moteur diesel (DPF) basé sur GT-Power et analysé le processus de piégeage de DPM par le DPF18. Bien que la purification interne et externe puisse contrôler l'émission de DPM, elles présentent toujours les inconvénients de produire d'autres substances toxiques et nocives et nécessitent un remplacement fréquent des filtres jetables. Pour l'environnement souterrain humide et poussiéreux, la ventilation est adoptée dans les mines pour diluer et disperser les gaz d'échappement. Kurnia et al. ont proposé des techniques de ventilation innovantes utilisant des méthodes de dynamique des fluides computationnelle (CFD) pour évaluer le débit d'air au fond du trou, l'oxygène et la dispersion des gaz nocifs19. Les résultats ont montré que la conception de ventilation proposée peut traiter efficacement les émissions de gaz nocifs. Fava et al. ont proposé une méthode hybride pour étudier la distribution de la concentration de DPM dans les mines souterraines à l'aide de solveurs de réseau de ventilation et de CFD. L'efficacité de calcul du modèle de ventilation était élevée et précise, et par conséquent, des résultats détaillés ont été obtenus20. Thiruvengadam et al. ont utilisé le modèle de transport de matériaux et le modèle de phase discrète dans ANSYS FLUENT pour effectuer des simulations numériques des DPM émis par les chariots élévateurs souterrains21. Les résultats ont montré que la concentration de DPM simulée par le modèle à phase discrète est proche de la situation réelle. Xu et al.22 ont étudié l'influence de la loi de diffusion des particules d'échappement diesel dans la chaussée grâce à un logiciel de simulation numérique. Liu et al.23 ont utilisé des simulations numériques pour étudier l'influence du processus de diffusion de la vitesse du vent sur les particules d'échappement souterraines. Les résultats ont montré qu'une vitesse de vent de 1,8 m/s peut aider à atténuer le phénomène d'agrégation de particules de gaz résiduaire. Chang et al. ont étudié l'état de diffusion du DPM dans deux scénarios souterrains en utilisant la CFD et ont vérifié les résultats de la simulation par des mesures sur le terrain24. Liu et al. ont utilisé une méthode combinant la simulation numérique avec des mesures sur le terrain pour étudier l'état de distribution du DPM dans la chaussée et l'effet de dilution du volume d'air sur le DPM lorsque le véhicule à roues en caoutchouc sans chenilles est inactif dans différentes conditions souterraines pendant 60 s25.

Les chercheurs nationaux et étrangers susmentionnés ont mené de nombreuses recherches sur la loi de diffusion du DPM dans les mines souterraines, ce qui a fourni une expérience précieuse pour résoudre le problème de la surcharge du DPM dans le sous-sol. Cependant, ils n'ont considéré que le facteur nocif du DPM, et n'ont pas mené d'étude approfondie sur la loi de distribution et de diffusion de l'écoulement diphasique gaz-solide composé de DPM, CO et NOX dans le tunnel, tandis que l'étude sur la diffusion L'effet des différentes méthodes de ventilation sur les polluants d'échappement émis par les équipements alimentés au carburant est encore faible.

Par conséquent, dans cet article, basé sur des modèles de phase discrète et des modèles de transport de composants, nous menons une enquête approfondie sur la loi de dispersion des gaz d'échappement diesel constitués de DPM, de CO et de NOX, considérons les effets de transport de dispersion entre les différents composants des polluants d'échappement et intégrons la théorie de recherche de l'écoulement diphasique gaz-solide pour analyser la dispersion des polluants d'échappement émis par les véhicules à roues en caoutchouc sans chenilles. Pendant ce temps, l'effet du système de ventilation sur la distribution des polluants d'échappement émis par le wagon à roues en caoutchouc sans chenilles a été pris en considération, et l'influence du volume d'aspiration Q de la soufflante extraite et de la distance L du wagon à roues en caoutchouc sans chenilles du tête du système d'extraction longue et de ventilation à pression courte sur la loi de diffusion des gaz d'échappement de la locomotive a été étudiée.

La diffusion des poussières dans la face motrice et les gaz de queue du chariot est basée sur le mouvement des courants d'air. Par conséquent, la précision de la loi de mouvement du flux d'air dans la face d'entraînement affecte directement la loi de diffusion de la poussière et des gaz de queue du véhicule à roues en caoutchouc sans chenilles. L'état d'écoulement de l'air dans une mine de charbon est généralement considéré comme de la turbulence26,27. À l'heure actuelle, l'équation de moyenne temporelle de Reynolds est généralement utilisée pour la simulation de la turbulence en ingénierie. L'idée de base est d'exprimer la pulsation transitoire dans l'équation moyennée dans le temps à travers le modèle à deux équations k-ε.

L'équation de conservation de la masse, ou équation de continuité, peut s'écrire comme suit28,29 :

L'équation de l'énergie cinétique de turbulence peut être écrite comme suit30,31 :

L'équation du taux de dissipation turbulente peut s'écrire comme suit32 :

Le processus de diffusion des gaz d'échappement diesel peut être considéré comme un problème de transport à plusieurs composants sans réaction chimique. Cet article ne considère que le no et le CO dans le gaz résiduaire, de sorte que l'équation de conservation du gaz résiduaire et de l'air est la suivante33 :

En écoulement turbulent, le flux de diffusion est décrit par l'équation suivante :

où \({\text{Sc}}_{t}\) est le nombre de Schmidt turbulent. La valeur par défaut de \({\text{Sc}}_{t}\) est 0,7.

L'équation pour le changement de gaz nocif avec le temps est :

où \(Y_{m}\) est la fraction massique du gaz nocif.

En raison de la faible fraction volumique des particules de gaz de queue dans tout le champ d'écoulement, les particules de gaz de queue sont traitées comme un milieu discret dans le fluide, et le modèle de phase discrète est utilisé pour décrire la trajectoire des particules de gaz de queue34,35,36. L'équation mathématique spécifique est la suivante :

\(\tau_{r}\) est calculé par l'équation suivante

\(Re\) est le nombre de Reynolds relatif, qui est défini comme

Pour le modèle réalisable \(k\)-\(\varepsilon\), lorsque le RSM est utilisé, la non-isotropie des contraintes est incluse dans la dérivation des fluctuations de vitesse :

SolidWorks a été utilisé pour modéliser la face de direction de la route aérienne de retour 15113 de la société Pingshu du groupe Yangmei. Comme le montre la Fig. 1, le modèle géométrique du système de ventilation à pression se compose de cinq parties : les routes, les collecteurs, les conduits d'air à pression, les courroies de transport et les voitures à roues en caoutchouc sans chenilles. Sur la base du modèle géométrique du système de ventilation sous pression, un ventilateur de dépoussiérage humide a été ajouté. La chaussée mesurait 80,00 m de long, 4,8 m de large et 3,8 m de haut ; La longueur d'excavation de l'EBZ-200H était de 8,30 m, la largeur de 2,30 m, la hauteur de 2,90 m et à 1,00 m du mur latéral ; la gaine d'air d'aspiration mesure 75 m de long, 0,8 m de diamètre, 1,9 m du puits au plancher de la chaussée et 5 m de la sortie de la gaine d'air à la tête ; le conduit d'air de refoulement mesurait 30 m de long, 0,8 m de diamètre, 3,4 m de l'axe au sol de la chaussée, et la distance entre la queue du wagon à roues en caoutchouc sans chenilles et sa tête était de L.

Modèle géométrique de la chaussée.

La qualité du maillage affectera la précision de la simulation numérique. Étant donné que le contenu de recherche de cet article est que le véhicule à roues en caoutchouc sans chenilles émet du gaz de queue à l'état statique, le maillage tétraédrique a été utilisé pour diviser le modèle de tunnel dans son ensemble, puis le maillage a été affiné localement en modifiant la taille numérique de " Capturer la proximité". Enfin, quatre groupes de grilles ont été obtenus, le nombre de grilles étant respectivement de 750 000, 1 500 000, 3 200 000 et 6 000 000. L'outil d'inspection des mailles a été utilisé pour vérifier la qualité des quatre groupes de mailles, et les résultats de l'inspection montrent que la qualité des mailles se situe dans la plage raisonnable de mailles. Fluent a été utilisé pour simuler le mouvement du flux d'air dans le tunnel sous différentes grilles, et la vitesse du flux d'air de 10 points isothermes entre les points (8, 0,8, 1) et les points (80, 0,8, 1) a été dérivée via CFD-POST. Enfin, un test d'indépendance a été effectué pour les quatre grilles, comme le montre la Fig. 2. On peut voir sur la figure que la tendance de variation de la vitesse d'écoulement d'air simulée par les quatre grilles est à peu près la même, mais les résultats obtenus par les grilles C et D sont relativement proches, alors que les résultats obtenus par les grilles A et B présentent de grands écarts. Par conséquent, compte tenu de la précision de la simulation et du coût du calcul dans son ensemble, la grille C est sélectionnée pour le calcul de la simulation.

Vérification de l'indépendance du réseau.

Le compteur de particules laser portable AEROTRAK ™ 9306 et un détecteur de longueur spécifique sont utilisés pour déterminer les concentrations de particules, de CO et de NOx dans l'échappement des camions en caoutchouc sans rail. Le débit massique de particules est calculé sur la base du taux d'émission et de la section transversale de la sortie d'échappement. Enfin, celui-ci est utilisé comme paramètre de simulation numérique. Les réglages de paramètres spécifiques sont indiqués dans le tableau 1.

La figure 3 montre la règle de migration du flux d'air sous une ventilation à pression longue et courte. Le volume d'air du conduit d'air de type injection a été fixé à 400 m3/min, et le volume d'air du conduit d'air de type extraction a été augmenté sous forme de gradient de 200 à 600 m3/min.

Lorsque le mode de ventilation dans la chaussée était dominé par la ventilation sous pression (lorsque le volume d'air de la gaine d'air sous pression est supérieur à celui de la gaine d'air extrait), le champ d'écoulement dans la chaussée était divisé en trois zones : " champ tourbillonnaire triangulaire " près du front de tête, "champ turbulent" au milieu de la chaussée et "champ d'advection" en queue de chaussée. Dans la plage d'environ 0 à 12 m du front de tête, l'élan du jet à grande vitesse éjecté du conduit d'air sous pression a soudainement diminué après la collision avec le front de tête et a formé un flux de vent inverse avec une vitesse d'environ 5 m/s. Une partie du flux d'air inversé a été évacuée de la chaussée par le conduit d'aspiration, et l'autre partie du flux d'air inversé a continué à se déplacer vers la sortie de la chaussée. En raison de la vitesse élevée et de la basse pression, le champ de jet à grande vitesse généré par le conduit d'air d'entrée s'est déplacé près de la sortie du conduit d'air d'entrée et a formé un "champ de vortex triangulaire" autour de la tête de route. De plus, en raison de la dépression continue du conduit d'air de l'extracteur, la vitesse du flux d'air inversé qui continuait à se déplacer vers la sortie de la chaussée a progressivement diminué de 4 m/s à 0, et le flux d'air inversé a commencé à se déplacer vers la sortie du conduit d'air de l'extracteur. Par conséquent, un "champ d'écoulement turbulent" s'est formé dans une plage d'environ 12 à 45 m du front de tête. Dans le « champ d'écoulement turbulent », il y a un écoulement inverse vers la sortie du tunnel et un écoulement vers la sortie du conduit d'extraction. Dans la plage d'environ 45 à 80 m du front de tête, le flux d'air inverse a commencé à s'écouler doucement vers la sortie de la chaussée et a formé un «champ d'advection» dans cette zone, et la vitesse du flux d'air dans le «champ d'advection» était maintenu à environ 0,2–0,7 m/s.

Lorsque le volume d'air du conduit d'air sous pression était le même que celui du conduit d'air de l'extracteur, le champ d'écoulement dans la chaussée était principalement classé en "champ d'écoulement en forme de J" près de la tête et "champ d'écoulement turbulent" au milieu et arrière de la chaussée. Dans la plage d'environ 0 à 12 m du front de tête, en raison de l'augmentation du volume d'air de l'extracteur, la majeure partie du flux d'air inversé s'est écoulée hors de la chaussée à travers l'extracteur, entraînant une perte du volume d'air inversé. Une petite partie du flux d'air inversé s'est déplacée vers l'extrémité arrière de la chaussée à une vitesse de 2,5 m/s. Sous l'action de pression négative du conduit d'air d'aspiration et du champ d'écoulement de pression négative généré par le jet à grande vitesse, l'énergie a progressivement diminué et a entraîné un changement de direction. Dans la plage d'environ 19 à 80 m du front de tête, le volume d'air entrant dans la chaussée et sortant de la chaussée à l'avant était le même. Par conséquent, il n'y avait pas de grande différence de pression entre l'extrémité avant de la chaussée et la sortie de la chaussée, ce qui se traduisait par un faible flux d'énergie de champ dans cette zone et un flux d'air désordonné.

Lorsque le mode de ventilation dans la chaussée était dominé par la ventilation par extraction (lorsque le volume d'air du conduit d'air sous pression était inférieur à celui du conduit d'air d'extraction), le champ d'écoulement dans la chaussée était principalement divisé en trois zones : champ d'écoulement" près du front de tête, "champ d'écoulement turbulent" au milieu de la chaussée et "champ de reflux" à la queue de la chaussée. Par rapport au mode de ventilation dominé par la ventilation par pression, la pression à l'extrémité avant de la chaussée était inférieure à celle à l'extrémité arrière de la chaussée en raison de l'augmentation du volume d'air du conduit d'extraction ; par conséquent, l'air circulait à une vitesse d'environ 0,2 m/s de la sortie de la chaussée à la chaussée. À une distance de 36 m de la tête, l'effet d'aspiration du conduit d'aspiration sur le flux d'air de reflux a été amélioré, ce qui a entraîné une augmentation de la vitesse du flux d'air de reflux de 0,2 à 1 m/s.

Diagramme de débit descendant du volume d'air Q des différents conduits d'aspiration.

Dans des conditions d'aspiration longue et de ventilation à pression courte, la répartition du gaz CO sous différents volumes d'air Q des conduits d'aspiration et la distance L entre le chariot à roues en caoutchouc sans chenilles et la face de tête sont illustrées sur les Fig. 4, 5 et 6. Les différentes couleurs des figures indiquent les fractions massiques de gaz CO dans différentes régions. L'analyse spécifique est la suivante :

Lorsque la distance L entre le wagon sans chenilles et le front de tête est constante, la répartition du CO dans la chaussée présente une certaine régularité avec l'augmentation du volume d'air Q du conduit d'extraction d'air. Lorsque L = 40 m et Q = 200 m3/min, la pression à l'avant de la chaussée est supérieure à celle à la sortie de la chaussée, et le flux d'air dans la chaussée migre de la tête vers la sortie de la chaussée. Ainsi, le CO a diffusé en direction de la sortie de la chaussée. À ce moment, la distance de diffusion du CO était de 19 m et la fraction massique était comprise entre 20 et 40 ppm. Lorsque L = 40 m et Q = 400 m3/min, le véhicule à roues en caoutchouc sans chenilles se trouvait dans le "champ d'écoulement turbulent", et la vitesse du vent était de 0,45 m/s, l'énergie était faible et l'émission de CO du caoutchouc sans chenilles la voiture à roues a été affectée de manière négligeable. A ce moment, le gaz CO diffusait vers la tête à une certaine vitesse initiale, et la distance de diffusion était de 28 m. Lorsque L = 40 m et Q = 600 m3/min, le gaz CO se diffuse vers la face avant sous l'influence de la dépression « champ d'écoulement en J » à l'avant de la chaussée. Lorsque le CO diffusait à 10 m de la face de tête, le gaz CO était impliqué dans le champ d'écoulement à pression négative formé par le jet à grande vitesse. À ce stade, la fraction massique de CO a été instantanément diluée de 20 à 0,1 ppm et la distance de diffusion était de 32 m.

Lorsque le volume d'air Q du conduit d'aspiration était constant, la position du wagon à roues en caoutchouc sans chenilles dans la chaussée avait peu d'influence sur le champ d'écoulement d'air global de la chaussée. Par conséquent, l'état de diffusion du gaz CO a été significativement affecté par le champ d'écoulement correspondant à l'emplacement de la voiture à roues en caoutchouc sans chenilles. En prenant Q = 600 m3/min comme exemple, lorsque L = 20 m, le véhicule à roues en caoutchouc sans chenilles se trouvait dans le "champ d'écoulement turbulent" et était affecté par le conduit d'air d'aspiration à l'extrémité avant de la chaussée. Le gaz CO s'est diffusé à l'extrémité avant de la chaussée et a été évacué par le conduit d'aspiration d'air. Par conséquent, la fraction massique de gaz CO à l'avant de la chaussée était très faible, à seulement 0,1 ppm. Lorsque L = 40 m, le chariot se trouvait dans le champ de refoulement. Le gaz CO rejeté par le chariot diffusait vers l'avant de la chaussée avec un flux d'air de refoulement de 1 m/s, et la distance de diffusion était de 28 m. Lorsque L = 60 m, le chariot est resté dans le champ de refoulement. Cependant, par rapport à L = 40 m, la distance était éloignée du front de tête et l'effet de pression négative du conduit d'extraction d'air a été affecté de manière négligeable par l'emplacement, ce qui a entraîné une vitesse de refoulement d'air de seulement 0,2 m/s. Par conséquent, lorsque L = 60 m, la distance de diffusion du gaz CO à l'extrémité avant de la chaussée diminue, mais la fraction massique est élevée. La distance de diffusion et la fraction massique du gaz CO étaient respectivement de 20 m et 40 ppm.

En résumé, lorsque L = 20 m, l'effet de contrôle du gaz CO était optimal pour tous les volumes d'air. C'est parce que l'emplacement était proche de la sortie du conduit d'air d'aspiration. Ainsi, plus le volume d'aspiration du conduit d'air extracteur est important, plus le gaz CO se diffuse rapidement vers l'extrémité avant de la chaussée et est facilement évacué de la face de roulement par le conduit d'air extracteur. À ce stade, la relation mathématique entre la distance de diffusion C20 du gaz CO et le volume d'air Q est \(C_{20} = \;\left( {2.3\; \times \;10^{ - 9} } \right )\; \times \;Q^{3.5}\) Lorsque L = 40 m et Q = 300 m3/min, la distance de diffusion du DPM était la plus courte. Par conséquent, l'effet de contrôle du DPM était meilleur sous ce volume d'air. À ce stade, la relation mathématique entre la distance de diffusion C40 du gaz CO et le volume d'air Q est \(C_{40} = \left\{ \begin{gathered} 0,0012Q^{2} - 0,65Q\ ; + \ ; 103.5\;(Q\; \le \;400) \hfill \\ 27.5\;{ + }\;\frac{1.5}{{1\;{ + }\;10\;(525 - Q)}} (Q\; > \;400) \hfill \\ \end{gathered} \right.\) sous la condition de L = 60 m et que le chariot soit plus proche de la sortie de la chaussée. L'effet de contrôle du DPM était meilleur lorsque Q = 200 m3/min, et ainsi le gaz CO pouvait être évacué de la chaussée dès que possible. À ce stade, la relation mathématique entre la distance de diffusion C60 du gaz CO et le volume d'air Q est \(C_{60} = \;(3.14\; \times \;10^{ - 4} )\;Q^{2 } - 0,2Q\; + \;51,5\).

Répartition du gaz CO sous différents volumes d'air Q lorsque L = 20 m.

Répartition du gaz CO sous différents volumes d'air Q lorsque L = 40 m.

Répartition du gaz CO sous différents volumes d'air Q lorsque L = 60 m.

Dans des conditions d'aspiration longue et de ventilation à pression courte, la loi de distribution des gaz NOX sous différents volumes d'air du conduit d'aspiration Q et la distance L entre le chariot à roues en caoutchouc sans chenilles et la face de tête sont illustrées aux Figs. 7, 8 et 9. Les couleurs des différentes régions sur les figures indiquent la fraction massique de gaz NOx dans différentes régions. Pour faciliter l'étude de la répartition des gaz NOx, la région où la fraction massique de gaz NOx était supérieure à 8 ppm a été appelée région NOx à fraction volumique élevée (région rouge sur les figures) ; la région où la fraction massique était comprise entre 6 et 8 ppm était appelée la région NOx à fraction moyenne en volume (région jaune sur les figures), et la région où la fraction massique était inférieure à 6 ppm était appelée la fraction à faible volume Zone NOx (zone verte sur les figures). L'analyse spécifique est la suivante :

Répartition des gaz NOx sous différents volumes d'air Q à L = 20 m.

Répartition des gaz NOx sous différents volumes d'air Q à L = 40 m.

Répartition des gaz NOx sous différents volumes d'air Q à L = 60 m.

Lorsque la distance L entre le wagon à roues en caoutchouc sans chenilles et le front de tête était constante, la répartition des NOx et du CO dans la chaussée était similaire avec l'augmentation du volume d'air Q du conduit d'extraction d'air. En prenant L = 60 m comme exemple, lorsque Q = 200 m3/min, parce que la pression à l'avant de la chaussée était supérieure à celle à la sortie de la chaussée, les NOx dans la chaussée ont migré vers la sortie de la chaussée comme ensemble avec le flux d'air, et la distance de diffusion des NOx à fraction volumique élevée était de 18,5 m. Avec l'augmentation de Q, la différence de pression entre l'extrémité avant de la chaussée et la sortie de la chaussée a changé. Lorsque Q = 400 m3/min, en raison de la pression négative du conduit d'air d'aspiration, les NOx évacués par le véhicule à roues en caoutchouc sans chenilles se sont diffusés vers la direction de la tête et la distance de diffusion des NOx à fraction volumique élevée était de 11,1 m. Lorsque Q = 600 m3/min, la pression en tête de chaussée est inférieure à celle en sortie. Par conséquent, les NOx rejetés par le véhicule à roues en caoutchouc sans chenilles se sont diffusés vers l'extrémité avant de la chaussée, et la distance de diffusion des NOx à fraction volumique élevée était de 18 m. De la Fig. 9, on peut déduire que lorsque le mode de ventilation dans la chaussée était dominé par la ventilation à pression (Q < 400 m3/min), la fraction volumique de gaz NOx était faible, c'est-à-dire 8,8 ppm. Lorsque le mode de ventilation dans la chaussée était dominé par une ventilation par extraction (Q > 400 m3/min), la fraction volumique de gaz NOx était relativement importante, soit 10 ppm.

Lorsque le volume d'air Q du conduit d'extraction d'air était constant, la distance entre la voiture à roues en caoutchouc sans chenilles et la face de tête avait des effets variés sur la distribution des gaz NOx avec différentes fractions massiques. Avec un changement de L, la distribution des gaz NOx avec des fractions volumiques faibles et moyennes a changé de manière négligeable, mais la distribution des gaz NOx avec une fraction volumique élevée a changé de manière significative. À partir des Fig. 7, 8 et 9, on peut en déduire que le gaz NOx à fraction volumique moyenne était principalement distribué à l'extrémité arrière de la chaussée, tandis que la fraction volumique de gaz NOx à l'extrémité avant de la chaussée était toujours relativement faible parce qu'une partie de Les gaz NOx sont évacués de la chaussée par le conduit d'extraction d'air. Le gaz NOx à fraction volumique élevée était principalement concentré autour du véhicule à roues en caoutchouc sans chenilles. En effet, l'émission continue de gaz NOx du véhicule à roues en caoutchouc sans chenilles n'a pas été évacuée à temps, ce qui a entraîné une augmentation de la concentration de NOx avec une fraction volumique de 8 ppm.

En résumé, lorsque L était constant, avec l'augmentation du volume d'air Q, la zone de NOx à fraction volumique élevée a continué à s'étendre et s'est graduellement rapprochée de la tête de la chaussée. Dans le même temps, la région de NOx à faible fraction de volume a diminué avec l'augmentation du volume d'air Q. Par conséquent, lorsque Q = 200 et 300 m3/min, l'effet de contrôle du gaz NOX était meilleur. En comparant la distance de diffusion et la fraction volumique des gaz NOx à fraction volumique faible, moyenne et élevée pour Q = 200 et 300 m3/min, on peut voir que lorsque Q = 200 m3/min, la fraction volumique de le gaz NOx à fraction volumique élevée était légèrement plus petit, c'est-à-dire 8,5 ppm; de plus, la vitesse de diffusion du gaz NOx à fraction volumique élevée était plus rapide.

Les figures 10, 11 et 12 montrent l'évolution de la pollution du DPM sous pompage long et ventilation à pression courte. Les petites boules dans les figures sont DPM. Les couleurs représentent la concentration massique de DPM et la taille est représentée en fonction de la légende dans le coin supérieur gauche. L'analyse spécifique est la suivante :

Lorsque la distance L entre la voiture à roues en caoutchouc sans chenilles et le front de tête est constante, la distance de diffusion et la concentration de DPM dans la chaussée sont liées à L avec une augmentation du volume d'air Q du conduit d'extraction d'air. Lorsque L = 20 m, la distance de diffusion du DPM diminue avec une augmentation de Q ; en effet, le DPM diffuse vers la sortie de la chaussée lorsque le mode de ventilation dans la chaussée est principalement en pression. Lorsque Q = 300 m3/min, la vitesse initiale du DPM, après avoir été déchargé par le véhicule à roues en caoutchouc sans chenilles, était proche et opposée à la vitesse du flux d'air. Par conséquent, la concentration de DPM était aussi élevée que 1800 ug/m3. Lorsque le mode de ventilation dans la chaussée est dominé par le type d'extraction, lorsque le volume d'air Q augmente, la diffusion de DPM vers la sortie de la chaussée est bloquée. En revanche, l'augmentation de Q entraîne l'évacuation de la majeure partie des DPM de la chaussée par le conduit d'extraction d'air ; cela réduit la concentration de DPM dans la chaussée. Lorsque L = 40 et 60 m, la distance de diffusion du DPM a d'abord diminué puis augmenté avec une augmentation de Q.

Lorsque le volume d'air Q du conduit d'échappement est constant, la distance de diffusion de DPM et la distance L entre le chariot à roues en caoutchouc sans chenilles et la tête sont liées. Lorsque Q ≤ 300 m3/min, avec une augmentation de L, la distance de diffusion de DPM a d'abord diminué puis est restée inchangée. Lorsque Q > 300 m3/min, la distance de diffusion de DPM diminue avec une augmentation de L ; ce phénomène est principalement lié au champ d'écoulement à l'emplacement de la voiture à roues en caoutchouc sans chenilles. Lorsque le wagon à roues en caoutchouc sans chenilles se trouvait à l'avant de la chaussée, l'énergie éolienne dans cette zone était importante et le wagon à roues sans chenilles était le plus près de la sortie du conduit d'aspiration. Par conséquent, la distance de diffusion du DPM était plus grande et la concentration était plus petite.

En résumé, lorsque L = 20 m, le DPM a été diffusé vers l'extrémité avant de la chaussée en raison de la pression négative à l'extrémité avant de la chaussée, et la distance de diffusion du DPM a diminué avec une augmentation de Q. Par conséquent, lorsque Q = 600 m3/min, l'effet de contrôle du DPM était meilleur. La relation mathématique entre la distance de diffusion du DPM D20 et le volume d'air Q est \(D_{20} = - \;1.2e^{\frac{Q}{199}} + 50\). Lorsque L = 40 m, la distance de diffusion de DPM a d'abord diminué puis augmenté avec une augmentation de Q. Lorsque Q = 300 m3/min, la distance de diffusion du gaz résiduaire était la plus petite et la relation mathématique entre la distance de diffusion D40 de DPM et le volume d'air Q est \(D_{40} = \left( { - 3 \times 10^{{{ - }6}} } \right)Q^{3} + 0,004Q^{2} - 1,32Q + 161\). Lorsque L = 60 m, le chariot était plus proche de la sortie de la chaussée. La vitesse de diffusion du DPM en sortie de chaussée étant la plus rapide lorsque Q = 200 m3/min, le DPM est rejeté dans la chaussée le plus tôt possible ; ainsi, l'effet d'échappement du DPM était le meilleur lorsque Q = 200 m3/min. La relation mathématique entre la distance de diffusion de DPM D60 et le volume d'air Q est \(D_{60} = \left( {2,36 \times 10^{{{ - }4}} } \right)Q^{2} - 0,193Q + 49\).

Distribution DPM sous différents volumes d'air Q à L = 20 m.

Distribution DPM sous différents volumes d'air Q à L = 40 m.

Distribution DPM sous différents volumes d'air Q à L = 60 m.

Pour explorer l'influence du volume d'air Q de différents conduits d'échappement et de la distance L entre les voitures à roues en caoutchouc sans chenilles et les faces avant sur la diffusion des polluants sous ventilation à aspiration longue et à pression courte, nous avons étudié les lois de diffusion des polluants sous différents paramètres de ventilation. La figure 13 montre les variations des concentrations de CO, NOx et DPM le long du trajet.

Variation de concentration de polluant le long du trajet.

On peut déduire de la Fig. 13 que :

Compte tenu de la plage de diffusion des polluants, la plage de diffusion du DPM était inférieure à celle du CO, des NOx et d'autres gaz nocifs. Les gaz CO et NOx étaient distribués sur toute la chaussée, tandis que le DPM était principalement distribué à proximité du véhicule à roues en caoutchouc sans chenilles ; en effet, l'influence sur le DPM de la gravité et des autres résistances était bien supérieure à celle sur les gaz, entravant ainsi sa diffusion dans la chaussée.

Comme le montrent les Fig. 13a,b, les fractions volumiques de CO et de NOx dans la zone proche de la tête étaient inférieures à 5 ppm. Les fractions volumiques de CO et de NOx étaient liées au volume d'air Q et à la distance L entre le wagon à roues en caoutchouc sans chenilles et le front de tête. Avec une augmentation du volume d'air Q, les fractions volumiques de CO et de NOx ont progressivement augmenté. Les fractions volumiques de CO et de NOx près de la zone de tête ont progressivement diminué avec l'augmentation de la distance L entre le véhicule à roues en caoutchouc sans chenilles et la tête de lit. À l'exception de la zone frontale et de la zone de sortie d'échappement, les fractions volumiques de CO et de NOx étaient stables et les fractions volumiques étaient de 10 ppm et 8 ppm, respectivement.

Comme le montre la figure 13c, le DPM était principalement distribué autour de la sortie d'échappement et les concentrations dépassaient la limite de concentration admissible (0,1 mg/m3). Lorsque L = 20 et 40 m, la plage de diffusion du DPM était de 40 m, ce qui est beaucoup plus grand que la distance de diffusion du DPM à L = 60 m. En raison du faible taux de diffusion du DPM, lorsque la distance entre le wagon à roues en caoutchouc sans chenilles et le front de tête était de 60 m et que le volume d'air Q était de 200 m3/min, le DPM diffusait jusqu'à la sortie de la chaussée. À ce stade, la pollution du DPM dans la zone de travail du front de taille était faible.

L'anémomètre TSI-9545 et le compteur de particules laser portable AEROTRAK ™ 9306 ont été utilisés pour mesurer la vitesse du vent sur la chaussée et la concentration de particules de gaz de queue libérées par le camion en caoutchouc sans chenilles. Afin d'éviter les erreurs de mesure, chaque point de mesure a été échantillonné trois fois consécutives, et la valeur moyenne des trois mesures a été prise comme résultat final. La disposition des points de mesure est illustrée à la Fig. 14. Les valeurs simulées et mesurées de la vitesse du vent aux points de mesure sont indiquées dans le Tableau 2. Les valeurs DPM simulées et mesurées des points mesurés sont indiquées dans le Tableau 3. En comparant les de la vitesse du vent et des particules de gaz résiduaire à chaque point de mesure avec la simulation numérique correspondante, on constate que l'erreur relative entre la valeur simulée et la valeur mesurée est comprise entre 1,62 et 16,6 %. Les résultats montrent que les résultats de la simulation numérique sont en bon accord avec les résultats des mesures sur le terrain, et les résultats de la simulation numérique peuvent refléter efficacement la situation réelle du champ.

Disposition des points de mesure.

Lorsque L = 20 m, l'effet de contrôle du gaz CO était optimal pour chaque volume d'air Q. Cependant, lorsque Q = 600 m3/min, le gaz CO se diffusait rapidement vers l'extrémité avant de la chaussée et était facilement évacué du front de route par le conduit d'extraction d'air ; par conséquent, l'effet de contrôle du CO est meilleur sous ce volume d'air. La distance de diffusion du DPM diminue avec l'augmentation de Q. Lorsque Q = 600 m3/min, le DPM diffusait vers l'avant de la chaussée du fait de la dépression à l'avant de la chaussée et était évacué de la chaussée par le conduit d'aspiration d'air ; par conséquent, l'effet de contrôle du DPM est meilleur sous ce volume d'air. Avec l'augmentation du volume d'air Q, la région de NOx à fraction volumique élevée a continué de s'étendre, tandis que la région de NOx à fraction volumique faible a continué de diminuer. Par conséquent, lorsque Q = 200 et 300 m3/min, l'effet de contrôle du gaz NOx est optimal. En résumé, pour contrôler et éliminer complètement les substances toxiques et nocives dans un front de taille complet, l'effet de contrôle des gaz d'échappement dans la chaussée est optimal lorsque Q = 600 m3/min.

Lorsque L = 40 m, la distance de diffusion du gaz CO a d'abord diminué puis augmenté avec une augmentation de Q. Lorsque Q = 300 m3/min, la distance de diffusion du gaz CO était la plus courte ; par conséquent, l'effet de contrôle du gaz CO sous ce volume d'air est meilleur, et la loi de diffusion du gaz NOx est la même qu'à L = 20 m. Avec l'augmentation du volume d'air Q, la région de NOx à fraction volumique élevée continue de s'étendre, tandis que la région de NOx à fraction volumique faible continue de diminuer. Par conséquent, lorsque Q = 200 et 300 m3/min, l'effet de contrôle du gaz NOx est bon. La distance de diffusion de DPM diminue d'abord puis augmente avec une augmentation de Q. Lorsque Q = 300 m3/min, la distance de diffusion des gaz d'échappement était minimale. En conclusion, sous la condition de L = 40 m, l'effet de contrôle des gaz d'échappement dans la chaussée est optimal lorsque Q = 300 m3/min.

Lorsque L = 60 m, le véhicule à roues en caoutchouc sans chenilles était plus proche de la sortie de la chaussée. Lorsque le mode de ventilation dans la chaussée est principalement une ventilation par pression, les gaz d'échappement sont rapidement évacués de la chaussée et la concentration des gaz d'échappement dans la chaussée diminue rapidement. Lorsque Q = 200 m3/min, le mode de ventilation dans la chaussée était principalement une ventilation par pression. À ce volume d'air, le gaz CO et le DPM se sont déplacés vers la sortie de la chaussée et la distance de diffusion était faible. De plus, par rapport à d'autres volumes d'air, la région de NOx à fraction de volume élevé et la région de NOx à fraction de volume moyen étaient plus petites sous ce volume d'air. Par conséquent, sous la condition de L = 60 m, lorsque Q = 200 m3/min, l'effet de contrôle des gaz d'échappement dans la chaussée est optimal.

Les ensembles de données générés pendant et/ou analysés pendant l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Densité de l'air (kg/m3)

Énergie cinétique turbulente (m2/s2)

Taux de dissipation d'énergie turbulente (m2/s2)

Coefficient de viscosité laminaire (Pa·s)

Coefficient de viscosité de turbulence (Pa·s)

Constantes dans le modèle k standard (1.44)

Constantes dans le modèle k standard (1.92)

Constantes dans le modèle k standard (1.00)

Constantes dans le modèle k standard (1.30)

Nombre de Schmidt turbulent

La fraction massique du gaz nocif

Masse des particules

Vitesse de la phase fluide (m/s)

Vitesse des particules (m/s)

Densité de la particule (kg/m3)

Force supplémentaire

Diamètre des particules (m)

Le numéro de Reynold

Énergie cinétique de turbulence (m2/s2)

Taux de dissipation turbulente (m2/s2)

Temps de relaxation des particules

Vitesse de pulsation aléatoire (m/s)

Vitesse de pulsation aléatoire (m/s)

Vitesse de pulsation aléatoire (m/s)

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Ce travail a été soutenu financièrement par la National Natural Science Foundation of China (Grant nos. 52274215, 51904171), le Qingchuang Science and Technology Project of Universities in Shandong Province, China (Grant no. 2019KJH005) et le Outstanding Young Talents Project of Shandong University of Science and Technology (Grant no. SKR22-5-01).

Collège de sécurité et d'ingénierie environnementale, Université des sciences et technologies du Shandong, Qingdao, 266590, Chine

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

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

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Chanson Shuzheng

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Tous les auteurs ont contribué à la conception et à la conception de l'étude. ZG : Supervision, administration du projet, acquisition de financement. YY : Conceptualisation, rédaction—ébauche originale, rédaction—révision et édition. DJ : Analyse formelle, conservation des données, méthodologie. BJ : Enquête, expérience. SB : Expérience. Tous les auteurs ont commenté les versions précédentes du manuscrit. Tous les auteurs ont lu et approuvé le manuscrit final.

Correspondance à Biao Sun.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Zhou, G., Yang, Y., Duan, J. et al. Influence de la ventilation mixte sur la diffusion des gaz particulaires et la distribution des gaz d'échappement des moteurs diesel dans un front de taille entièrement mécanisé. Sci Rep 13, 1585 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27812-z

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Reçu : 16 septembre 2022

Accepté : 09 janvier 2023

Publié: 28 janvier 2023

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

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