熱害礦井掘進(jìn)工作面換熱特性

姬建虎,廖 強(qiáng),胡千庭,褚召祥,張習(xí)軍,龔林平

(1.重慶大學(xué)工程熱物理研究所,重慶 400044;2.中國煤炭科工集團(tuán)重慶研究院瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400037)

熱害礦井掘進(jìn)工作面換熱特性

姬建虎1,2,廖 強(qiáng)1,胡千庭2,褚召祥2,張習(xí)軍2,龔林平2

(1.重慶大學(xué)工程熱物理研究所,重慶 400044;2.中國煤炭科工集團(tuán)重慶研究院瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400037)

為量化熱害礦井掘進(jìn)工作面的換熱特性,根據(jù)其通風(fēng)和換熱特點(diǎn),以掘進(jìn)工作面沖擊射流換熱系數(shù)的影響因素關(guān)聯(lián)式為基礎(chǔ),結(jié)合工程實(shí)踐中常見參數(shù)對換熱系數(shù)影響因素進(jìn)行了1∶1的ANSYS數(shù)值模擬試驗(yàn)和1∶3的室內(nèi)相似模擬實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值范圍和變化趨勢兩方面吻合程度都較高。對數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析,得到了掘進(jìn)工作面沖擊射流換熱系數(shù)影響因素關(guān)聯(lián)式的具體形式。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果回歸分析式的相關(guān)系數(shù)分別為0.925和0.944。

熱害礦井;掘進(jìn)工作面;換熱系數(shù);相似實(shí)驗(yàn);回歸分析

隨著淺部煤炭資源的逐漸減少甚至枯竭,地下開采的深度越來越大[1],礦井進(jìn)入深部開采后,普遍面臨著高溫?zé)岷Φ膯栴}[2－3],為解決礦井高溫?zé)岷栴},首先需要計算井下各種熱源(如圍巖散熱、機(jī)電設(shè)備散熱、空氣壓縮熱、氧化散熱等)的散熱量,根據(jù)散熱量進(jìn)而確定主要需冷地點(diǎn)(采掘工作面)所需降溫冷負(fù)荷,才能為礦井降溫系統(tǒng)及方案的選擇提供決策依據(jù)[4],熱害礦井的主要熱源中圍巖散熱計算最為復(fù)雜[5],其關(guān)鍵在于圍巖和風(fēng)流之間的換熱系數(shù)難以確定,尤其是掘進(jìn)工作面圍巖和風(fēng)流的換熱系數(shù)。掘進(jìn)工作面的通風(fēng)方式主要有壓入式、抽出式和壓抽混合式,其中壓入式通風(fēng)屬于末端封閉有限空間的貼壁射流[6],國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對此進(jìn)行了研究。高建良等[7－8]通過實(shí)測數(shù)據(jù)分析了掘進(jìn)巷道圍巖的溫度分布和變化;G.Danko等[9]則利用CLIMSIM, MULTIFLUX軟件對礦井巷道壁面的傳熱、傳質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對結(jié)果進(jìn)行了對比分析;Malcolm[10]通過傳熱學(xué)理論分析給出了風(fēng)流和圍巖之間對流換熱系數(shù)計算式;I.S.Lowndes等[11]對風(fēng)流與圍巖之間對流換熱系數(shù)及換熱特性進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn);王海橋[12]對掘進(jìn)工作面流場進(jìn)行了研究;張艷麗[13]對掘進(jìn)工作面的換熱系數(shù)計算方法進(jìn)行了研究;許坤梅等[14]使用3種湍流模型對半封閉圓管沖擊射流進(jìn)行了數(shù)值模;張澤遠(yuǎn)等[15]對半封閉通道射流沖擊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究;徐驚雷等[16]采用熱線風(fēng)速儀測定了4種不同沖擊高度下對半封閉紊流流場的結(jié)果,并做了對比。

上述可以看出,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)采用不同的方法、從不同角度對掘進(jìn)工作面通風(fēng)和類似的半封閉通道射流沖擊換熱進(jìn)行了研究,但鮮有給出適用于掘進(jìn)工作面的換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式,因此有必要進(jìn)一步研究。本文主要針對掘進(jìn)工作面壓入式通風(fēng)條件下風(fēng)流對掘進(jìn)面換熱特性進(jìn)行研究,并得出平均換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式的具體形式。

1 掘進(jìn)工作面換熱特性

1.1 換熱特點(diǎn)

由掘進(jìn)工作面壓入式通風(fēng)方式的特點(diǎn),可將風(fēng)流和掘進(jìn)工作面的換熱分為兩大部分:①風(fēng)流和掘進(jìn)工作面之間的換熱;②風(fēng)流和側(cè)面圍巖間換熱,如圖1所示。筆者主要針對①部分進(jìn)行研究,如圖2所示,并得出其關(guān)系式。

圖1 掘進(jìn)工作面流場示意Fig.1 Ventilation flow field in driving face

1.2 換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式

圖2 掘進(jìn)工作面換熱系數(shù)云圖Fig.2 Contours of surface heat transfer coefficient in driving face

掘進(jìn)工作面風(fēng)流和圍巖之間的換熱主要為對流換熱,換熱系數(shù)h的主要影響因素有流體流速u、流體密度ρ、流體動力黏度η、流體的導(dǎo)熱系數(shù)λ、比定壓熱容Cp、巷道斷面特征直徑D、風(fēng)筒直徑d、風(fēng)筒出口距掘進(jìn)工作面的距離H,即:h=f(u,d,λ,η,ρ, Cp,H,D)。上述共有9個物理量,由4個基本量的量綱(時間T、長度L、質(zhì)量M、溫度Θ)組成,根據(jù)π定律,可以組成5個無量綱量,分別如下[17]:

2 參數(shù)的模擬

要進(jìn)一步確定式(1)具體的函數(shù)關(guān)系式需采用數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)研究等方法,根據(jù)我國煤礦實(shí)際情況,確定不同的Re,H/d和D/d,然后再進(jìn)行掘進(jìn)工作面換熱特性的研究。

2.1 D/d的確定

我國煤礦掘進(jìn)工作面的斷面尺寸差異很大,為縮小實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍并便于日后驗(yàn)證,取巷道斷面特征直徑D為3.36 m[17]。風(fēng)筒直徑d分別為0.4,0.5, 0.6,0.7,0.8,1.0和1.2 m等7種[18],D/d對應(yīng)的數(shù)值見表1。

表1 不同風(fēng)筒直徑d所對應(yīng)的D/dTable 1 The D/d in different airduct diameter d

2.2 Re的確定

我國高溫?zé)岷ΦV井一般掘進(jìn)工作面的通風(fēng)量不超過800 m3/min,結(jié)合實(shí)際情況,在模擬中分別對100,150,200,250,300,350,400,450,500,600,700和800 m3/min等12種情況進(jìn)行模擬。根據(jù)12種不同直徑的風(fēng)量,7種不同直徑的風(fēng)筒對應(yīng)的Re數(shù)和風(fēng)速見表2。

表2 雷諾數(shù)Re和風(fēng)筒風(fēng)速的取值Table 2 The number Re and the velocity in airduct

2.3 H/d的確定

在掘進(jìn)工作面壓入式通風(fēng)系統(tǒng)中,風(fēng)筒出口至掘進(jìn)工作面之間的距離H一般不超過10 m,本文模擬主要考慮距離H分別為1,2,3,…,10 m等10種情況。7種不同風(fēng)筒直徑時,對應(yīng)的H/d數(shù)值見表3。

表3 不同通風(fēng)距離H和風(fēng)筒直徑d時對應(yīng)的H/dTable 3 The H/d in different ventilation distance H and airduct diameter d

3 實(shí)驗(yàn)裝置

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅壤?/p>

我國煤礦掘進(jìn)工作面斷面大小差異較大,為了便于日后驗(yàn)證,以文獻(xiàn)[17]中模型為原始模型,特征直徑D為3.36 m,結(jié)合實(shí)際情況,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎?∶3縮小的模型,縮小后的巷道斷面如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖锏罃嗝嫘螤頕ig.3 Experimental model cross section

根據(jù)相似理論[19],同名相似準(zhǔn)則數(shù)相等:

式中,上標(biāo)“′”和“″”分別表示實(shí)際巷道和模型。

根據(jù)換熱系數(shù)計算公式[20]這和實(shí)際掘進(jìn)工作面風(fēng)流的流體性質(zhì)(熱擴(kuò)散率、運(yùn)動黏度)是一致的。模型實(shí)驗(yàn)中,將采用大小為1∶3的模型,流體將采用空氣作為介質(zhì),則

由式(13)可知,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械贸鰮Q熱系數(shù)h為原始模型換熱系數(shù)的3倍,風(fēng)流速度u也為原始模型中的3倍。

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置示意如圖4所示,風(fēng)流經(jīng)壓風(fēng)機(jī)8進(jìn)入管道,經(jīng)整流器6進(jìn)入風(fēng)筒9,最后進(jìn)入模擬巷道1和掘進(jìn)工作面恒溫加熱板10進(jìn)行換熱,換熱后的風(fēng)流經(jīng)整流器2后排出,在風(fēng)流進(jìn)出口安裝有溫度探頭和流量計,以監(jiān)測流量和溫度,如圖4中3,4,5所示。風(fēng)流流量的控制主要通過壓風(fēng)機(jī)變頻柜和流量調(diào)節(jié)閥7控制,由監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù),如圖5所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.4 General layout of the experimental setup

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.5 Data acquisition system

掘進(jìn)工作面恒溫加熱板10,通過電加熱管均勻焊接在加熱板上,如圖4中A—A斷面所示,恒溫加熱板的溫度為平均溫度,通過無級調(diào)壓器不斷調(diào)節(jié)電壓,使加熱板平均溫度達(dá)到40℃,并且當(dāng)溫度穩(wěn)定時再進(jìn)行測試。

實(shí)驗(yàn)裝置模擬巷道4和風(fēng)筒9外層都加了保溫層,以保證風(fēng)筒中進(jìn)風(fēng)流和巷道中回風(fēng)流不參加換熱,如圖6所示。實(shí)驗(yàn)中通過更換風(fēng)筒以測定對應(yīng)的風(fēng)筒直徑d,通過風(fēng)筒伸縮以確保風(fēng)筒出口至掘進(jìn)工作面的距離H,實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格按照1∶3縮小模型,結(jié)合式(13)和表1～3進(jìn)行。

圖6 實(shí)驗(yàn)巷道及風(fēng)筒Fig.6 The experimental roadway and airduct

平均換熱系數(shù)測試原理如下。

能量守恒定律:

4 結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果分析

由于實(shí)驗(yàn)及壓風(fēng)條件有限,實(shí)驗(yàn)過程中并未為對表1～3中所有數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,而是取表2中Re為235 843,353 764,471 686,589 207等4組對應(yīng)的數(shù)據(jù),取表1、表3中所有數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,并采用1∶3縮小的模型,結(jié)合式(13)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),合計280組實(shí)驗(yàn)組合,實(shí)驗(yàn)量較大。

模擬采用1∶1模型,模擬模型、邊界條件、控制方程及相關(guān)參數(shù)參見文獻(xiàn)[17],根據(jù)掘進(jìn)工作面風(fēng)流,具有射流、回流、二次流(和主流方向不同的流動)和壁面限制等特點(diǎn),本次模擬經(jīng)過湍流模型比較,選取廣泛應(yīng)用于解算紊流流動過程的Realizable k－ε模型,方程中相關(guān)參數(shù)取值參考了ANSYS中幫助文件,具體見ANSYS13.0 Help System中1.2.1 The Mass Conservation Equation,4.3.3 Realizable k－ε Model和5.2.1.1 The Energy Equation。模擬對表1～3的840種組合進(jìn)行研究,模擬量較大。

因掘進(jìn)工作面的通風(fēng)的流場較為復(fù)雜,如圖1所示。為了能夠較清楚了解掘進(jìn)工作面和圍巖作為一個整體的換熱特性,模擬增加了圍巖為恒壁溫40℃的邊界條件。此條件下,掘進(jìn)工作面及風(fēng)流作為一個整體分析,圍巖和掘進(jìn)工作面都參與換熱,這種條件下的模擬組合也為840種。

為說明掘進(jìn)工作面換熱系數(shù)的關(guān)系,下面結(jié)合實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

(1)Nu與Re的關(guān)系。

經(jīng)數(shù)據(jù)分析,不同D/d條件下,Nu與Re關(guān)系具有相同的變化趨勢,限于篇幅,取D/d=5.6時的Nu－Re圖加以說明,如圖7,8所示?？梢钥闯?Nu隨著Re的增大而增大,且隨H/d的增加而減小。Re增加,則風(fēng)速風(fēng)量加大,換熱加強(qiáng),故Nu變大;H/d增加,風(fēng)流出口距掘進(jìn)工作面距離相對變大,風(fēng)流發(fā)散,換熱減弱,故Nu變小。盡管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限,但實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果仍具有較好的相似度。

圖7 模擬結(jié)果中Nu與Re的關(guān)系Fig.7 The relationship between Nu&Re by simulation

(2)Nu與H/d的關(guān)系。

同樣限于篇幅,取D/d=5.6時的Nu－H/d圖加以說明,如圖9,10所示?？梢钥闯?Nu隨著H/d的增大而減小,且隨Re的增加而增加。H/d增加,風(fēng)流出口掘進(jìn)工作面距離相對變遠(yuǎn),未形成有效沖擊射流,換熱作用減弱。同等條件下,Re越大,則風(fēng)速風(fēng)量加大,換熱作用越強(qiáng),故Nu變大,實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果同樣具有很好的相似度。

(3)相同Re時Nu與H/d的關(guān)系。

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果中Nu與Re的關(guān)系Fig.8 The relationship between Nu&Re obtained from experiment

圖9 模擬結(jié)果中Nu與H/d的關(guān)系Fig.9 The relationship between Nu&H/d by simulation

圖10 實(shí)驗(yàn)結(jié)果中Nu與H/d的關(guān)系Fig.10 The relationship between Nu&H/d obtained from experiment

數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,不同Re條件下,Nu－H/d圖具有相同的趨勢,在此僅取Re為235 452時的Nu－H/d關(guān)系圖予以說明,如圖11,12所示。可以看出, Nu隨著H/d的增大而減小,與圖9,10一致,而隨D/ d的增加而減小。D/d增加,在D不變的條件下,風(fēng)筒直徑變小,風(fēng)筒射出的風(fēng)流對掘進(jìn)工作面的沖擊面較小,故得出的平均Nu數(shù)較小?？傮w來說,D/d對Nu影響不大,隨著H/d的增加,對Nu影響更小,如圖11,12中H/d大于10時,D/d的影響可忽略不計,實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果同樣具有很高的吻合度。

4.2 回歸分析

在實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果分析中,對Nu的影響關(guān)系進(jìn)行了分析,實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果具有較高的吻合度。為實(shí)踐應(yīng)用,擬合出具體的函數(shù)關(guān)系式則更為方便。在對流傳熱的研究中,以已定準(zhǔn)則的冪函數(shù)形式整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)用方法取得了很大的成功[15],則式(1)可整理為

圖11 模擬結(jié)果中Nu與H/d的關(guān)系(Re為定值)Fig.11 The relationship between Nu&H/d by simulation(Re=constant)

圖12 實(shí)驗(yàn)結(jié)果中Nu與H/d的關(guān)系(Re為定值)Fig.12 The relationship between Nu&H/d by experiment(Re=constant)

同樣為了方便實(shí)際應(yīng)用,將掘進(jìn)工作面、圍巖及風(fēng)流看作一個整體,對模擬結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸,得出關(guān)系式

其回歸判定系數(shù)R2為0.937。

實(shí)驗(yàn)及模擬驗(yàn)證范圍:

5 結(jié) 論

(1)掘進(jìn)工作面Nu的主要影響因素是Re,H/d和D/d,結(jié)合工程實(shí)踐中常見參數(shù),采用ANSYS數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對影響關(guān)系進(jìn)行了研究,模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合。

(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)和ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果,對數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析,得出了煤礦掘進(jìn)工作面壓入式通風(fēng)條件下的圍巖和風(fēng)流間換熱關(guān)系式(式(17)～(19)),判定系數(shù)R2分別為0.925,0.944和0.937,具有較高的實(shí)用價值。

(3)只針對煤礦掘進(jìn)工作面壓入式通風(fēng)情況進(jìn)行了研究,并沒有對所有不同情況進(jìn)行分析。湍流問題較為復(fù)雜,現(xiàn)在仍然沒有一個公認(rèn)的具有較好普適性的湍流模型,下一步應(yīng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證相關(guān)參數(shù)之間的具體關(guān)系式,并擴(kuò)大掘進(jìn)工作面巷道斷面特征直徑D的模擬和實(shí)驗(yàn)范圍,得出普遍適應(yīng)的關(guān)系式,涉及的結(jié)論模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍如下:

235 843≤Re≤1 885 980,0.83≤H/d≤25,2.8≤D/d≤8.4。

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Heat transfer characteristics of driving face in heat harm mine

JI Jian-hu1,2,LIAO Qiang1,HU Qian-ting2,CHU Zhao-xiang2,ZHANG Xi-jun2,GONG Lin-Ping2

(1.Engineering Thermophysics Institution,Chongqing University,Chongqing 400044,China;2.National Key Laboratory of Gas Disaster Detecting,Preventing and Emergency,China Coal Technology&Engineering Group Chongqing Research Institute,Chongqing 400037,China)

In order to obtain the heat transfer equation of driving face in heat harm mine,according to the ventilation and heat transfer characteristics and general parameters in engineering practice of driving face in heat harm mine,the ratio of 1∶1 ANSYS numerical simulation test and ratio of 1∶3 indoor similar simulation experiment were taken based on the convective heat transfer coefficient impact factors correlation of jet flow in driving face.Through the comparison,simulation and experiment results have high degree of coincidence both on range of value and variation tendency.Then the concrete forms of heat transfer coefficient correlation were got with regression analysis of numerical simulation results and experimental results.The correlation index R2of the numerical simulation and the experiment regression analysis are 0.925 and 0.944.

heat harm mine;driving face;coefficient of heat transfer;field experiment;regression analysis

TD727

A

0253－9993(2014)04－0692－07

姬建虎,廖 強(qiáng),胡千庭,等.熱害礦井掘進(jìn)工作面換熱特性[J].煤炭學(xué)報,2014,39(4):692－698.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0478

Ji Jianhu,Liao Qiang,Hu Qianting,et al.Heat transfer characteristics of driving face in heat harm mine[J].Journal of China Coal Society, 2014,39(4):692－698.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0478

2013－04－15 責(zé)任編輯:畢永華

“十二五”國家科技支撐計劃資助項(xiàng)目(2012BAK04B02);中國煤炭科工集團(tuán)創(chuàng)新基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2011ZD001);重慶市科技人才培養(yǎng)計劃資助項(xiàng)目(cstc2013kjrc－qnrc90001)

姬建虎(1978—),男,山西晉城人,副研究員,博士研究生。Tel:023－65239117,E－mail:jijianhu@126.com