矩形巷道轉(zhuǎn)彎后測(cè)風(fēng)站位置的數(shù)值分析

張京兆，張紅記，姜紅敏，李燕峰，高 鵬

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.霍州煤電呂臨能化煤電綜合項(xiàng)目部，山西 呂梁 033200)

矩形巷道轉(zhuǎn)彎后測(cè)風(fēng)站位置的數(shù)值分析

張京兆1,2，張紅記2，姜紅敏2，李燕峰2，高 鵬2

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.霍州煤電呂臨能化煤電綜合項(xiàng)目部，山西 呂梁 033200)

提出井下測(cè)風(fēng)站應(yīng)設(shè)在巷道風(fēng)流的充分發(fā)展段，并以某矩形巷道為原型建立六個(gè)模型進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)。數(shù)值結(jié)果表明，進(jìn)風(fēng)順槽測(cè)風(fēng)站合理位置距離轉(zhuǎn)彎處遠(yuǎn)超10m；不同轉(zhuǎn)彎角度時(shí)進(jìn)風(fēng)順槽測(cè)風(fēng)站的合理位置在距離轉(zhuǎn)彎處163～176m之后；模型3在計(jì)算表面粗糙度范圍內(nèi)，測(cè)風(fēng)站合理位置在距轉(zhuǎn)彎處144～177m之后。

矩形巷道；充分發(fā)展流動(dòng)；測(cè)風(fēng)站；數(shù)值模擬

礦井通風(fēng)是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要技術(shù)手段之一，準(zhǔn)確測(cè)定礦井通風(fēng)參數(shù)是其基礎(chǔ)工作[1]。目前我國(guó)煤礦井下測(cè)風(fēng)主要采用機(jī)械式風(fēng)表人工測(cè)風(fēng)與風(fēng)速傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式實(shí)施。在測(cè)風(fēng)儀器正常工作的情況下，人工測(cè)風(fēng)因測(cè)風(fēng)員的測(cè)風(fēng)經(jīng)驗(yàn)和方式而存在偏差，風(fēng)速傳感器監(jiān)測(cè)相對(duì)穩(wěn)定，但其可能因懸掛位置不同或固定不好等因素導(dǎo)致更大的誤差。當(dāng)前，大部分礦井更信任人工測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，煤礦人工測(cè)風(fēng)在井下測(cè)風(fēng)站進(jìn)行。根據(jù)文獻(xiàn)[2]的解釋，井下主要巷道均應(yīng)建立測(cè)風(fēng)站，測(cè)風(fēng)站應(yīng)設(shè)在平直的巷道中，其前后10m范圍內(nèi)不得有障礙物或巷道拐彎等局部阻力，以保證所測(cè)風(fēng)量的準(zhǔn)確性。

由某礦實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)風(fēng)結(jié)果可知，在系統(tǒng)沒有任何變化的情況下，對(duì)某一個(gè)測(cè)風(fēng)站，不同的測(cè)風(fēng)員測(cè)風(fēng)結(jié)果不同，這是因?yàn)闇y(cè)風(fēng)方法和技術(shù)有所誤差；同一個(gè)測(cè)風(fēng)員在固定位置測(cè)風(fēng)結(jié)果幾乎相同，而在測(cè)風(fēng)站范圍內(nèi)更換測(cè)風(fēng)位置后會(huì)得到不同的結(jié)果，這說明該測(cè)風(fēng)站位置不合理。由流體力學(xué)可知，流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，內(nèi)流中邊界層相遇之后的流動(dòng)被稱作充分發(fā)展流動(dòng)，其流動(dòng)參數(shù)不隨流向發(fā)生變化。井下巷道空氣的流動(dòng)也屬于管道流的范疇，如果測(cè)風(fēng)站布置在風(fēng)流充分發(fā)展段，在測(cè)風(fēng)站范圍內(nèi)任意斷面上測(cè)風(fēng)，固定的測(cè)風(fēng)員由于其測(cè)風(fēng)習(xí)慣相同可測(cè)得一致的數(shù)據(jù)，從而提高所測(cè)風(fēng)速(風(fēng)量)的準(zhǔn)確性。本文以一矩形巷道為例，對(duì)巷道轉(zhuǎn)彎后測(cè)風(fēng)站合理位置進(jìn)行數(shù)值分析。

1 數(shù)值模型及數(shù)值方法

以某斷面為5m×3m的采煤面進(jìn)風(fēng)順槽為例進(jìn)行建模。采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)流在壓差作用下分流至該進(jìn)風(fēng)順槽的風(fēng)量一定，由于其斷面積固定，則其入風(fēng)口的風(fēng)速為一定值。建立采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷與進(jìn)風(fēng)順槽之間夾角分別為45°(模型1)、60°(模型2)、90°(模型3)、120°(模型4)、135°(模型5)、150°(模型6)六個(gè)模型，其中模型3示意圖如圖1所示，其他模型同模型3結(jié)構(gòu)相同。模型包括進(jìn)口段，轉(zhuǎn)彎段和出口段三部分，進(jìn)口段用來模擬采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷，出口段用來模擬進(jìn)風(fēng)順槽，轉(zhuǎn)彎段模擬采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷與進(jìn)風(fēng)順槽之間的連接處，圖1(b)為模型3轉(zhuǎn)彎段的處理方式。一般井下實(shí)際的采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷為矩形或拱形，斷面尺寸也較進(jìn)風(fēng)順槽要大，此處僅考慮為進(jìn)風(fēng)順槽分配的部分風(fēng)流在轉(zhuǎn)彎后的擾動(dòng)影響，同時(shí)為了數(shù)值模擬的方便，將其設(shè)計(jì)為與進(jìn)風(fēng)順槽斷面相同的情況。

采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。流體物性經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定取空氣密度為1.2 kg/m3，粘度1.44×10-5kg/(m/s)。邊界條件包括：進(jìn)口風(fēng)速v=常數(shù)；巷道頂板、底板及側(cè)幫為無(wú)滑移壁面wall，粗糙度取0.04，粗糙度常數(shù)取0.8；出口為outflow。

湍流計(jì)算采用k-e湍流模型，速度-壓力耦合為SIMPLE算法，所有方程的求解全部采用二階精度的二階迎風(fēng)離散格式，收斂標(biāo)準(zhǔn)全為2×10-6。

2 井下巷道風(fēng)流充分發(fā)展的判定

以模型3為例，取進(jìn)口風(fēng)速為0.75m/s、1.0m/s、1.25m/s、1.5m/s、1.75m/s、2.0m/s、2.25m/s七種情況進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.1 定性分析

針對(duì)不同進(jìn)口風(fēng)速情況，在出口段取x分別為20m、70m、120m、170m、220m、270m等5個(gè)斷面的速度梯度分布情況。由于篇幅原因，這里只給出進(jìn)口風(fēng)速為0.75m/s、1.25m/s、1.75m/s、2.25m/s等4種情況的速度梯度分布，如圖2為所示。

從圖2可看出，4種不同進(jìn)口風(fēng)速情況下，風(fēng)流由直角彎進(jìn)入進(jìn)風(fēng)順槽后，沿x方向不同斷面的速度梯度分布發(fā)展趨勢(shì)是一致的，風(fēng)流達(dá)到充分發(fā)展流動(dòng)的位置都在x=170m附近，x=270m的位置可看做進(jìn)風(fēng)順槽風(fēng)流充分發(fā)展的基準(zhǔn)面。

2.2 定量分析

針對(duì)不同進(jìn)口風(fēng)速情況，分別取x為20m、70m、120m、170m、270m五個(gè)斷面的水平中心線各節(jié)點(diǎn)速度梯度值。各以x=270m情況為基準(zhǔn)，計(jì)算前四個(gè)位置各節(jié)點(diǎn)速度梯度相對(duì)x=270m的偏差并進(jìn)行比較，如圖3所示。

由圖3的4個(gè)子圖的縱坐標(biāo)參數(shù)變化可知，進(jìn)風(fēng)順槽內(nèi)風(fēng)流受轉(zhuǎn)彎擾動(dòng)的影響隨距離轉(zhuǎn)彎段距離的增大而減?。?條取值線在不同進(jìn)口風(fēng)速條件下與相對(duì)應(yīng)的充分發(fā)展的x=270m位置取值線的風(fēng)流速度梯度相對(duì)偏差完全一致，這說明進(jìn)風(fēng)順槽風(fēng)流達(dá)到充分發(fā)展的位置與進(jìn)口風(fēng)速無(wú)關(guān)，這是因?yàn)樗x計(jì)算風(fēng)速都保證巷道內(nèi)風(fēng)流處于湍流狀態(tài)。選用1.5m/s作為后續(xù)分析的進(jìn)口風(fēng)速。

考慮井下巷道實(shí)際情況，將進(jìn)風(fēng)順槽風(fēng)流充分發(fā)展的條件限定為整個(gè)斷面各計(jì)算節(jié)點(diǎn)與x=270對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)速度梯度的最大相對(duì)偏差的絕對(duì)值小于1%，如式(1)所示。

(1)

式中，v270i和vxi分別為基準(zhǔn)面與x斷面第i個(gè)相對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的速度梯度值。

3 數(shù)值結(jié)果及分析

在前述方法基礎(chǔ)上，對(duì)不同轉(zhuǎn)彎角度的六個(gè)模型在相同的粗糙度條件下進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，分別確定進(jìn)風(fēng)順槽風(fēng)流充分發(fā)展位置如圖4所示，其中縱坐標(biāo)D為風(fēng)流充分發(fā)展位置距轉(zhuǎn)彎處的距離。

由圖4可知，計(jì)算所選六個(gè)進(jìn)風(fēng)順槽模型風(fēng)流充分發(fā)展位置距進(jìn)口處距離范圍為163～176m，這與文獻(xiàn)[2]的解釋有較大差別。隨著采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷與進(jìn)風(fēng)順槽之間夾角的增大，進(jìn)風(fēng)順槽風(fēng)流充分發(fā)展位置的變動(dòng)較小，趨勢(shì)表現(xiàn)為先增大后減小。采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷與進(jìn)風(fēng)順槽之間夾角在45～135°之間變化時(shí)，進(jìn)風(fēng)順槽風(fēng)流充分發(fā)展位置逐漸增大，這因?yàn)檗D(zhuǎn)角角度小時(shí)，風(fēng)流由采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷至進(jìn)風(fēng)順槽后幾乎轉(zhuǎn)向，擾動(dòng)較大，較易達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)；135～150°之間充分發(fā)展位置減小需今后研究分析。

以模型3為例，在通過改變巷道壁面粗糙度高度分析表面粗糙度對(duì)進(jìn)風(fēng)順槽風(fēng)流充分發(fā)展的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5表明計(jì)算范圍內(nèi)進(jìn)風(fēng)順槽風(fēng)流充分發(fā)展位置為144～177m，隨著巷道表面粗糙度的增大風(fēng)流更易達(dá)到充分發(fā)展，變化趨勢(shì)接近負(fù)斜率直線，這是因?yàn)橄锏辣砻娲植诙燃哟蠛笤黾舆M(jìn)口段擾動(dòng)，另一方面，表面粗糙度增大減少了風(fēng)流流動(dòng)空間，相當(dāng)于減小斷面積或增大風(fēng)速，而前面已分析相同情況下風(fēng)流充分發(fā)展位置與進(jìn)口風(fēng)速無(wú)關(guān)，因此巷道斷面減小會(huì)使巷道風(fēng)流更早進(jìn)入充分發(fā)展階段。

圖4 不同轉(zhuǎn)彎夾角下充分發(fā)展位置

圖5 不同表面粗糙度下充分發(fā)展位置

由此可以得出，采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷與進(jìn)風(fēng)順槽之間不同轉(zhuǎn)彎夾角下測(cè)風(fēng)站位置的合理范圍為距轉(zhuǎn)彎處163～176m之后，轉(zhuǎn)彎段為90°夾角的進(jìn)風(fēng)順槽測(cè)風(fēng)站合理位置與其表面粗糙度有關(guān)，計(jì)算表面粗糙度范圍內(nèi)，測(cè)風(fēng)站合理位置為距轉(zhuǎn)彎處144～177m之后。

4 結(jié)論

1)提出井下測(cè)風(fēng)站可設(shè)在巷道風(fēng)流的充分發(fā)展段以提高風(fēng)量測(cè)定的精度。

2)進(jìn)風(fēng)順槽測(cè)風(fēng)站合理位置超出文獻(xiàn)[2]的建議范圍。

3)計(jì)算的平直采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷與進(jìn)風(fēng)順槽之間轉(zhuǎn)彎角度在45～150°范圍內(nèi)時(shí)測(cè)風(fēng)站的合理范圍為距離進(jìn)風(fēng)口163～176m之后。

4)轉(zhuǎn)彎段為90°夾角的進(jìn)風(fēng)順槽測(cè)風(fēng)站合理位置與其表面粗糙度有關(guān)，在計(jì)算表面粗糙度范圍內(nèi)，測(cè)風(fēng)站合理位置為進(jìn)風(fēng)口144～177m之后。

[1] 張國(guó)樞.通風(fēng)安全學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2011.

[2] 煤礦安全規(guī)程專家解讀編委會(huì).煤礦安全規(guī)程專家解讀(2011年修訂版)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2011.

Numerical analysis of air measuring station location in a rectangular airway after turning

ZHANG Jing-zhao1,2，ZHANG Hong-ji2，JIANG Hong-min2，LI Yan-feng2，GAO Peng2

(1.School of Energy Engineering，Xi′an University of Science and Technology，Xi′an 710054，China；2.Coal and Electricity Department of Energy and Chemical Company，Huozhou Coal and Electricity Group Co.，Lvliang 033200，China)

The air measuring station of mine airway should be located in the fully developed region is proposed and numerical tests are conducted based on six models with a coal face as a prototype.The results show that，the distance between the reasonable location of air measuring station in head entry and the turning corner is much more than 10m.The reasonable location of air measuring station in different turning angles is 163～176m after the turning corner.In calculation the range of roughness heights of model 3，the reasonable air measuring station should set after the turning corner of 144～147m.

rectangular airway；fully developed flow；air measuring station；numerical simulation

2014-02-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51104116；51104117)；霍州煤電高層專業(yè)人才實(shí)踐工程資助項(xiàng)目資助(編號(hào)：HMGS2012XX)

張京兆(1976-)，男，博士研究生，主要從事通風(fēng)與安全方面研究工作。E-mail：zhangjz98@126.com。

TD723

A

1004-4051(2015)01-0142-04