礦井工作面空調(diào)降溫效果的數(shù)值模擬分析

趙運超 石發(fā)恩 蔣達華

(江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院,江西省贛州市,341000)

礦井工作面空調(diào)降溫效果的數(shù)值模擬分析

趙運超 石發(fā)恩 蔣達華

(江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院,江西省贛州市,341000)

以采用空調(diào)系統(tǒng)的濟寧唐口煤礦采掘工作面為研究背景,借助CFD模擬軟件研究工作面降溫后的溫度分布情況,結(jié)合數(shù)據(jù)分析,得出空調(diào)器出風(fēng)口的最佳設(shè)置高度,以及在機械通風(fēng)狀態(tài)參數(shù)不變的條件下,空調(diào)器的最佳送風(fēng)溫度、送風(fēng)量等結(jié)論,以指導(dǎo)實際的生產(chǎn)運行管理。

井下降溫 工作面降溫 空調(diào)器 數(shù)值模擬 CFD

隨著礦井開采深度的逐步加深,井下地溫也隨之升高,因此,礦井高溫、高濕環(huán)境對礦工身體健康及礦井的安全生產(chǎn)產(chǎn)生極其重要的影響。為了改善工人的勞動環(huán)境,延長采掘設(shè)備的使用壽命,提高生產(chǎn)效率,礦井降溫技術(shù)成為煤礦科技研究的一個發(fā)展方向,同時礦井空調(diào)降溫是空調(diào)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的一個特殊領(lǐng)域。

本文以礦井空調(diào)對采掘工作面進行降溫為研究背景,結(jié)合CFD計算流體力學(xué)的理論知識,通過建立數(shù)學(xué)模型,運用數(shù)值模擬的方式,著重分析空調(diào)送風(fēng)高度對采掘工作面溫度分布的影響,空調(diào)機最佳送風(fēng)溫度和送風(fēng)量以及采煤機的位置對采用空調(diào)系統(tǒng)后工作面溫度分布的影響等幾個方面的問題,得出相關(guān)的結(jié)論,使礦井空調(diào)在使用過程中對采掘工作面起到更佳的降溫效果。

1 理論分析

1.1 工作面氣流流動的微分方程

在巷道及工作面上,氣體的流動為紊流運動,假設(shè)氣體的流動是定常流,借助Boussinesq近似假設(shè),即密度變化的作用僅在運動方程中的重力項上保留,對其他項的影響忽略不計。當(dāng)進入采煤工作面的空氣氣體常數(shù)值與工作面上原有氣體接近,而且溫差較大時,工作面上空氣的運動可用微分方程描述。

1.2 邊界條件

進口邊界的速度、溫度、流量按實測或設(shè)定值給出。氣流出口邊界采用局部單通道坐標(biāo)假定,只給定流場壓力P的標(biāo)定值。而固體壁面采用壁面函數(shù)確定壁面上的溫度當(dāng)量擴散系數(shù)(kt)和速度當(dāng)量擴散系數(shù)(μt)。

2 數(shù)值模擬與分析

2.1 計算條件

以濟寧唐口煤礦某采煤工作面為例,采煤工作面平均寬4.5 m,高3.0 m,斷面積13.5 m2,平均風(fēng)量2025 m3/min,平均風(fēng)速 2.5 m/s,采煤工作面長150 m。實測風(fēng)流溫度為35℃,巖壁溫度為37℃,導(dǎo)熱系數(shù)取0.26 W/m·℃。

使用CFD軟件對該采煤工作面的溫度場進行數(shù)值模擬,由于實際計算條件復(fù)雜,為簡化計算,數(shù)值模擬過程中,作如下假設(shè):采掘工作面的供風(fēng)量不隨時間變化;工作面上各個面發(fā)熱量均勻,煤層表面溫度均取37℃,采空區(qū)發(fā)熱量60 W/m2;不考慮人體、設(shè)備的發(fā)熱量;工作面上各處初始風(fēng)溫相同,計算中取35℃;忽略巖層壁的阻力。

計算中設(shè)置水平工作面,建立物理模型,尺寸為150 m(長) ×4.5m(寬) ×3.0 m(高),在x=0 m,y=4.5 m,z=3 m斷面處設(shè)置機械通風(fēng)入口為“入口1”,記為“inlet1”;在x=4.5 m,y=1 m,z=1 m斷面處設(shè)置空調(diào)器出風(fēng)口,經(jīng)過空調(diào)器處理后的冷風(fēng)出口設(shè)為“入口2”,記為“inlet2”;在x=0 m,y=154.5 m,z=3 m斷面處設(shè)置尺寸為x=0 m,y=4.5 m,z=3.0 m的“出口”,記為“outlet”。

2.2 研究內(nèi)容

研究內(nèi)容一:空調(diào)器送風(fēng)高度對工作面降溫效果的研究。入口1取夏季當(dāng)?shù)乜諝馄骄鶞囟?8℃,風(fēng)量為15 m3/s;入口2取空調(diào)器送風(fēng)溫度24℃,風(fēng)量為25 m3/s,空調(diào)器出風(fēng)口位置距地面高度分別取0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m。

研究內(nèi)容二:確定空調(diào)器的最佳送風(fēng)溫度和風(fēng)量。入口1處取夏季當(dāng)?shù)乜諝馄骄鶞囟?8℃,風(fēng)量為15 m3/s;入口2經(jīng)過空調(diào)器處理后冷風(fēng)出口溫度取22℃、23℃、24℃、25℃,出口風(fēng)量分別取 15 m3/s、20 m3/s、25 m3/s、30 m3/s、35 m3/s、40 m3/s。

研究內(nèi)容三:采煤機的位置對工作面降溫效果的影響。入口1處取夏季當(dāng)?shù)乜諝馄骄鶞囟?8℃,風(fēng)量為15 m3/s;入口2經(jīng)過空調(diào)器處理后冷風(fēng)出口溫度取23℃,風(fēng)量為30 m3/s;采煤機機身尺寸為8 m×1 m,截深為 1 m,導(dǎo)熱系數(shù)取 2.55 W/m·℃;采煤機在采煤工作面的位置分別取距巷道起始點10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m、90 m、100 m、110 m、120 m、130 m、140 m、150 m。

計算網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,劃分網(wǎng)格數(shù)為19(長) ×152(寬) ×11(高)=31768個。分別計算笛卡爾坐標(biāo)下的速度u、v、w、壓強p、溫度T、湍流動能k、湍流動能耗散率ε等變量的函數(shù)值。設(shè)置迭代次數(shù)為300次,速度松弛因子取0.5,壓力松弛因子取0.8。數(shù)值計算采用 SIMPL E(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法(解壓力耦合方程的半隱式法)。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.3.1 空調(diào)送風(fēng)高度對采煤工作面溫度分布的影響

空調(diào)器送風(fēng)高度對采煤工作面溫度分布的影響模擬方圖見圖1。在圖1中,最下面灰色部分代表煤區(qū),其余部分是工作面溫度分布情況,其中右側(cè)面為送風(fēng)入口,左側(cè)面為出口。

空調(diào)器不同高度下的巷道內(nèi)平均溫度分布圖見圖2。從圖1的模擬云圖及圖2的數(shù)值分析圖中可以看出,當(dāng)固定空調(diào)器送風(fēng)溫度24℃。風(fēng)量為25 m3/s時,采掘工作的溫度隨著巷道長度的增加隨之遞增;當(dāng)空調(diào)器的設(shè)置高度距巷道底面為1.5 m左右時,巷道內(nèi)平均溫度約為25.7℃;當(dāng)空調(diào)器的設(shè)置高度分別在1.5 m以上和以下時,巷道內(nèi)的平均溫度均高于25.7℃,且基本成對稱形式分布。由此可以說明,空調(diào)器出風(fēng)口的最佳設(shè)置高度為距巷道底面1.5 m,此時降溫效果最好。

2.3.2 空調(diào)機最佳送風(fēng)溫度和送風(fēng)量的數(shù)值模擬

圖3 進風(fēng)溫度22℃時不同風(fēng)量下工作面溫度分布

圖3～圖7為不同風(fēng)量下空調(diào)器不同的送風(fēng)溫度時,工作面溫度分布圖。通過對圖4～圖8的曲線圖的分析可知,空調(diào)器的送風(fēng)溫度越低、風(fēng)量越大,巷道工作面的平均溫度越低,降溫效果越好。但空調(diào)器的送風(fēng)溫度越低,空調(diào)器的能耗就越高,所以,從節(jié)能的角度考慮,只要采掘工作面的平均溫度達到26℃(煤礦安全生產(chǎn)規(guī)定工作面溫度不得高于26℃)左右,空調(diào)器的送風(fēng)溫度及風(fēng)量就是最佳送風(fēng)狀態(tài)。經(jīng)過分析比較,最終確定在機械通風(fēng)狀態(tài)參數(shù)不變的條件下(28℃,15 m3/s),空調(diào)器的最佳送風(fēng)溫度為23℃,送風(fēng)量為30 m3/s。

圖7 不同送風(fēng)溫度及風(fēng)量下工作面溫度分布圖

2.3.3 采煤機的位置對采用空調(diào)系統(tǒng)后工作面溫度分布的影響

圖8 采煤機處于不同位置時工作面平均溫度分布圖

采煤機處于不同位置時工作面平均溫度分布圖見圖8。從圖8中可以看出,采煤機位于巷道工作面不同位置時,只是在采煤機所處位置附近平均溫度有明顯的突然升高,這是由于采煤機本身是一個巨大的熱源,機體表面溫度高達40℃以上,這使得采煤機附近的空氣溫度稍高于遠離機器處的溫度;另外離采煤機較遠的兩側(cè),采掘工作面上平均溫度的分布變化趨勢基本相同,受采煤機的影響較小。

通過分析可知,采煤機的位置對采掘工作面整體平均溫度分布的影響不大。

3 結(jié)論

(1)空調(diào)器出風(fēng)口的最佳設(shè)置高度為距巷道底部1.5 m,此時降溫效果最好。

(2)在機械通風(fēng)狀態(tài)參數(shù)不變(28℃,15 m3/s)的條件下,空調(diào)器的最佳送風(fēng)溫度為23℃,送風(fēng)量為30 m3/s。

(3)采煤機的位置對采掘工作面整體平均溫度分布的影響不大,只是在采煤機所處位置附近平均溫度有明顯的突然升高。

[1]趙運超.礦井冰冷降溫空調(diào)系統(tǒng)融冰過程及降溫效果研究[D].廣州:廣州大學(xué),2008

[2]梁棟.礦內(nèi)瓦斯運移規(guī)律及其應(yīng)用[D].北京:中國礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū),1996

[3]金忠青.N-S方程的數(shù)值解和紊流模型[M].南京:河海大學(xué)出版社,1989

[4]張政譯.傳熱與流體流動的數(shù)值計算[M].科學(xué)出版社,1984

[5]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)(第2版)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2001,5

[6]周西華等.回采工作面溫度場分布規(guī)律的數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報,2002(1)

[7]趙運超等.回采工作面空調(diào)降溫效果的數(shù)值分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2007(6)

(責(zé)任編輯 張艷華)

Numerical simulation and analysis of air conditioning cooling effect at working face

Zhao Yunchao,Shi Faen,Jiang Dahua
(Faculty of Architectural and Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou,Jiangxi 341000,China)

The use of air conditioning system of a coalmining face to the background,using CFD simulation software analysis the face temperature distribution after cooling,combined data analysis,obtained the air conditioner’s best height,in the condition of local mechanical ventilation parameters unchanged,the air conditioner’s best outlet air temperature and air flow,this will guide the actual production operation management.

underground coalmine cooling,coalface cooling,air conditioning,numerical simulation,computational fluid dynamics

TD-727.2

B

趙運超(1979-),女,河北省廊坊人,碩士,主要研究方向:空調(diào)與建筑節(jié)能技術(shù)。