基于CFD數(shù)值模擬的通風(fēng)障礙物對(duì)掘進(jìn)巷道風(fēng)速分布的影響規(guī)律研究

楊文宇 張成法 馬輝

摘 要：文章采用CFD數(shù)值模擬軟件對(duì)通風(fēng)障礙物存在情況下的掘進(jìn)巷道進(jìn)行了風(fēng)速分布模擬研究，建立了鏟運(yùn)機(jī)等通風(fēng)障礙物存在情況下的巷道幾何模型，探討了指定送風(fēng)速度下通風(fēng)障礙物對(duì)巷道風(fēng)速分布的影響規(guī)律，為掘進(jìn)通風(fēng)工程提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：通風(fēng)障礙物；數(shù)值模擬；風(fēng)速分布

中圖分類(lèi)號(hào)：TD714 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）25-0046-02

Abstract： CFD numerical simulation software is applied to simulate the airflow field in a blind heading. The geometry model of the airway is established under the existence of ventilation obstacles such as the load-haul-dump unit （LHD）. The influence of ventilation obstacles on the airflow distribution is discussed. This paper provides a theoretical basis for the optimization of ventilation.

Keywords： ventilation obstacle； numerical simulation； airflow distribution

深部掘進(jìn)工作面由于受到地?zé)岬挠绊懪c獨(dú)頭巷道獨(dú)特的通風(fēng)方式，與地下空間其他作業(yè)地點(diǎn)相比，由于新的巖石不斷暴露給風(fēng)流，在這一區(qū)域風(fēng)流的溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)都變得異常復(fù)雜，對(duì)其熱環(huán)境的改善一直存在較大的難度[1]。為使該區(qū)域的熱環(huán)境得到有效改善，在掘進(jìn)巷道需要配備風(fēng)管、空冷器與局部通風(fēng)機(jī)組成的局部通風(fēng)降溫系統(tǒng)。本系統(tǒng)在實(shí)際使用時(shí)尤以采用壓入式通風(fēng)最為常見(jiàn)。在對(duì)掘進(jìn)巷道流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的相關(guān)研究中，目前已有使用相似模型并結(jié)合可視化技術(shù)的報(bào)道，同時(shí)，也有使用風(fēng)速儀、溫濕度計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究，隨著CFD數(shù)值模擬軟件的流行，對(duì)指定空間流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的相關(guān)研究變得更加便捷。

因此，本研究使用CFD數(shù)值模擬軟件構(gòu)建以掘進(jìn)機(jī)為代表的通風(fēng)障礙物組成的掘進(jìn)巷道幾何模型，通過(guò)三維空間的數(shù)值模擬探討通風(fēng)障礙物對(duì)掘進(jìn)巷道風(fēng)流流場(chǎng)的影響規(guī)律。

1 幾何模型

圖1為本研究建立的與實(shí)際巷道等比例的幾乎模型。此掘進(jìn)巷道高為3m，寬為3m，長(zhǎng)為20m，風(fēng)管距離迎頭15m，以一個(gè)長(zhǎng)方體代表掘進(jìn)機(jī)或鏟運(yùn)機(jī)作為通風(fēng)障礙物，通風(fēng)障礙物高2m，寬2m，長(zhǎng)5m，考慮實(shí)際作業(yè)情況設(shè)定通風(fēng)障礙物前部距離迎頭2m。風(fēng)管出風(fēng)口距離迎頭15m，風(fēng)管形狀簡(jiǎn)化為邊長(zhǎng)為0.6m長(zhǎng)方體，在數(shù)值模擬邊界條件的設(shè)置中將風(fēng)管出口風(fēng)速設(shè)定為12m/s開(kāi)展本研究。

2 數(shù)學(xué)模型

在巷道空氣流動(dòng)模擬上越來(lái)越受歡迎的是Yakhot等提出的重整化群模型（RNG），由于RNG k-ε模型增加了一個(gè)隨機(jī)強(qiáng)制函數(shù)描述小尺度湍流運(yùn)動(dòng)的作用效果，可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)，由于本研究不考慮熱交換，CFD數(shù)值模擬軟件只需解決風(fēng)流的流動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)求解控制方程，包括連續(xù)方程、Navier-Stokes（N-S）方程、k方程、ε方程得到結(jié)果。對(duì)于求解紊流狀態(tài)下的的巷道空氣流動(dòng)分析，在工程中采用對(duì)瞬態(tài)N-S方程做時(shí)間平均處理，并使用有限體積法（FVM）進(jìn)行數(shù)值模擬[2]。

連續(xù)方程與N-S方程可采用式（1）的通用形式

式中t為時(shí)間（s），u為速度矢量（m/s），ρ為空氣密度（kg/m3），其中通用變量？準(zhǔn)與廣義擴(kuò)散系數(shù)Γ、廣義源項(xiàng)S的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1中的u為x軸方向的速度（m/s），v為y軸方向的速度（m/s），w為z軸方向的速度（m/s），μ為分子粘性系數(shù)（Pa.s），μt為渦粘性系數(shù)（Pa.s），P為壓力（Pa）。

k方程與ε方程分別如式（2）與式（3）所示.

其中：αk與αε分別為k方程與ε方程對(duì)應(yīng)的逆效應(yīng)普朗特?cái)?shù)，模擬軟件中αk=αε≈1.393，μeff為有效粘性系數(shù)（Pa.s），可由μeff=μ+μt計(jì)算，μt=ρCμk2/ε，Cμ為常數(shù)，模擬軟件中Cμ=0.0845，C1ε與C2ε為模型常數(shù)，模擬軟件中C1ε=1.42，C2ε=1.68。Gk為由平均運(yùn)動(dòng)速度梯度引起的湍流能量k的產(chǎn)生項(xiàng)（Pa/s），Rε為附加項(xiàng)，這是RNG k-ε模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型最大的區(qū)別，可描述小尺度湍流的作用效果，能更好的應(yīng)對(duì)劇烈應(yīng)變及流線曲率的影響，這是RNG k-ε模型的優(yōu)越之處。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

圖2展示了巷道中央鉛垂面上的速度矢量分布圖，矢量圖中節(jié)點(diǎn)箭頭的大小和方向反映了該點(diǎn)空氣的流速大小和流動(dòng)方向。從圖中可以看到來(lái)自風(fēng)管的射流在到達(dá)迎頭之前，頂板附近的速度逐漸變小，在距迎頭5m的頂板附近的風(fēng)速較出口處衰減了約30%，與迎頭碰撞后再反向運(yùn)動(dòng)。風(fēng)流在反向運(yùn)動(dòng)后，在迎頭下部附近區(qū)域由于受到障礙物的阻礙，在迎頭與障礙物之間的空間內(nèi)出現(xiàn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦流。在障礙物后方不遠(yuǎn)處（x=11～12m附近），速度矢量指向迎頭，但在后方x=10m處，速度矢量指向相反的掘進(jìn)巷道出口方向，由此可見(jiàn)，風(fēng)流在障礙物后方呈現(xiàn)復(fù)雜的低速流動(dòng)。

與相關(guān)文獻(xiàn)的實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)比較[1]，在速度分布方面數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在大部分區(qū)域取得了良好的一致性，只是在巷道頂板與迎頭部分?jǐn)?shù)值模擬的風(fēng)速值偏大，從圖2可以明顯看到風(fēng)流從風(fēng)管?chē)姵龊筮€存在約有2m的風(fēng)速增大區(qū)域，而實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)顯示風(fēng)流速度從風(fēng)管?chē)姵龊蟪手本€衰減趨勢(shì)，不存在風(fēng)速增大區(qū)域。分析其原因應(yīng)當(dāng)是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)流與有機(jī)玻璃制成風(fēng)管內(nèi)部存在凹凸的情況，導(dǎo)致風(fēng)流更加紊亂，而在數(shù)值模擬中所有的幾何模型都是理想狀態(tài)，所以，為取得理想的實(shí)測(cè)結(jié)果應(yīng)在風(fēng)管內(nèi)部加裝整流裝置。從上述模擬結(jié)果可以明顯看到，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，在通風(fēng)障礙物前后的小范圍空間內(nèi)有可能形成渦流從而導(dǎo)致粉塵與瓦斯的積聚，在綜掘巷道的粉塵與瓦斯治理過(guò)程中需要格外注意。

從圖2可以看到有通風(fēng)障礙物存在情況下，風(fēng)流明顯受到阻礙作用，在通風(fēng)障礙物兩側(cè)的空間內(nèi)，形成了狹窄的風(fēng)道使得回流呈現(xiàn)明顯加速狀態(tài)，最大風(fēng)速達(dá)到了2m/s。風(fēng)流離開(kāi)風(fēng)道后，在通風(fēng)障礙物后形成匯聚狀態(tài)，因此在巷道水平面上也形成了明顯的渦流狀態(tài)。在掘進(jìn)巷道通風(fēng)工程中，對(duì)于機(jī)械設(shè)備后面區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)管理，避免瓦斯與粉塵積聚。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)CFD數(shù)值模擬研究了壓入式局部通風(fēng)情況下通風(fēng)障礙物對(duì)掘進(jìn)巷道風(fēng)流的影響規(guī)律。在CFD數(shù)值模擬中采用RNG k-ε數(shù)學(xué)模型對(duì)與實(shí)際情況相同的等比例掘進(jìn)巷道的風(fēng)流流場(chǎng)進(jìn)行了分析。在通風(fēng)障礙物與掘進(jìn)迎頭之間的空間內(nèi)以及通風(fēng)障礙物的后部附近區(qū)域，存在渦流情況的發(fā)生，這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)很有可能導(dǎo)致粉塵與瓦斯的積聚。在進(jìn)行掘進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，需要特別注意通風(fēng)障礙物對(duì)風(fēng)流流場(chǎng)的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃壽元，趙曉雨，李剛，等.金屬礦山深井人工制冷降溫系統(tǒng)模式分析[J].金屬礦山，2018（05）：165-171.

[2]Sasmito， Kurnia， Birgersson， Mujumdar. Computational evaluat

ion of thermal management strategies in an underground mine[J]. Applied Thermal Engineering，90（2015）：1144-1150.