COSMOS Flo Works在礦井通風(fēng)系統(tǒng)可視化仿真中的應(yīng)用

舒 才,郁鐘銘

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院, 貴州貴陽(yáng) 550003;2.貴州民族學(xué)院, 貴州貴陽(yáng) 550025)

COSMOS Flo Works在礦井通風(fēng)系統(tǒng)可視化仿真中的應(yīng)用

舒 才1,郁鐘銘2

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院, 貴州貴陽(yáng) 550003;2.貴州民族學(xué)院, 貴州貴陽(yáng) 550025)

利用三維 CAD軟件 Solid Works,在相似性原理的基礎(chǔ)上,對(duì)組成礦井通風(fēng)系統(tǒng)的巷道和設(shè)施進(jìn)行三維建模,采用其插件 COSMOS Flo Works對(duì)建立的礦井通風(fēng)系統(tǒng)模型進(jìn)行流體仿真,從而間接實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際礦井通風(fēng)的可視化仿真模擬,以確定通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性,同時(shí)確定相關(guān)參數(shù)。以某小型煤礦的初期開(kāi)采利用方案為實(shí)例,對(duì)該礦井設(shè)計(jì)的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模擬,并與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法得出的結(jié)論進(jìn)行了比較,結(jié)果相差不到5%,驗(yàn)證了該方法在礦井通風(fēng)系統(tǒng)可視化仿真中的可行性。

通風(fēng)系統(tǒng);可視化仿真;COSMOS Flo Works;建模

礦井通風(fēng)系統(tǒng)很難制出實(shí)物模型進(jìn)行試驗(yàn),本文利用三維建模軟件 Solid Works構(gòu)建通風(fēng)系統(tǒng)模型代替在現(xiàn)實(shí)中難以制造的實(shí)體模型,再利用 Solid-Works內(nèi)置的流體分析插件 COSMOS Flo Works,對(duì)模型進(jìn)行流體模擬代替實(shí)際中對(duì)模型進(jìn)行的試驗(yàn),再利用相似性原理將結(jié)果轉(zhuǎn)換到實(shí)物上去。

1 礦井概況

用于仿真的礦井為貴州省大方縣某煤礦,該礦為新建礦井,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為 9萬(wàn) t/a,采煤工藝為炮采,礦井設(shè)計(jì)有 3條井筒(主、副斜井,回風(fēng)斜井),兩個(gè)掘進(jìn)面和一個(gè)回采面,設(shè)計(jì)工作面所需風(fēng)量為 6.77m3/s,計(jì)算的回風(fēng)斜井總回風(fēng)量為 22 m3/s,設(shè)計(jì)取回采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為 2.2 m3/min,掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量 0.45m3/min,采用抽出式通風(fēng)。主副斜井、回風(fēng)斜井巷道斷面為半圓拱,面積 7.8m2,其余巷道均為梯形,面積 4.4 m2。僅井底聯(lián)絡(luò)巷有調(diào)節(jié)風(fēng)窗。本仿真的目的是確定該礦井初期開(kāi)采時(shí)所設(shè)計(jì)的通風(fēng)系統(tǒng)是否可以達(dá)到預(yù)期的目的(工作面風(fēng)量為 6.77m3/s),同時(shí)大概確定該系統(tǒng)井底聯(lián)絡(luò)巷調(diào)節(jié)風(fēng)窗的大小。

2 解決問(wèn)題的思路及步驟

COSMOS軟件是美國(guó) SRAC公司的產(chǎn)品,它采用舉世矚目的 FFE(快速有限元法)算法,具有計(jì)算速度快、解題時(shí)占用磁盤空間少、使用方便、分析功能全面、與其他 CAD/CAE軟件集成性好等突出優(yōu)點(diǎn)[1]。本文先根據(jù)設(shè)計(jì)的巷道數(shù)據(jù),按照一定的比例對(duì)巷道系統(tǒng)進(jìn)行三維建模,之后再由 COSMOS Flo Works創(chuàng)建流體分析工程,根據(jù)設(shè)計(jì)使用的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界條件的設(shè)置,優(yōu)化網(wǎng)格,設(shè)定目標(biāo),運(yùn)行求解。分析比較結(jié)果,根據(jù)相似性系數(shù)得到原型參數(shù)。

2.1 建模

2.1.1 巷道系統(tǒng)的建模

該礦井初期設(shè)計(jì)最長(zhǎng)巷道范圍在 1km左右,為建模方便,決定采用幾何相似系數(shù) K1=1000來(lái)對(duì)該礦井進(jìn)行建模,省略井底水倉(cāng)及水泵房,以簡(jiǎn)化模型。利用 Solid Works的掃描、拉伸、放樣等命令進(jìn)行建模[2]。

由幾何相似的性質(zhì)可知面積相似系數(shù) Ks==106;體積相似系數(shù) Kv==109;周長(zhǎng)相似性系數(shù)KU=K1=1000,由壓力相似原理(歐拉數(shù)相等)[3]:

式中:△P為流場(chǎng)中兩點(diǎn)的壓力差,Pa;L為線性長(zhǎng)度,m;U為濕周,m;u為流速,m/s;S為斷面積,m2;λ為沿程阻力系數(shù);ρ為流體密度,kg/m3。

由(1)、(2)式可知:Eu∝λLU/S;

故欲使歐拉數(shù)相等,即:

即只需 KλK1Ku=Ks。

式中:Kλ=λ0/λm,為原型模型沿程阻力系數(shù)之比,又Ks=;KU=K1。

即 KλK1K1=由此可知只要 Kλ=1,即可保證歐拉數(shù)相等。

又由尼古拉茨粗糙管公式[4]:

可知,欲使 Kλ=1,只要:dm/△m=d0/△0;又 d0/dm=Kl。所以 △0/△m=Kl,即 △m=△0/Kl,△0為實(shí)際巷道的絕對(duì)粗糙度。

由 α=λρ/8[3]可得 :λ=8α/ρ,即可根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)上相關(guān)巷道的α值來(lái)確定λ0,再由尼古拉茲粗糙管公式推出:即可算出△0,于是確定模型的絕對(duì)粗糙度大小為:△m=△0/Kl,該值用于仿真模型壁面邊界條件的設(shè)置。模型巷道絕對(duì)粗糙度與原型巷道絕對(duì)粗糙度對(duì)照見(jiàn)表1。

表1 絕對(duì)粗糙度對(duì)照

2.1.2 流體模型的建模

本仿真原型的流體原型為壓力為 101325Pa,溫度為 30℃時(shí)的空氣和瓦斯,根據(jù)粘性力相似原理來(lái)建立對(duì)應(yīng)的模型流體[4]:

即 :KρKlKu/Kμ=1,式中 :μ為動(dòng)力粘度,可取 Kρ=1,Ku=1,Kμ=Kl=1000,以此系數(shù)來(lái)自定義空氣模型與瓦斯模型,由這些比例可知,僅需改變氣體的動(dòng)力粘度即可,對(duì)空氣模型:μm=μ0/Kμ=1.873×10-5/1000=1.873×10-8Pa·s;對(duì)瓦斯模型:μm=μ0/Kμ=1.123×10-5/1000=1.123×10-8Pa·s;可根據(jù) COSMOS Flo Works工程數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的真實(shí)氣體,其動(dòng)力粘度改為以上定值即可,其余參數(shù)不變。

2.1.3 局部風(fēng)機(jī)的建模

COSMOS Flo Works以風(fēng)機(jī)的特性曲線提供了含有風(fēng)機(jī)的邊界條件,根據(jù)下文式(3)轉(zhuǎn)換到模型局部風(fēng)機(jī)上,模型局部風(fēng)機(jī)采用文獻(xiàn)[3]中的 JBT-62為原型,建立的模型局部風(fēng)機(jī)特性曲線見(jiàn)圖1。

圖1 模型局部風(fēng)機(jī)特性曲線

2.2 創(chuàng)建流體仿真工程

利用 COSMOS Flo Works的向?qū)?chuàng)建流體仿真工程,根據(jù)向?qū)?仿真工程的主要設(shè)置見(jiàn)表2。由于通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)出口間高差不大,該系統(tǒng)又屬于不可壓縮流體的有壓流動(dòng),故本仿真暫不考慮重力的影響,僅考慮粘性力和壓力為主要作用力。

表2 流體仿真工程主要設(shè)置

2.3 邊界條件的設(shè)置

COSMOS flo works提供了 FlowOpenings、Pressure Openings、Walls3種邊界條件,flow openings用于設(shè)置流量,pressure設(shè)置壓力,walls設(shè)置粗糙度。

對(duì)于本文設(shè)置的體積流量,根據(jù)相似性系數(shù):Ku=1,Kl=1000,可得:

由 KQ=Q0/Qm,Q=u×S,

由問(wèn)題的描述可知,回風(fēng)斜井井口流出量為Q0=22m3/s;設(shè)計(jì)工作面瓦斯絕對(duì)涌出量為 2.2 m3/min。兩個(gè)掘進(jìn)頭瓦斯絕對(duì)涌出量為 0.45 m3/min。由式(3)轉(zhuǎn)換到模型上,模型邊界條件的詳細(xì)設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 模型邊界條件設(shè)置

2.4 網(wǎng)格劃分[5,6]

通過(guò)對(duì)巷道系統(tǒng)風(fēng)筒、局部風(fēng)機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)定后,將模型劃分為 56423個(gè)流體單元。

2.5 目標(biāo)的設(shè)定

目標(biāo)設(shè)定顯示所關(guān)心參數(shù)變化的情況,同時(shí)加速計(jì)算收斂。本模擬關(guān)心的參數(shù)有:風(fēng)井井口的壓力、工作面的風(fēng)量,回風(fēng)順槽的瓦斯?jié)舛?、掘進(jìn)頭風(fēng)量,礦井通風(fēng)的阻力等。

3 仿真結(jié)果輸出

通過(guò)解算,迭代次數(shù)為 948次時(shí),所有設(shè)置的目標(biāo)收斂,結(jié)果見(jiàn)表4。通過(guò)目標(biāo)結(jié)果表與相似性系數(shù)的轉(zhuǎn)換可知,在井底聯(lián)絡(luò)巷處的調(diào)節(jié)風(fēng)窗大小為0.9m×0.9m時(shí),運(yùn)輸順槽進(jìn)風(fēng)量為 6.44m3/s,主斜井進(jìn)風(fēng)量為 10.06m3/s,副斜井進(jìn)風(fēng)量為 11.84 m3/s;根據(jù)相似性系數(shù)的設(shè)置可知,△P0=△Pm,即真實(shí)礦井的通風(fēng)阻力與模型相等,即為 150.2Pa。

表4 模型仿真目標(biāo)結(jié)果

通風(fēng)系統(tǒng)壓力變化見(jiàn)圖2。

圖2 通風(fēng)系統(tǒng)壓力變化云圖

用傳統(tǒng)方法計(jì)算取其計(jì)算風(fēng)路為主斜井(275 m)-運(yùn)輸石門及溜煤斜巷(135m)-運(yùn)輸順槽(520m)-工作面(80m)-回風(fēng)順槽(586m)-回風(fēng)石門及斜巷(153m)-回風(fēng)斜井(169m),由此算出的礦井通風(fēng)阻力為 144.66Pa。與仿真結(jié)果相差不到 5%,證明仿真結(jié)果可靠。

4 結(jié) 論

利用流行的 3D建模軟件的強(qiáng)大建模功能建立礦井巷道系統(tǒng),采用已有的計(jì)算流體動(dòng)力仿真工具對(duì)建立的系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)模擬,間接實(shí)現(xiàn)了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的三維可視化仿真。由本文仿真的結(jié)果與傳統(tǒng)方法計(jì)算的結(jié)果相差不到 5%,證明方法可靠。應(yīng)用這一方法,在通風(fēng)管理中,當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生改變時(shí),可以預(yù)先對(duì)改變的系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真來(lái)確定設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性,同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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[2] 鄭長(zhǎng)松,等.SOLID WORKS2006中文版機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

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2010-04-16)

舒 才(1985-),男,白族,貴州大方人,在讀碩士,研究方向?yàn)榈V業(yè)系統(tǒng)工程,Email:312905608@qq.com。