《Energy》：Research on ventilation-spray coupled flow characteristics and phase-change cooling mechanisms in deep thermal hazard tunnels
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喷雾冷却技术在深井高温高湿环境中的应用及耦合作用机理研究。摘要：通过欧拉-拉格朗日耦合方法，数值分析了多分散雾滴在通风场中的非均匀扩散特性及相变传热机理，揭示了轴向与径向涡流区形成规律、雾滴分布速度垂直分层特征，以及喷雾-通风耦合作用下隧道内高湿度低温度核心区的动态演化规律，系统阐明了入口空气参数、喷嘴结构参数对冷却效果的影响机制。
庞博学|王东科|司光耀|陈一华|夏汉旭|潘志伟|刘旭
东北大学智能深部金属采矿与装备国家重点实验室，沈阳，110819，中国
摘要
深部工程环境中的高温热危害严重威胁着地下工人的健康与安全，同时也影响生产安全。喷雾相变冷却技术在深部工程冷却领域受到了越来越多的关注。然而，多分散液滴扩散和通风条件下的相变传热复杂机制仍然限制了喷雾冷却在深部环境中的应用。本研究考虑了多分散液滴非均匀扩散传热与深部地下空间温湿度场之间的双向耦合关系，数值模拟了典型金属矿山热危害条件下的喷雾冷却特性。基于欧拉-拉格朗日方法，考虑了气流驱动下的液滴颗粒运动及其受到的各种界面力作用。液滴破碎和聚合后的尺寸与速度分别通过泰勒类比破碎（TAB）模型和临界碰撞偏移量计算得出。在气流-液滴动态多相流场中，计算了与质量传递相关的对流传热和潜热交换。数值结果表明，喷嘴两侧形成了轴向和径向涡流区，喷雾装置下游的气流速度出现明显波动。在通风流场的驱动下，多分散液滴表现出异质分布特征，其速度沿垂直方向呈分层分布。此外，研究了进气湿度、气流速度、喷嘴压力、流量、喷嘴口径、单喷嘴位置及多喷嘴配置对隧道内喷雾冷却的影响。
引言
深部矿产资源开采面临极端的工作环境，其中的热危害挑战着人体的生理和心理极限[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。深度超过1000米的矿井中，岩石温度通常超过40°C[6]，局部相对湿度可达90%[7]。这种高温高湿条件不仅破坏了人体的热平衡，导致水电解质失衡，还抑制中枢神经系统功能，增加重大安全事故的风险[8]、[9]、[10]、[11]。因此，优化通风措施并有效降低隧道温度对于保护工人健康和确保地下空间生产安全至关重要[12]。
目前，深部隧道热危害控制的主要措施包括机械通风[13]、[14]、[15]、[16]、隔热[17]、喷水[18]和个人防护装备[19]。其中，喷雾相变冷却技术因其高效、经济性和易于维护的特点而越来越被应用于地下隧道冷却[20]。然而，在密闭深部空间中，喷雾冷却过程涉及多分散液滴扩散流与相变传热的耦合。多相流、传热和质量传递的复杂机制尚不明确，这限制了喷雾冷却在深部环境中的应用。
关于高温隧道和矿井中的通风与冷却问题，研究人员采用计算流体动力学方法分析气流和传热特性[21]、[22]。曾等人[23]开发了对流和热传导模型，对高地热隧道中的轴向通风进行了数值模拟，并分析了机械通风频率和风速对隧道温度场的影响。贾等人[24]数值分析了强制通风条件下隧道内的温湿度分布，发现由于涡流效应，高温高湿空气会在风道与工作面之间积聚。徐等人[25]研究了浮力驱动效应对气流和传热的影响，指出控制热危害的最直接方法是调节围岩温度，增加通风流量或降低空气温度可以有效促进围岩冷却。庞等人[26]、[27]对强制-排气混合通风系统进行了数值研究，揭示了强制风量与排气风量比例对隧道内气流紊乱特性的影响。辛等人[28]对强制-排气混合通风进行了数值模拟，得到了掘进面空间的对流传热系数分布，并揭示了“强制远端、排气近端”和“强制近端、排气远端”两种通风模式下的空气温度和湿度分布规律。徐等人[29]研究了不同地热井布置方案下矿井地热开发中的空气冷却和热量提取性能，证实向岩层注水进行热量提取可以对矿井通风系统产生良好的冷却效果，同时地热系统也能实现高效的热量提取。此外，隧道结构以及风道尺寸和位置也会影响通风和冷却的效果[30]、[31]。
喷雾冷却技术利用雾化喷嘴将液态水分解成大量分散的液滴颗粒，通过利用液滴在空气中的蒸发吸热效应实现环境冷却[32]、[33]。马等人[34]数值分析了剪切机喷嘴的雾化特性，发现液滴浓度随喷嘴压力和口径增大而增加，液滴尺寸分布取决于喷嘴压力。王等人[35]建立了空气-液滴相互作用的多相流模型，研究了强制通风气流对液滴扩散的影响，发现掘进面处气流产生的涡流会阻碍液滴扩散，且随着喷嘴压力的增加，液滴扩散轨迹变得更加混乱。周等人的数值研究[36]表明，过高的风速会改变喷雾射流方向，增加液滴碰撞概率，并导致液滴尺寸增大。基于欧拉-拉格朗日方法，李等人[37]数值分析了气流的速度和温度场以及液滴的空间分布，得出了安全操作所需的适宜喷雾温度和持续时间。
张等人[38]、[39]建立了对流传热下液滴蒸发的数学模型，并广泛研究了围岩温度、气流速度、湿度和喷嘴参数对喷雾冷却的影响。他们的研究证实，在高温环境下，喷雾冷却可以显著提高隧道内工人的热舒适度。陈等人[40]考虑了动态采煤条件下的温度特性，提出了一种间歇性覆盖喷雾冷却方法，旨在控制高温区域的冷却成本。即使在局部高湿度环境中，喷雾也能增加水蒸气的分压，部分抑制人体汗液的蒸发，但在通风和喷雾的共同作用下，相变过程仍能显著降低干球温度。此外，持续引入低相对湿度的新鲜空气有助于稀释和去除湿气，防止高湿度空气滞留，确保矿工的工作环境具有热舒适性。
总之，现有关于深部隧道空气环境冷却的数值研究主要集中在机械通风冷却或喷嘴雾化特性上。然而，在通风气流作用下的喷雾液滴表现出多分散和非均匀分布状态。其非稳态扩散过程中的相变传热受到局部隧道温度和湿度的影响。同时，大量液滴的相变会导致密闭深部空间内的温度和湿度场发生突变，从而影响传热和传质速率。在密闭深部空间中，气流-喷雾流场作用下液滴扩散及其传热和传质的机制尚不明确。因此，需要将液滴颗粒动力学与传热和传质理论相结合，分析整个过程中液滴的时空演变——从初始喷雾喷射到准稳态液滴传输，以及隧道温度和湿度分布对液滴相变速率的动态映射。
鉴于此，本文采用欧拉-拉格朗日方法研究了热危害隧道中的气流-喷雾扩散和相变冷却过程，分析了液滴扩散、空气相对湿度和温度的时空演变特性，并揭示了通风和喷嘴参数对喷雾冷却的影响机制。这项研究有助于高效实施喷雾冷却操作，改善热危害隧道内的空气环境。
气流控制方程
气流的质量守恒方程表示为[41]：
其中
ρ、
t 和
u 分别表示密度、时间和速度，g 表示气相。
SΙ 表示质量源项，即从离散相传递到连续相的质量增量[42]：
其中
Vcell 表示局部离散体积，
md 表示液滴质量，
n 表示液滴数量。
气流的动量守恒方程表示为[43]：
网格独立性测试
网格的质量和尺度是影响数值解准确性和效率的关键因素。在本研究中，整个隧道区域被离散为六面体结构网格。为了评估网格尺寸对模拟结果的影响，构建了三种不同尺度的网格：182,292（粗网格）、272,857（中网格）和472,708（细网格）。图2显示了横截面平均气流
结果与讨论
在基准情况下，风道的进气速度为10m/s，进气湿度为60%，喷嘴压力为4MPa，喷嘴流量为0.074 kg/s，喷嘴孔径为1.6mm。根据上述数值模型，第4.1–4.4节研究了喷雾操作下隧道内的气流传输、喷雾扩散、相对湿度和温度特性。第4.5–4.11节探讨了进气
结论
本研究对典型金属矿山热危害环境中的气流-喷雾耦合流场特性和多分散液滴的相变传热机制进行了数值分析，预测了隧道内空气相对湿度和温度的时空演变，并研究了通风和喷嘴参数的影响机制。研究结果总结如下：
CRediT作者贡献声明
刘旭：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、项目管理、形式分析。
司光耀：撰写 – 审稿与编辑、可视化、形式分析。
王东科：撰写 – 审稿与编辑、验证、软件开发、数据整理。
庞博学：撰写 – 原始草稿、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。
潘志伟：可视化、软件开发。
夏汉旭：可视化、软件开发。
陈一华：撰写 – 审稿与编辑。
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划 [项目编号 2023YFC2907205] 和中国辽宁省自然科学基金 [项目编号 2025-MS-041] 的支持。
