一种露天煤矿粉尘扩散模拟方法

本发明涉及矿区粉尘扩散模拟，尤其涉及一种露天煤矿粉尘扩散模拟方法。

背景技术：

1、露天煤矿采、运、爆、排全工序持续产生大量粉尘，易引发作业人员尘肺病、周边大气超标污染；同时由于矿山台阶高差大、地形破碎，昼夜温差形成热对流/夜间逆温层，风场、温度场时空动态变化剧烈，粉尘扩散规律高度复杂。传统经验估算依靠固定产尘系数简单计算区域粉尘总量无法满足精细化抑尘设计、环境影响评价需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种露天煤矿粉尘扩散模拟方法，解决上述技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种露天煤矿粉尘扩散模拟方法，包括以下步骤：

3、s1、布设矿区多尺度气象粉尘协同监测网络并获取标准化时序监测数据集：在主导风向上游最高排土场顶部设置十米高的高位基准气象站，并在采场内部及矿区设定范围内布设地面气象监测点和粉尘监测点，采集全要素气象参数和分粒径粉尘浓度数据，经异常值剔除、一致性检验与标准化处理后生成标准化时序监测数据集；

4、s2、基于步骤s1输出的标准化时序监测数据集，结合矿坑数字高程模型提取的高程差、坡向、地形遮挡三类地形特征参数，构建带地形修正因子的三维反距离权重插值模型，并借助大气边界层风幂律廓线进行垂直方向约束，生成水平和垂直分层的逐时全矿区三维气象参数场；

5、s3、将步骤s2输出的逐时全矿区三维气象参数场拆解为入口动态风廓线、壁面网格净辐射热通量、出口静压三类边界参数，通过用户自定义函数实现边界参数的逐时自动加载，构建覆盖流场和热场的全要素动态cfd边界条件体系；

6、s4、基于月度开采进度计划同步更新矿坑几何模型，构建覆盖穿孔、爆破、采装、道路运输、破碎、排弃全工序的面尘源参数库，结合镜面反射修正和重力沉降修正的双尘源高斯扩散模型生成粉尘初始浓度场；

7、s5、以步骤s3输出的全要素动态cfd边界条件为驱动，加载步骤s4输出的动态矿坑几何模型、面尘源参数和粉尘初始浓度场，采用带布辛涅斯克热浮力校正的rngk-ε湍流模型耦合离散相模型，开展细颗粒物、可吸入颗粒物、总悬浮颗粒物多粒径分级的瞬态气固两相粉尘扩散耦合仿真，输出逐时全矿区分粒径粉尘浓度场和湍动能场；

8、s6、采用步骤s1输出的原位监测数据，更新迭代步骤s1-步骤s5。

9、因此，本发明采用上述一种露天煤矿粉尘扩散模拟方法，具有的有益效果为：

10、1、气象场插值精度大幅提升：通过叠加高程差、坡向夹角、地形遮挡三重修正因子，搭配风幂律垂直温风校正，适配露天矿坑复杂台阶、边坡地形，输出1小时分辨率三维分层气象场，解决山地矿区风温气压插值失真、逆温层无法刻画的问题；

11、2、实现全要素动态时序cfd边界自动更新：通过udf自定义函数统一加载逐时入口风廓线、壁面净辐射热通量、分层出口静压，区分晴、阴天顶面边界，无需人工中断修改边界，完整耦合流场、热场动态气象驱动；

12、3、适配月度动态开采工况，网格几何同步迭代：随开采进度更新矿坑dem与实体模型，采用结构化网格结合局部加密方案，满足rngk-ε近壁湍流计算精度，区别于传统固定静态矿坑模型，可真实反映台阶推进、排土堆升高带来的流场改变；

13、4、构建全覆盖、带洒水衰减的多工序动态尘源库：统一量化穿孔、采装、爆破、运输、破碎、排土六大工序源强，按表层含水率设置三段抑尘衰减系数，区分褐煤和烟煤粉尘密度，采用罗辛-拉姆勒粒径分布，填补传统模拟仅单一尘源、忽略洒水降尘、粒径简化的缺陷；

14、5、双尘源高斯初场加速瞬态仿真收敛：融合实体尘重力沉降修正和台阶镜面反射虚拟尘源叠加计算三维粉尘初始浓度场，替代无初始场从零迭代模式，缩短瞬态仿真计算时长，同时还原矿坑壁面粉尘反射堆积效应。

15、6、完整颗粒受力模型，分粒径精准追踪粉尘扩散：dpm离散相同时计入阻力、重力浮力、saffman剪切升力、压力梯度力，分级模拟pm2.5、pm5、pm10、tsp多粒径粉尘沉降、扩散、壁面捕获，实现气固两相双向耦合，提升不同尺度粉尘浓度预测准确度。

16、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

1.一种露天煤矿粉尘扩散模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种露天煤矿粉尘扩散模拟方法，其特征在于：步骤s1所述的全要素气象参数包括风速、风向、温度、湿度和气压。

3.根据权利要求1所述的一种露天煤矿粉尘扩散模拟方法，其特征在于：步骤s2具体包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种露天煤矿粉尘扩散模拟方法，其特征在于：在步骤s26中，首先按1小时时间步长开展逐时插值，生成全天24个时刻的三维气象参数序列；

5.根据权利要求4所述的一种露天煤矿粉尘扩散模拟方法，其特征在于：步骤s3具体包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种露天煤矿粉尘扩散模拟方法，其特征在于：步骤s34具体包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种露天煤矿粉尘扩散模拟方法，其特征在于：步骤s4具体包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种露天煤矿粉尘扩散模拟方法，其特征在于：步骤s5具体包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种露天煤矿粉尘扩散模拟方法，其特征在于：步骤s512具体包括以下步骤：