基于CFD動(dòng)網(wǎng)格的雙箕斗運(yùn)行氣動(dòng)側(cè)向力研究*

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基于CFD動(dòng)網(wǎng)格的雙箕斗運(yùn)行氣動(dòng)側(cè)向力研究*

孫揚(yáng)1，徐長(zhǎng)磊1，郝榮2，杜貴文1

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038；2.中國(guó)有色金屬建設(shè)股份有限公司，北京，100029)

摘要：深井安全間隙是礦井向深部延伸要解決的典型提升問(wèn)題之一，箕斗運(yùn)行引起的空氣動(dòng)力響應(yīng)是開展深井安全間隙研究的首要分析因素，也是引起箕斗偏擺的主要原因。將基于CFD的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算引入到豎井箕斗運(yùn)行過(guò)程氣動(dòng)壓力分析中，依托某金屬礦山工程背景，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)κ-ε雙方程湍流模型對(duì)箕斗運(yùn)行過(guò)程中的外流場(chǎng)壓力變化進(jìn)行數(shù)值分析。通過(guò)監(jiān)測(cè)雙箕斗運(yùn)行相向、相會(huì)、背離的整個(gè)過(guò)程中箕斗側(cè)向壓力的變化，對(duì)箕斗穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及相遇瞬態(tài)過(guò)程中的壓力變化進(jìn)行研究，并與國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果對(duì)比分析。研究表明：箕斗相會(huì)的過(guò)程中，流場(chǎng)變化劇烈；箕斗的側(cè)向壓力值瞬間增大，首先朝向井壁方向，而后反向增加至最大值，最后恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。對(duì)于高速提升的深井安全間隙確定，應(yīng)充分考慮氣動(dòng)側(cè)向力引起的箕斗偏擺；高速提升的深豎井?dāng)嗝娌贾脩?yīng)加大提升容器與井壁之間的安全間隙，適度增加提升容器之間的安全間隙。

關(guān)鍵詞：計(jì)算流體力學(xué)；箕斗運(yùn)行；氣動(dòng)側(cè)向力

0引言

長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)礦山多處于1 000 m以內(nèi)的開采范圍，相關(guān)深井問(wèn)題的研究起步較國(guó)外晚，對(duì)于豎井?dāng)嗝娼?jīng)濟(jì)性研究、深井安全間隙確定、提升氣動(dòng)阻力對(duì)提升荷載的影響等研究較少。近年來(lái)，隨著礦井開采深度及規(guī)模的增加，提升高度、設(shè)備斷面、提升速度都隨之增加。引發(fā)箕斗提升空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)越來(lái)越明顯，活塞風(fēng)問(wèn)題突出，進(jìn)而影響到豎井通風(fēng)穩(wěn)定；同時(shí)由于氣動(dòng)阻力與提升速度成二次方的關(guān)系增加，箕斗外流場(chǎng)產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力對(duì)提升機(jī)荷載的影響，側(cè)向壓力差引起箕斗偏擺對(duì)提升安全的問(wèn)題，這些都成為礦井向深井開采需要研究的關(guān)鍵性問(wèn)題。

高速提升箕斗在豎井有限空間交會(huì)引起的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜流場(chǎng)變化的過(guò)程，是一個(gè)非穩(wěn)定、湍流問(wèn)題。對(duì)該復(fù)雜過(guò)程的研究，目前主要通過(guò)風(fēng)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)和基于計(jì)算流體力學(xué)的方法進(jìn)行研究。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)交通基礎(chǔ)設(shè)施的快速建設(shè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在公路、高速鐵路及地鐵等工程領(lǐng)域，計(jì)算流體力學(xué)已被廣泛應(yīng)用到相關(guān)研究中，相關(guān)車體穿越隧道及隧道內(nèi)車體相遇等引發(fā)的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算問(wèn)題已被廣泛分析應(yīng)用[1-4]。文中將基于CFD模擬分析引入到豎井提升容器運(yùn)行中，通過(guò)建立三維流動(dòng)體力學(xué)模型，應(yīng)用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)其相遇過(guò)程中的外流場(chǎng)進(jìn)行分析，為相關(guān)箕斗偏擺和豎井安全間隙研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1計(jì)算模型

1.1　工程背景

某鐵礦主井井筒直徑φ6.3 m，設(shè)計(jì)年提升能力750萬(wàn)t/a，井筒內(nèi)配30 m3雙箕斗。提升系統(tǒng)采用鋼絲繩罐道，6根首繩，4根尾繩，井底設(shè)置重錘拉緊。采用多繩摩擦提升機(jī)，提升高度1 450 m，最大提升速度18 m/s，設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)速度2 m/s.

1.2　數(shù)學(xué)模型

相遇過(guò)程中，箕斗與井壁、箕斗與箕斗之間的相對(duì)位置時(shí)刻變化，屬于瞬態(tài)問(wèn)題。

兩箕斗以18 m/s提升速度相遇時(shí)，其相對(duì)速度為36 m/s，其值約0.1馬赫數(shù)。因此，視井筒空氣為不可壓縮流[5-6]，忽略空氣物理性參數(shù)變化，即認(rèn)為空氣的溫度、粘性和參考?jí)簭?qiáng)不變，參數(shù)值見(jiàn)表1.

表1　空氣物理參數(shù)

針對(duì)箕斗相遇時(shí)的湍流問(wèn)題研究較少，研究對(duì)象的流體為高雷諾值(Reynolds)，根據(jù)相關(guān)公路隧道、地鐵隧道及礦井通風(fēng)中CFD計(jì)算的相關(guān)研究文獻(xiàn)，本CFD計(jì)算基本控制方程為Reynolds方程，湍流模型采用κ-ε雙方程模型[7-8]。

(1)

動(dòng)量方程

(2)

k方程

(3)

ε方程

(4)

(5)

1.3　物理模型

井筒斷面布置如圖1所示，箕斗含首尾繩連接裝置長(zhǎng)度20.85m，斗箱范圍內(nèi)兩側(cè)面的最大寬度分別為2.6m和1.78m.將箕斗實(shí)際輪廓簡(jiǎn)化為鈍形，模型長(zhǎng)度不考慮首尾繩連接裝置，模型側(cè)面僅考慮斗箱范圍內(nèi)的面積，取箕斗計(jì)算長(zhǎng)寬高分別為15.0m×2.6m×1.8m.

2邊界條件及模型離散

2.1　邊界條件

風(fēng)流入口作為模型的入口邊界，風(fēng)流出口作為模型的出口邊界，井壁壁面設(shè)置為壁面固定邊界；入口邊界設(shè)置為速度入口邊界，風(fēng)流的速度為2m/s；出口邊界設(shè)置為壓力出口邊界?；繁砻嬖O(shè)置為剛體壁面邊界，通過(guò)調(diào)用函數(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)網(wǎng)格。

模型運(yùn)行工況為5s，為了計(jì)算范圍內(nèi)盡可能不受回流影響，設(shè)置箕斗初始距離為72m，兩箕斗端部距出入口邊界各45m.因此總的井筒計(jì)算模型長(zhǎng)度為192m，三維實(shí)體計(jì)算模型如圖2所示。

圖1　井筒斷面布置圖(mm)Fig.1　Cross section of shaft layout

圖2　三維計(jì)算模型(m)Fig.2　Simulation model of three dimension

2.2　求解方法及模型離散

采用隱式分離三維非穩(wěn)定流求解器，速度采用絕對(duì)速度，采用基于體積單元的梯度選項(xiàng)；用SIMPLEC算法求解速度和壓力耦合；用標(biāo)準(zhǔn)采用κ-ε紊流模型封閉時(shí)均方程；壓力場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)離散方程，其它的采用二階迎風(fēng)格式離散。計(jì)算時(shí)間步須基于網(wǎng)格形狀而設(shè)置，保證計(jì)算網(wǎng)格質(zhì)量[5，9]。

箕斗相遇采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)，須采用四面體三維單元對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散化，三維建模型網(wǎng)格劃分共產(chǎn)生604 727個(gè)三維單元。

3計(jì)算結(jié)果及分析

3.1　模擬結(jié)果分析

箕斗從相向、相會(huì)、背離的整個(gè)運(yùn)行計(jì)算時(shí)間為4 s，分別對(duì)skip1和skip2的Z方向整體受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3　順風(fēng)運(yùn)行—Skip1側(cè)向合力監(jiān)測(cè)結(jié)果(N/s)Fig.3　Lateral force of Skip1 monitoring result(following wind direction)

圖4　逆風(fēng)運(yùn)行—Skip2側(cè)向合力監(jiān)測(cè)結(jié)果(N/s)Fig.4　Lateral force of Skip2 monitoring result(Head wind direction)

從圖3可以看出，順風(fēng)運(yùn)行的箕斗在相會(huì)前的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，存在背離井筒中心方向的側(cè)向壓力；模型計(jì)算穩(wěn)定段的壓力值約300～350 N.受箕斗相會(huì)的影響，側(cè)壓力監(jiān)測(cè)曲線變化歷時(shí)約1.25 s；側(cè)壓力方向先背離井筒中心線(最大壓力值約1 750 N)，而后力的方向變?yōu)槌蚓仓行木€(最大壓力值約-1 250 N)。箕斗相會(huì)后進(jìn)入背離運(yùn)行，受計(jì)算模型尺寸限制及近出口邊界的影響，其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的壓力值在100～300 N之間。

從圖4可以看出，逆風(fēng)運(yùn)行的箕斗在相會(huì)前的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，存在背離井筒中心方向的側(cè)向壓力；模型計(jì)算穩(wěn)定段的壓力值在-550～-400 N之間。受箕斗相會(huì)的影響，側(cè)壓力監(jiān)測(cè)曲線變化歷時(shí)約1.25 s；側(cè)壓力方向先背離井筒中心線(最大壓力值約-1 600 N)，而后力的方向變?yōu)槌蚓仓行木€(最大壓力值約550 N)。箕斗相會(huì)后進(jìn)入背離運(yùn)行，受計(jì)算模型尺寸限制及近出口影響，其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的壓力值在-400～-300 N之間。

3.2　對(duì)比分析

有關(guān)國(guó)外對(duì)豎井箕斗運(yùn)行的空氣動(dòng)力學(xué)研究[10]得到的計(jì)算公式如下，可近似計(jì)算得到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的提升容器側(cè)壓力。

(6)

單個(gè)箕斗南北2側(cè)關(guān)于井筒中心線對(duì)稱，故穩(wěn)態(tài)空氣動(dòng)力對(duì)箕斗可只考慮東西方向的作用。式中空氣動(dòng)力系數(shù)CL的計(jì)算

CL=0.018SSSASP,

(7)

式中系數(shù)SS,SAK可通過(guò)查圖表獲得；A1,A2為提升容器將井筒斷面分割截后的面積;ρ為空氣密度；VR為提升容器與空氣的相對(duì)速度。將工程背景相關(guān)計(jì)算參數(shù)代人計(jì)算

相關(guān)公路及鐵路隧道研究表明[11-12]：機(jī)車在隧洞內(nèi)相會(huì)時(shí)，其瞬態(tài)側(cè)向壓力約增大4～6倍。

綜上，表明豎井箕斗的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行氣動(dòng)側(cè)向力與國(guó)外研究結(jié)果基本一致[13-14]，相會(huì)瞬態(tài)氣動(dòng)側(cè)向力與交通運(yùn)輸系統(tǒng)的研究規(guī)律基本一致。

4結(jié)論

通過(guò)建立CFD空氣動(dòng)力學(xué)三維模型計(jì)算及相關(guān)研究成果對(duì)比，對(duì)豎井中箕斗運(yùn)行中的氣動(dòng)側(cè)向力進(jìn)行了分析，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論

1)雙箕斗相會(huì)過(guò)程與單箕斗運(yùn)行相比，其氣動(dòng)側(cè)向力變化劇烈；其壓力瞬間增大，而后又產(chǎn)生反向力朝向井筒中線方向，增加至反方向最大值。整個(gè)過(guò)程歷時(shí)叫約1.25s，比實(shí)際箕斗相會(huì)時(shí)間長(zhǎng)，但壓力從第一個(gè)峰值至反向后的峰值歷時(shí)與實(shí)踐箕斗相會(huì)時(shí)長(zhǎng)一致；

2)箕斗運(yùn)行過(guò)程中存在穩(wěn)態(tài)的氣動(dòng)側(cè)向力，其幅值較相遇過(guò)程的瞬態(tài)側(cè)向力小的多；基于CFD得到的穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)側(cè)向力的幅值與國(guó)外研究成果一致。應(yīng)用CFD動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算得到的箕斗運(yùn)行瞬態(tài)氣動(dòng)側(cè)向力規(guī)律與相關(guān)鐵路、公路中機(jī)車隧道中相會(huì)得到的規(guī)律基本一致，其幅值約為穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)側(cè)向力的4～6倍；

3)對(duì)于超深超高速豎井提升的安全間隙確定，應(yīng)充分考慮氣動(dòng)側(cè)向力引起的箕斗偏擺；設(shè)計(jì)中應(yīng)加大提升容器與井壁之間的安全間隙，適度增加提升容器之間的安全間隙。

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《西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)》獲“中國(guó)科技論文

在線優(yōu)秀期刊”一等獎(jiǎng)

12月29日，教育部科技發(fā)展中心公布了 “中國(guó)科技論文在線優(yōu)秀期刊”暨“中國(guó)科技論文在線科技期刊優(yōu)秀組織單位”評(píng)選結(jié)果。評(píng)選出“中國(guó)科技論文在線優(yōu)秀期刊”一等獎(jiǎng)111項(xiàng)，二等獎(jiǎng)183項(xiàng)；評(píng)選出“中國(guó)科技論文在線科技期刊優(yōu)秀組織單位”64個(gè)。其中，《西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)》獲“中國(guó)科技論文在線優(yōu)秀期刊”一等獎(jiǎng)，同時(shí)，西安科技大學(xué)獲“中國(guó)科技論文在線科技期刊優(yōu)秀組織單位”殊榮。

Lateral aerodynamic force research on double skips operating characteristics based on CFD moving mesh grid

SUN Yang1，XU Chang-lei1，HAO Rong2，DU Gui-wen1

(1.ChinaENFIEngineeringCorporation，Beijing100038，China；

2.ChinaNonferrousMetalIndustry’sForeignEngineeringandConstructionCo.,Ltd，Beijing100029，China)

Abstract：Hoisting safety clearance of vertical shaft is a key technical issue to extend to deep mining.Aerodynamic effect of hoisting skips is a key factor to ensure hoisting safety clearance and calculate oscillating.The aerodynamic analysis of CFD method is used in lateral force research of double skips during operating.Based on actual engineering background，outflow pressure of double skips is analyzed by moving mesh grid and standardκ-εtransient equations.The variety curves are obtained by monitoring lateral force.It will be used for analyzing steady force and buffeting force rule which includes face-to-face，crossing，and deviating.The results are contrasted with relative international and national research.The results show that flow field generates huge changes of value and direction during passing through time.First aerodynamic directs to shaft wall side，then changes to another direction and restores to steady state operating.The skips oscillating of aerodynamic effect must be considered to ensure safety clearance for deep vertical shaft.Clearance between container and shaft wall should be enlarged and it between container and container also be enlarged slightly in deep and high speed hoisting mine vertical shaft.

Key words：computational fluid dynamics；skip operating；lateral aerodynamic force

中圖分類號(hào)：TD 721

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通訊作者：孫揚(yáng)(1985-)，男，陜西榆林人，工程師，E-mail：sunyang@enfi.com.cn

收稿日期：*2015-10-12責(zé)任編輯：劉潔

文章編號(hào)：1672-9315(2016)01-0127-05

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0122