突擴(kuò)巷道流場(chǎng)風(fēng)流分布特征的PIV實(shí)驗(yàn)研究*

宋　瑩，王　東，郭　欣，楊　率，陳章良，史俊偉

(1.山東工商學(xué)院 管理科學(xué)與工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105；3.礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 葫蘆島 125105)

0　引言

風(fēng)流沿井巷的流動(dòng)多為湍流運(yùn)動(dòng)，風(fēng)流質(zhì)點(diǎn)瞬時(shí)速度隨時(shí)間不斷產(chǎn)生隨機(jī)變化，想要實(shí)現(xiàn)風(fēng)流速度的精確測(cè)量絕非易事。而礦井風(fēng)流是熱量、粉塵、瓦斯的載體，研究風(fēng)速分布對(duì)于以風(fēng)流場(chǎng)為基礎(chǔ)的巷道瓦斯、火災(zāi)氣體、粉塵運(yùn)移規(guī)律，溫度、濕度分布及傳熱傳質(zhì)過(guò)程規(guī)律具有重要意義。目前對(duì)于礦井巷道風(fēng)流分布規(guī)律的研究文獻(xiàn)仍然較少，并且相關(guān)研究多集中在利用數(shù)值模擬[1-5]和傳統(tǒng)接觸性實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段[4-7]。由于數(shù)值模擬軟件處理多采用對(duì)N-S方程的簡(jiǎn)化模型，模擬結(jié)果與實(shí)際流場(chǎng)流動(dòng)必然存在偏差，且采用實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行測(cè)試也集中在利用熱敏風(fēng)速儀、熱線式風(fēng)速計(jì)、畢托管等常規(guī)傳統(tǒng)接觸性測(cè)速工具上，其測(cè)量會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生干擾。并且上述文獻(xiàn)[1-7]均未考慮礦井風(fēng)流的本質(zhì)特征，忽視了湍流脈動(dòng)對(duì)測(cè)風(fēng)精度的影響。文獻(xiàn)[8-9]利用非接觸激光多普勒測(cè)速儀(LDA)測(cè)試得到了均直巷道和突擴(kuò)巷道斷面風(fēng)流分布規(guī)律，但從流場(chǎng)測(cè)量方式來(lái)說(shuō)，LDA是點(diǎn)測(cè)量方法，無(wú)法一次反映出流場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)的變化，會(huì)對(duì)研究湍流的核心問(wèn)題——漩渦結(jié)構(gòu)造成阻礙，而粒子圖像測(cè)速儀(PIV)則突破了空間點(diǎn)測(cè)量的局限性，可在瞬間記錄下一個(gè)平面(激光片光)內(nèi)的流動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)全流場(chǎng)的瞬態(tài)測(cè)量[10]。但是目前，在國(guó)內(nèi)外礦井通風(fēng)湍流研究領(lǐng)域，將PIV測(cè)速技術(shù)應(yīng)用于礦井風(fēng)流實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究極少見(jiàn)諸文獻(xiàn)，因此，本文利用非接觸PIV測(cè)速技術(shù)對(duì)突擴(kuò)巷道縱向截面風(fēng)流變化進(jìn)行瞬時(shí)測(cè)試，并分析速度分布規(guī)律，為后續(xù)進(jìn)一步研究巷道風(fēng)流流態(tài)提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。

1　實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)速系統(tǒng)

1.1　實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M風(fēng)流在平直巷道的穩(wěn)定流動(dòng)及突擴(kuò)后的風(fēng)流狀態(tài)，相似比例1∶25。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎醚h(huán)通風(fēng)方式，主要由通風(fēng)動(dòng)力裝置、流量計(jì)、示蹤粒子布撒裝置、測(cè)試段以及連接管路組成。測(cè)試段為矩形突擴(kuò)巷道，為研究突擴(kuò)規(guī)律，將突擴(kuò)比夸大，突擴(kuò)比設(shè)為1∶2，測(cè)試段總長(zhǎng)為7.2 m，巷道突擴(kuò)前斷面尺寸為120 mm×100 mm(寬×高)，突擴(kuò)后斷面尺寸為120 mm×200 mm(寬×高)，利用透光性好，折射率低的光滑亞克力板加工制成，并采用專用的亞克力膠粘貼，系統(tǒng)密閉性良好。突擴(kuò)巷道實(shí)驗(yàn)裝置示意如圖1所示。

圖1　突擴(kuò)巷道實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1　Experimentaldevice of the sudden enlarged roadway

1.2　測(cè)速系統(tǒng)

PIV是利用粒子的成像來(lái)測(cè)量流體速度的一種測(cè)速系統(tǒng)。其基本原理：脈沖激光器發(fā)出的激光通過(guò)片光源鏡頭組(由球面鏡和柱面鏡組成)，形成一扇形脈沖片光源，照亮流場(chǎng)測(cè)試區(qū)域，通常為一個(gè)很薄的面(1～2 mm)。在一定的跨幀時(shí)間Δt內(nèi)，用位于激光面垂直方向的PIV專用跨幀CCD相機(jī)記錄下測(cè)試區(qū)域中前后2幀流場(chǎng)示蹤粒子圖像，然后將數(shù)字化的圖像送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，利用自相關(guān)或互相關(guān)原理對(duì)圖像進(jìn)行矩陣處理，得到流場(chǎng)中各點(diǎn)的速度信息[10-11]。

PIV系統(tǒng)由Dantec公司提供，激光光源采用Dual Power 135-15雙脈沖Nd：YAG激光器，其最大輸出功率為每脈沖800 mJ，脈沖激光波長(zhǎng)為532 nm(綠光)，脈沖持續(xù)時(shí)間為4 ns，且脈沖間隔可調(diào)，激光器光路產(chǎn)生的片光源從實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭行纳戏酱怪比肷洹Ｅ渲玫膶Ｓ每鐜珻CD相機(jī)為Nikon公司生產(chǎn)，分辨率達(dá)2 048 pixel× 2 048 pixel，并配備532 nm的濾光鏡，CCD相機(jī)軸線垂直于激光平面拍攝。并采用FlowManager軟件對(duì)圖像進(jìn)行自相關(guān)和互相關(guān)算法處理。

2　突擴(kuò)巷道流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1　實(shí)驗(yàn)測(cè)試區(qū)域

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)選擇了巷道突擴(kuò)界面前后的測(cè)量區(qū)域。由于CCD相機(jī)有最大可觀測(cè)范圍的限制，調(diào)整相機(jī)焦距以及片光源的高度，PIV測(cè)速技術(shù)無(wú)法一次完成突擴(kuò)前后縱向截面速度場(chǎng)信息采集，故實(shí)驗(yàn)采取分段測(cè)試。

圖2　實(shí)驗(yàn)測(cè)試區(qū)域Fig.2　Experimental test area

2.2　實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)在平均風(fēng)速分別為2.5 m/s(Re=1.9×104)和4 m/s(Re=3.0×104)2種通風(fēng)風(fēng)速下對(duì)突擴(kuò)巷道風(fēng)流進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)巷道內(nèi)風(fēng)流速度場(chǎng)雷諾數(shù)均大于4 000，風(fēng)流流動(dòng)狀態(tài)已呈湍流態(tài)，滿足了雷諾相似準(zhǔn)則，保證與實(shí)際井下巷道內(nèi)的風(fēng)流流動(dòng)狀態(tài)具有動(dòng)力相似性。

實(shí)驗(yàn)所用的專業(yè)跨幀CCD相機(jī)圖像分辨率大小為100 μm/pixel，判讀區(qū)像素為32×32，即：3.2 mm×3.2 mm。光擴(kuò)散劑示蹤粒子[12]由粒子發(fā)生器發(fā)出，經(jīng)過(guò)整流格柵均勻進(jìn)入實(shí)驗(yàn)測(cè)試區(qū)域。CCD相機(jī)的拍攝頻率設(shè)為5 Hz，即每0.2 s拍攝2幀圖像，實(shí)驗(yàn)在每個(gè)通風(fēng)工況下拍攝200組瞬時(shí)二維速度場(chǎng)。跨幀時(shí)間Δt的設(shè)定對(duì)于PIV測(cè)量結(jié)果具有重要影響，由下式(1)計(jì)算，當(dāng)平均風(fēng)速為2.5 m/s時(shí)，跨幀時(shí)間Δt為：

(1)

同理，當(dāng)平均風(fēng)速為4 m/s，跨幀時(shí)間Δt≈200 μs，并通過(guò)在實(shí)驗(yàn)中的反復(fù)測(cè)試，確定適合的跨幀時(shí)間分別為320 μs和200 μs。

3　突擴(kuò)巷道流場(chǎng)風(fēng)流分布特征分析

3.1　瞬態(tài)流場(chǎng)分布

圖3為平均風(fēng)速為2.5 m/s時(shí)，突擴(kuò)巷道風(fēng)流場(chǎng)在某一時(shí)刻的瞬態(tài)速度流線與云圖。可見(jiàn)風(fēng)流經(jīng)突擴(kuò)巷道后，流場(chǎng)發(fā)生了強(qiáng)烈變化，在突擴(kuò)段后上下隅角形成多個(gè)大小不一的漩渦區(qū)，漩渦區(qū)內(nèi)風(fēng)流方向也極不規(guī)則，各向均有分布，且隨時(shí)間不斷發(fā)生變化，各時(shí)刻流場(chǎng)速度分布并沒(méi)有表現(xiàn)出一致性，變化十分劇烈，速度流線呈現(xiàn)出“雜亂無(wú)章”的分布狀態(tài)。這也進(jìn)一步說(shuō)明了PIV測(cè)試技術(shù)較傳統(tǒng)的測(cè)試儀器更能夠清晰獲得復(fù)雜流場(chǎng)的瞬態(tài)實(shí)時(shí)速度信息。

圖3　突擴(kuò)巷道風(fēng)流場(chǎng)在某一時(shí)刻的瞬時(shí)速度流線與云圖Fig.3　Instantaneous velocitystreamline and cloud maps of the wind flow field in the sudden enlarged roadway at a certain moment

3.2　時(shí)均流場(chǎng)分布

將實(shí)驗(yàn)獲得的200組瞬態(tài)速度統(tǒng)計(jì)平均處理后，得到突擴(kuò)巷道風(fēng)流場(chǎng)時(shí)均速度流線與云圖分布如圖4所示。從圖4可以看出，應(yīng)用PIV測(cè)量技術(shù)可以得到流場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)變化，清晰地看到經(jīng)過(guò)突變界面前后風(fēng)流速度的變化情況。風(fēng)流在突擴(kuò)前的平直巷道，速度流線基本呈平滑直線，在突擴(kuò)段后上下隅角形成回流漩渦區(qū)，上隅角回流區(qū)較小，回流區(qū)長(zhǎng)度約在距離突擴(kuò)界面250 mm處；在下隅角形成了一個(gè)狹長(zhǎng)且貼近巷道壁面的大回流區(qū)域，回流區(qū)長(zhǎng)度約在距離突擴(kuò)界面550 mm處，突擴(kuò)上下隅角形成的回流區(qū)并沒(méi)有表現(xiàn)出對(duì)稱性。整個(gè)回流區(qū)內(nèi)的風(fēng)流速度值很小，風(fēng)速均值在-0.6～0.6 m/s之間波動(dòng)，與主流風(fēng)速相比，渦流區(qū)內(nèi)風(fēng)速較低，并且在渦流區(qū)域內(nèi)風(fēng)流方向極不規(guī)則，各向均有分布，表明在煤礦井下測(cè)風(fēng)時(shí)可以有條件地忽略渦流區(qū)，因?yàn)闇u流區(qū)測(cè)風(fēng)方向極不穩(wěn)定，而且風(fēng)速很低。由于渦流區(qū)速度明顯低于主流風(fēng)速，在上下隅角區(qū)域容易造成有毒有害氣體和粉塵積聚，且不易排出，煤礦井下應(yīng)加大對(duì)隅角區(qū)域的通風(fēng)管理工作。

圖4　突擴(kuò)巷道風(fēng)流場(chǎng)時(shí)均速度流線與云圖Fig.4　Mean velocity streamline and cloud maps of the windflow field in the sudden enlarged roadway at a certain moment

突擴(kuò)巷道風(fēng)流時(shí)均速度場(chǎng)與瞬時(shí)速度場(chǎng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，瞬態(tài)流場(chǎng)隨時(shí)間的變化而不斷變化，而時(shí)均流場(chǎng)中有穩(wěn)定、規(guī)則的漩渦回流。為進(jìn)一步清晰表達(dá)突擴(kuò)巷道風(fēng)流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以平均風(fēng)速為2.5 m/s為例分析流場(chǎng)速度分布特征，圖5為沿風(fēng)流方向x軸上12個(gè)特征位置處風(fēng)流時(shí)均速度v分布規(guī)律曲線。由圖5可見(jiàn)，風(fēng)流在突擴(kuò)界面前的平直巷道斷面風(fēng)速分布呈現(xiàn)出中間區(qū)域風(fēng)速較大，越靠近巷道邊壁風(fēng)速越小的趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)突變界面后，風(fēng)流發(fā)生劇烈變化，在突擴(kuò)上下隅角出現(xiàn)負(fù)值風(fēng)速，表明此位置產(chǎn)生了與主流風(fēng)速方向相反的流速，存在回流漩渦區(qū)，且回流區(qū)內(nèi)的風(fēng)速值相對(duì)于主流風(fēng)速很小。從縱向速度分布趨勢(shì)來(lái)看，突擴(kuò)上隅角風(fēng)速負(fù)值約在x=400 mm處結(jié)束，即表明上隅角回流區(qū)的長(zhǎng)度約距離突擴(kuò)界面250 mm；突擴(kuò)下隅角風(fēng)速負(fù)值約在x=700 mm處結(jié)束，即表明下隅角回流區(qū)的長(zhǎng)度約距離突擴(kuò)界面550 mm，突擴(kuò)上下隅角渦流呈現(xiàn)上小下大的不對(duì)稱分布。突擴(kuò)界面前斷面中心風(fēng)速約在3 m/s左右，風(fēng)流經(jīng)突擴(kuò)界面后，能量逐漸耗散和衰減，斷面中心風(fēng)速值減至2 m/s左右。風(fēng)流經(jīng)突擴(kuò)界面后，在距離突擴(kuò)界面約150 mm區(qū)域內(nèi)風(fēng)速依然呈現(xiàn)對(duì)稱分布，隨后風(fēng)流呈現(xiàn)上揚(yáng)趨勢(shì)，受突擴(kuò)段上下隅角區(qū)域大渦湍流脈動(dòng)影響，峰值拐點(diǎn)發(fā)生了震蕩性偏移。當(dāng)下隅角回流結(jié)束后，由x=800 mm和x=900 mm處風(fēng)速分布可見(jiàn)，峰值拐點(diǎn)漸漸下移至斷面中心位置，斷面風(fēng)流將逐漸呈現(xiàn)對(duì)稱分布趨勢(shì)。由于上下隅角渦流的存在，回流區(qū)內(nèi)的斷面風(fēng)速呈現(xiàn)出“Ω”型分布趨勢(shì)。

3.3　突擴(kuò)巷道流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)分析

突擴(kuò)巷道PIV實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，突擴(kuò)后巷道流場(chǎng)風(fēng)流狀態(tài)十分復(fù)雜，在突擴(kuò)隅角區(qū)域出現(xiàn)了非對(duì)稱的渦流漩渦區(qū)。流體經(jīng)過(guò)突擴(kuò)斷面后，通常存在2種流動(dòng)，即對(duì)稱流動(dòng)和非對(duì)稱流動(dòng)[13]。Durst F和MellingA[14]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)Re=56時(shí)，突擴(kuò)流動(dòng)對(duì)稱的結(jié)論。李占松和朱士江[13]利用數(shù)值模擬方法得到了不同雷諾數(shù)下突擴(kuò)流動(dòng)分布狀態(tài)，并與Durst F[14]等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出了當(dāng)Re=10時(shí)，流動(dòng)對(duì)稱；Re=56時(shí)流動(dòng)基本對(duì)稱；Re=114時(shí)流動(dòng)明顯偏轉(zhuǎn)的結(jié)論，且認(rèn)為流體經(jīng)突擴(kuò)界面后，主流發(fā)生向左或向右偏轉(zhuǎn)是隨機(jī)的，并且由于數(shù)值計(jì)算迭代的方向不同會(huì)導(dǎo)致主流偏轉(zhuǎn)的方向不同，產(chǎn)生非對(duì)稱流動(dòng)現(xiàn)象，這與文獻(xiàn)[15]的數(shù)值模擬結(jié)果吻合。對(duì)于突擴(kuò)管道出現(xiàn)的非對(duì)稱流動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一段充分發(fā)展的距離，會(huì)逐步趨于對(duì)稱。并且渦流區(qū)的形狀隨突擴(kuò)比(小斷面與大斷面的面積比)不同而變化，當(dāng)突擴(kuò)前小斷面的面積較小，即突擴(kuò)比較大時(shí)，可能造成不對(duì)稱的渦流區(qū)[16]。而在本文實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件中，突擴(kuò)巷道風(fēng)流雷諾數(shù)達(dá)到了104，巷道突擴(kuò)比為1∶2，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)了突擴(kuò)流動(dòng)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，與上述文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)[13-16]及數(shù)值模擬研究結(jié)果具有一致性。

本實(shí)驗(yàn)在較為理想狀態(tài)(巷道光滑)下風(fēng)流的分布特征都如此復(fù)雜，而實(shí)際井下巷道表面粗糙，對(duì)風(fēng)流的干擾更加劇烈，風(fēng)流分布特征必將更為復(fù)雜多變，而基于本次實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷腜IV測(cè)試結(jié)果可為實(shí)際礦井中復(fù)雜的風(fēng)流湍流流動(dòng)研究奠定實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)。

4　結(jié)論

1)PIV技術(shù)可以清晰地獲得突擴(kuò)巷道全流場(chǎng)信息，瞬態(tài)風(fēng)流分布“瞬息萬(wàn)變”，時(shí)均流場(chǎng)中突擴(kuò)前平直巷道速度流線基本呈平滑直線，突擴(kuò)后上下隅角存在回流大渦區(qū)，呈現(xiàn)出不對(duì)稱分布，并且渦流區(qū)測(cè)風(fēng)方向極不穩(wěn)定，而且風(fēng)速很低，風(fēng)速平均值大約在-0.6 m/s～0.6 m/s之間波動(dòng)，表明在煤礦井下測(cè)風(fēng)時(shí)可以有條件地忽略渦流區(qū)。

2)突擴(kuò)斷面縱對(duì)稱軸風(fēng)速分布表明，突擴(kuò)界面前的平直巷道斷面內(nèi)風(fēng)流呈對(duì)稱分布，風(fēng)流經(jīng)突擴(kuò)界面后，上下隅角區(qū)域風(fēng)流速度出現(xiàn)負(fù)值，表明此位置區(qū)域存在回流。受突擴(kuò)段上下隅角區(qū)域大渦湍流脈動(dòng)以及矩形管道湍流二次流的影響，風(fēng)流在距離突擴(kuò)界面150 mm處開(kāi)始呈現(xiàn)上揚(yáng)趨勢(shì)，突擴(kuò)斷面縱對(duì)稱軸上風(fēng)速分布峰值拐點(diǎn)發(fā)生了震蕩性偏移，當(dāng)下隅角回流區(qū)結(jié)束后，風(fēng)速分布峰值拐點(diǎn)漸漸下移并逐漸呈現(xiàn)對(duì)稱趨勢(shì)，回流區(qū)內(nèi)斷面風(fēng)速整體呈現(xiàn)出“Ω”型分布形式。

3)非接觸PIV測(cè)速技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)流場(chǎng)速度瞬態(tài)測(cè)量，更加精準(zhǔn)地測(cè)試巷道流場(chǎng)風(fēng)流的湍流特性，并反映出突擴(kuò)巷道流場(chǎng)回流漩渦結(jié)構(gòu)分布特征。

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