WRF-FLUENT耦合建模方法用于模拟寒冷地区露天矿在寒冷季节的气流和粉尘扩散现象

《Journal of Hazardous Materials》：WRF-FLUENT Coupled Modeling Approach for Simulating Airflow and Dust Dispersion during Cold Periods in Cold-Region Open-Pit Mines

粉尘污染对开放煤矿生态健康及区域空气质量的影响研究。采用WRF-FLUENT耦合模型，模拟北方寒冷季节大气稳定性与地形共同作用下的粉尘扩散规律，发现静风和逆温条件下气流分层与回流显著抑制粉尘稀释，模型验证精度优于传统恒定边界条件方法，为优化采矿布局和粉尘控制提供理论依据。

　　

王志明|严俊龙|周伟|罗怀婷

中国绵阳西南科技大学环境与资源学院

摘要

露天煤矿的粉尘污染对职业健康、生态稳定性和区域空气质量构成了严重威胁，尤其是在中国北方寒冷的季节。寒冷的气候和频繁的大气温度逆温现象加剧了粉尘的积聚。现有的研究通常在静态边界条件下模拟粉尘扩散，忽略了动态大气过程的影响。为了解决这一问题，本研究开发了一个耦合建模框架，将天气研究与预报模型（WRF）与使用ANSYS Fluent进行的计算流体动力学（CFD）模拟相结合。以中国最大的煤炭基地之一——海勃湾区露天煤矿作为案例研究。利用WRF模拟的气象场数据得出动态风速剖面参数，并将其作为FLUENT模拟的入口边界条件。通过现场测量验证了模型输出的结果。研究表明，大气稳定性和矿山地形共同影响了矿井内的气流循环和粉尘扩散。在停滞和逆温条件下，气流分层和再循环显著阻碍了粉尘的稀释。WRF-FLUENT耦合模型有效地捕捉了这些动态过程，并与现场数据高度吻合，优于传统的恒定边界条件模拟。研究结果强调了将中尺度气象动力学纳入矿山尺度CFD模拟的必要性，以提高对露天煤矿粉尘行为的预测能力。

引言

煤炭仍然是中国能源安全的核心支柱，2024年其占总能源消耗的53.2%。近年来，由于高产量和资源回收效率的优势，露天煤矿开采迅速发展[18]，[37]，[44]，约占全国煤炭产量的25%。中国大多数露天煤矿集中在气候寒冷、生态系统脆弱的北方地区[38]。这些地区长期低温和频繁的大气稳定事件，加上高强度的采矿活动，导致了严重的粉尘污染，大大降低了能见度（图1）。

露天煤矿产生的粉尘含有有害物质，如二氧化硅、煤颗粒和矿物质[10]。细颗粒物可以吸收有毒元素，从而加剧其对人类健康的影响[7]，[8]。接触矿山粉尘与呼吸系统疾病有关，包括尘肺病、矽肺病和慢性支气管炎。除了健康风险外，粉尘沉积还会降低土壤和水质，破坏周围生态系统，并对区域气候产生影响[14]，[15]，[17]，[8]。因此，在寒冷季节控制粉尘污染是一个紧迫的环境和公共卫生挑战。

目前关于露天煤矿粉尘污染的研究主要集中在单个作业过程上，如钻孔、爆破、挖掘、装载和倾倒[1]，[13]，[21]，[33]，[6]。然而，关于矿井内粉尘宏观分布的研究仍然有限。例如，唐和李[28]对一个简化的矿山模型进行了FLUENT模拟，结果表明粉尘扩散轨迹受到排放源和气流动态的显著影响。

露天煤矿开采本质上是一个大规模的动态过程，涉及岩石的破碎和运输。现场调查显示，在推进中的露天矿井中，大量粉尘直接释放到矿井空气中[37]。这些粉尘的清除和扩散主要依赖于自然通风和大气混合[20]，[47]。我们之前的研究表明，采矿区域内的空气停滞事件频率正在增加，这意味着未来的粉尘控制将面临更大的挑战[35]。

露天矿井中粉尘分布的复杂性源于多种移动的粉尘源和受矿山地形影响的气流模式，从而导致局部再循环区、热逆温层和复杂的微气候变化。因此，这些动态过程产生了高度变化的粉尘扩散模式。然而，大多数使用FLUENT的数值模拟研究采用恒定的气流剖面，即风速、温度和湿度等参数不随地面高度的变化而变化。例如，田等人[31]研究了不同采矿深度下的粉尘扩散特性。唐等人[30]研究了在不同温度和湿度条件下采矿和装载作业产生的粉尘扩散距离。严等人[41]指出露天煤矿内部存在气流循环，粉尘倾向于在此积聚。杨等人[43]研究了在不同风速下的采矿和装载作业中的粉尘扩散特性。陈等人[3]探讨了不同自然风速、自然风向和爆破位置对爆破粉尘扩散模式的影响。杜等人[6]研究了在不同地表风速下露天矿场倾倒点的粉尘扩散距离和浓度变化。唐、李[28]；唐等人[29]研究了不同地表风速下露天矿井中的气流变化和粉尘积聚特性。吴等人[40]研究了不同粒径粉尘在不同风速下的扩散轨迹。然而，Kia等人[16]通过实证数据表明，风速剖面随地表高度而变化，并证明不同风速剖面下的风特性存在显著差异。周等人[47]也指出风速随地表高度变化，并研究了不同风切变下露天矿场卡车运输的粉尘扩散模式。

为了解决这一局限性，本研究提出了一个多尺度建模框架，将天气研究与预报模型（WRF）和计算流体动力学（CFD）模拟与FLUENT相结合。WRF用于在FLUENT中捕获更真实的气流剖面作为入口边界条件，然后通过现场观测进行验证。通过使用WRF-FLUENT生成高分辨率的气流场，可以识别出采矿区域内粉尘污染严重的潜在区域，如气流循环、低风速和温度逆温现象。这为优化生产活动的空间布局和强度提供了参考，从而减少粉尘积聚，降低寒冷季节严重粉尘污染事件的风险。

材料与方法

本研究采用了一个耦合的WRF–CFD建模框架，将气象模拟与微观尺度的气流和粉尘扩散分析相结合。工作流程包括三个阶段：（1）使用WRF获取大尺度气象场数据，（2）提取和预处理动态边界条件，（3）在FLUENT中进行高分辨率的气流和粉尘传输模拟。

WRF模拟结果与观测分析

WRF模拟通常需要比较不同边界方案的准确性，以确定最佳的模拟方案[5]，[9]。使用站点的实际气象数据来验证四种WRF模拟方案的准确性。用于验证的气象指标包括10米风速、10米风向和2米温度。

图6、图7显示了模拟的10米风速和2米温度特性的差异

结论

本研究开发了一个多尺度耦合数值模型WRF-FLUENT，用于模拟露天矿井中的气流和粉尘扩散，并确定最佳的WRF配置，以准确再现矿井内的大气条件。该耦合模型识别出再循环区和低速区域，这些区域是主要的粉尘滞留区，为优化作业布局和采矿活动的位置提供了依据，以减少粉尘积聚。

在四种

作者贡献声明

王志明：撰写——初稿，软件开发，方法论，资金获取，概念构思。严俊龙：撰写——审阅与编辑，可视化，监督，软件开发，方法论。周伟：撰写——审阅与编辑，项目管理，形式分析，概念构思。罗怀婷：数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了西南科技大学杰出人才培训基金（项目编号25zx7123）的支持。

声明

作者声明他们没有利益冲突。