出口壓力對煤礦主風(fēng)機(jī)風(fēng)門溫度場的影響

宋勝偉，楊 志，陳國輝，趙淑瑩

(1．黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱150022；2．黑龍江科技大學(xué) 理學(xué)院，哈爾濱150022)

出口壓力對煤礦主風(fēng)機(jī)風(fēng)門溫度場的影響

宋勝偉1，楊 志1，陳國輝1，趙淑瑩2

(1．黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱150022；2．黑龍江科技大學(xué) 理學(xué)院，哈爾濱150022)

為探究出口壓力對煤礦主風(fēng)機(jī)風(fēng)門溫度場的影響，通過實(shí)驗(yàn)測定某煤礦主風(fēng)機(jī)風(fēng)道內(nèi)某點(diǎn)溫度值與各通風(fēng)口初始值，利用流體動力學(xué)分析軟件Fluent模擬出口不同壓力下分支風(fēng)道多場耦合傳熱特性。結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果兩者變化趨勢保持一致，最大誤差為8.9%；出口壓力對風(fēng)門溫度影響顯著，當(dāng)出口壓力較小時，風(fēng)門低溫區(qū)域只發(fā)生在風(fēng)門上半部分，且多集中上中部分，整個風(fēng)門溫度場分布呈非對稱特征；隨著壓力的增加，低溫域以逆時針特點(diǎn)向風(fēng)門左半部分?jǐn)U散，在風(fēng)門左下半部分尤為明顯；高溫區(qū)域一般集中在風(fēng)門邊緣處。該研究為防治煤礦主風(fēng)機(jī)的風(fēng)門低溫凍害提供參考依據(jù)。

煤礦主風(fēng)機(jī); 溫度場；出口壓力；傳熱；風(fēng)機(jī)的風(fēng)門

風(fēng)門作為煤礦主通風(fēng)系統(tǒng)的重要設(shè)備，掌控著風(fēng)量的大小與方向，然而寒區(qū)的煤礦常常因?yàn)槠滹L(fēng)道內(nèi)濕空氣相變結(jié)霜使得風(fēng)門無法正常開閉，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)[1]。為此，宋勝偉[2-3]以風(fēng)門濕度為目標(biāo)因子，研究風(fēng)道不同結(jié)構(gòu)對其影響和風(fēng)道內(nèi)流場特性。魏亞興[4]給出了通風(fēng)熱交換規(guī)律，但并沒有考慮相變放熱最終點(diǎn)溫度的影響。此外，針對煤礦風(fēng)道傳熱，國內(nèi)其他學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究[5-8]，但未涉及出口壓力對主風(fēng)機(jī)的風(fēng)門溫度場影響的研究。國外學(xué)者在傳熱方面雖進(jìn)行了相關(guān)研究，但都是針對壓入式短小風(fēng)道的結(jié)霜，而對煤礦抽出式通風(fēng)的大徑風(fēng)道傳熱研究相對較少[9-12]。因此，筆者分析出口壓力對煤礦主風(fēng)機(jī)的風(fēng)門溫度場影響，以期為防治風(fēng)門低溫凍害提供科學(xué)的參考。

1 參數(shù)的測定

由于煤礦主風(fēng)機(jī)的風(fēng)門所處位置與形狀的特殊性，無法直接測量其表面溫度值，文中利用七臺河某煤礦主通風(fēng)風(fēng)道，測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 煤礦主通風(fēng)分支風(fēng)道Fig.1 Main ventilation branch pipeline of coal mine

所測數(shù)據(jù)為數(shù)值模擬提供了可靠的壓力p與溫度T初始值。根據(jù)自動檢測儀器顯示，在調(diào)節(jié)過程中，測量了出口處溫度值為12 ℃，同時檢測到五組出口壓力值與相應(yīng)風(fēng)門3號測點(diǎn)處的溫度值，具體值見表1。

表1 不同出口壓力下泄露入口處溫度值Table 1 Temperature at 50 cm in front of ventilation door under different outlet pressure

2 計(jì)算模型與邊界條件

2.1 計(jì)算模型

圖1 給出了煤礦主風(fēng)機(jī)的分支風(fēng)道結(jié)構(gòu)包括入口直管段L1，斜管段L2和出口直管段L3，其長度分別為10、18、12 m，兩分支風(fēng)道夾角γ為60°，風(fēng)道為等直徑圓柱，直徑d0為3.4 m，壁厚δ為0.06 m，風(fēng)門厚度為0.36 m。風(fēng)道材料由混凝土和鐵制圓柱管構(gòu)成，根據(jù)多層圓筒壁熱阻理論，計(jì)算其風(fēng)道總傳熱系數(shù)為1.26 W/(m·k)，風(fēng)門材料為45#鋼，其傳熱系數(shù)為49.5 W/(m·k)。采用三維建模軟件Pro/E軟件對主通風(fēng)風(fēng)道建立實(shí)體模型，在前處理軟件Gambit中采用體網(wǎng)格對幾何模型劃分，經(jīng)過多次迭代計(jì)算，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為679 546個。

2.2 邊界條件

通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)道內(nèi)氣體流速與溫度較低，忽略輻射傳熱對熱量交換的影響。風(fēng)道內(nèi)湍流流動模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ξ兩方程模擬。主入口設(shè)為壓力入口，出口設(shè)置為壓力出口，出口處初始壓力大小為-2 300 Pa，由于抽出式通風(fēng)的特點(diǎn)，應(yīng)為負(fù)值。實(shí)驗(yàn)測定等效泄露寬度為100 mm，泄露入口壓力值為800 Pa，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)功率，測量了主入口壓力值為2 400 Pa,溫度值為14 ℃，主入口與出口水力直徑為3 400 mm。

為了揭示風(fēng)門與風(fēng)道內(nèi)溫度場分布規(guī)律，必須先弄清兩分支風(fēng)道內(nèi)微觀流體流動特征，為此先對風(fēng)道流體進(jìn)行研究：風(fēng)道內(nèi)流體流動狀態(tài)(層流還是湍流)進(jìn)行理論分析與計(jì)算，當(dāng)雷諾數(shù)大于臨界值Recr(實(shí)際工程計(jì)算中圓管牛頓流體流動通常取為2 320)視為湍流，反之則為層流。雷諾數(shù)Re表示為

(1)

式中:ρ——流體的密度，kg/m3；

v——風(fēng)道中流體平均速度，m/s；

dH——風(fēng)道有效水力直徑，m；

μ——流體的動力黏度，Pa·s。

風(fēng)道的有效水力直徑為自身的內(nèi)徑，文章中考慮了泄漏情況，此時的泄露入口水力直徑為其風(fēng)道兩圓環(huán)半徑之差

dH=r1-r2，

(2)

式中:r1——風(fēng)道外環(huán)半徑，m；

r2——風(fēng)道內(nèi)環(huán)半徑，m。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)所測數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算Re=666 340>Recr=2 320，即風(fēng)道內(nèi)氣流流動為湍流狀態(tài)。

風(fēng)道中湍流強(qiáng)度I為

I=0.16×Re(-1/8)。

(3)

經(jīng)計(jì)算壓力出口湍流強(qiáng)度為3%，泄露入口水力直徑為100 mm，泄露入口湍流強(qiáng)度為5%。壁面邊界條件取無滑移項(xiàng)。

3 計(jì)算方法與模型可行性

3.1 計(jì)算方法

由于井下氣體為高溫度濕空氣，在抽出過程中遇到地面風(fēng)道內(nèi)冷空氣發(fā)生相變放熱，這部分熱量將對風(fēng)門溫度場的分布產(chǎn)生影響，予以考慮。相變過程焓微分方程為

(4)

潛熱釋放是相變過程中不同于一般導(dǎo)熱問題的一個顯著特點(diǎn)，由于釋放熱量，傅里葉定律變成了具有內(nèi)熱源的溫度場。其方程有

(5)

式中:c——比熱容，J/kg·K;

λ——導(dǎo)熱率，J/(m·h·℃);

L——潛熱，J/kg;

fs——固相率，也可以表示潛熱釋放;

t——時間，s;

x、y、z——三維坐標(biāo)，m。

整理式(4)、(5)得

(6)

相變問題實(shí)際上可以作為非線性瞬態(tài)熱分析處理，計(jì)算過程中，可以通過定義材料的焓隨溫度變化來考慮潛熱的數(shù)值[13-16]。文中選擇計(jì)算流體動力學(xué)分析軟件Fluent，選擇基于壓力基，非穩(wěn)態(tài)傳熱模塊，通過Mixture模型與解釋型相變程序完成對風(fēng)門溫度場的研究，其迭代步為10 000步，時間間隔為25 s。

3.2 可行性分析

給定實(shí)驗(yàn)所測得出口壓力值，對分支風(fēng)道進(jìn)行仿真，提取2號測點(diǎn)風(fēng)門前50 cm處溫度值，并與實(shí)驗(yàn)所測結(jié)果對比分析，如圖2所示，隨著出口壓力的增大，風(fēng)門前50 cm處溫度降低，與實(shí)驗(yàn)時所測相應(yīng)值對比，二者變化趨勢保持一致，最大誤差8.9%，證明模型可行。

圖2 實(shí)驗(yàn)與仿真對比Fig.2 Experiment and simulation comparison

4 結(jié)果分析

4.1 低溫區(qū)域占比

將低于零度的溫度定義為低溫。圖3給出了不同出口壓力下，風(fēng)門低溫區(qū)域的變化規(guī)律，為了直觀地表達(dá)風(fēng)門低溫區(qū)域在整個風(fēng)門中的比重，圖3中以低溫區(qū)域占比為縱坐標(biāo)。從圖3中可以看出，隨著出口壓力的增大，低溫域占比η顯著增加，在當(dāng)出口壓力為-2 350 Pa時，風(fēng)門一半以上區(qū)域處于低溫狀態(tài)。

圖3 壓力對低溫區(qū)域的影響Fig.3 Influence of outlet pressure on low temperature region

4.2 低溫區(qū)域位置

為了表達(dá)出風(fēng)門低溫域的位置，將風(fēng)門看成以風(fēng)門中心為圓心，半徑為1 650 mm的圓。將逆時針方向定義為從小到大的方向，即低溫區(qū)域右邊界切線與原點(diǎn)夾角為α小角，左邊界切線與原點(diǎn)夾角β為大角。圖4給出了不同壓力下角度φ的變化曲線，曲線表明：當(dāng)壓力較小時，低溫只發(fā)生在風(fēng)門上半部分，隨著出口壓力的增加，低溫區(qū)域邊界夾角逐漸增大，并且區(qū)域左邊界以逆時針方向擴(kuò)展，當(dāng)壓力值達(dá)到-2 300 Pa時，夾角差為360°，即在每一個象限內(nèi)都存在低溫區(qū)域。

圖4 出口壓力對低溫邊界夾角的影響Fig.4 Influence of outlet pressure on included angle of low temperature boundary

圖5 給出了低溫邊界與原點(diǎn)之間的距離(近距離dj、遠(yuǎn)距離dy)變化曲線，為了表達(dá)更為清楚，從象限的角度考慮，將風(fēng)門上半部分定義為正值，下半部分為負(fù)值，正負(fù)僅代表其位置，不表示大小。對比圖5可知當(dāng)壓力較小時，低溫域只發(fā)生在風(fēng)門上半部分，而隨著壓力的增大，逐漸向風(fēng)門左半部分邊緣擴(kuò)散，特別是風(fēng)門左下半部分尤為顯著，這是由于風(fēng)道中的氣體湍流影響所至。

a 最近距離

b 最遠(yuǎn)距離

4.3 沿風(fēng)門豎直中心線溫度

圖6給出了出口不同壓力下，風(fēng)門沿豎直中心線溫度變化規(guī)律，其中橫縱坐標(biāo)交點(diǎn)為風(fēng)門中心點(diǎn)，橫坐標(biāo)從左至右對應(yīng)為風(fēng)門頂端沿豎直中心線到低端，橫坐標(biāo)以下數(shù)值為負(fù)溫，以上的數(shù)值為正值。從圖中可知，高溫多集中在風(fēng)門上下邊緣處，且下半部分風(fēng)門整體溫度高于上半部分。而低溫區(qū)域主要分布在風(fēng)門偏上部分，且隨著出口壓力的增加，范圍逐漸擴(kuò)大。整個風(fēng)門沿豎直中心線溫度的變化趨勢近似呈開口向上的拋物線特點(diǎn)。

圖6 出口壓力對風(fēng)門豎直中心線溫度的影響Fig.6 Influence of outlet pressure on temperature of vertical center line

4.4 沿風(fēng)門水平中心線溫度

同4.3小節(jié)，規(guī)定橫坐標(biāo)為風(fēng)門水平中心線，左右方向一致。從圖7中可知，壓力較小時，沿風(fēng)門水平中心線無負(fù)溫值，當(dāng)壓力值為-2 300 Pa時，水平中心線偏向風(fēng)門右半部分出現(xiàn)小區(qū)域負(fù)溫值，最低為-13 ℃。而隨著壓力值進(jìn)一步增大，負(fù)溫逐漸向左移動，即風(fēng)門左半部分整體溫度低于右半部分溫度，如圖7左下角曲線。

圖7 出口壓力對風(fēng)門水平中心線溫度的影響Fig.7 Influence of outlet pressure on temperature of level center line

5 結(jié) 論

(1)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析表明，基于有限元計(jì)算主風(fēng)機(jī)的風(fēng)門溫度的方法可行；對出口不同壓力下，風(fēng)門低溫區(qū)域、低溫位置、數(shù)值中心線溫度與水平中心線的溫度研究結(jié)果表明，出口壓力對風(fēng)門溫度影響顯著，當(dāng)出口壓力較小時，風(fēng)門低溫區(qū)域只發(fā)生在風(fēng)門上半部分，且多集中上中部分，整個風(fēng)門溫度場分布呈非對稱特征;

(2)隨著壓力的增加，低溫域以逆時針特點(diǎn)向風(fēng)門左半部分?jǐn)U散，在風(fēng)門左下半部分尤為明顯；高溫區(qū)域一般集中在風(fēng)門邊緣處。

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(編校 李德根)

Influence of outlet pressure on temperature field of ventilation door of main fan in coal mines

SongShengwei1，YangZhi1，ChenGuohui1，ZhaoShuying2

(1.School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022,China;2.School of Sciences,Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022,China)

This paper is aimed at exploring the influence of outlet pressure on the temperature field of ventilation door of main fan in coal mine.The study measures the temperature of some point in air duct and the initial value in coal mine through experiment and simulates branch duct multi-field coupled heat transfer under different outlet pressure using the fluid dynamics analysis software Fluent.The work shows that the experiment and simulation results have a consistent change trend,with a maximum error of 8.9%.The research on low temperature region,low temperature position,numerical centerline temperature,and horizontal centerline temperature under different outlet pressure shows that outlet pressure has significant influence on ventilation door temperature; in the case of the small outlet pressure,the low temperature region occurs only on upper part of ventilation door,and mostly in middle part and the temperature field distribution has asymmetric characteristics; the increased pressure allows low temperature region to diffuse to the left half,particularly to the lower left half of ventilation door; and the high temperature region is generally concentrated in the edge of ventilation door.The study could provide some references for prevention and control freeze damages of ventilation door of main fan in coal mine.

main fan in cool mines; temperature field; outlet pressure; conduct heat; ventilation door

2017-01-20

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2016064)；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12541726)

宋勝偉(1968-)，男，黑龍江省樺南人，教授，碩士，研究方向：現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)及理論，E-mail:song8045676@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.02.010

TD712.7

2095-7262(2017)02-0144-05

A