巷道斷面風(fēng)流分布規(guī)律試驗(yàn)研究

李亞俊，李印洪，吳潔葵，姚銀佩

(1.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，長(zhǎng)沙 410014；2.非煤礦山通風(fēng)防塵湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410014)

現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定主要為測(cè)風(fēng)人員對(duì)所選測(cè)點(diǎn)巷道持風(fēng)表對(duì)該斷面風(fēng)速進(jìn)行測(cè)定，因此所測(cè)風(fēng)量是否準(zhǔn)確、客觀與測(cè)量設(shè)備與測(cè)量方法有密切關(guān)系，在認(rèn)定設(shè)備測(cè)量精度的條件下，排除測(cè)風(fēng)人員主觀因素產(chǎn)生的不可避免的測(cè)量誤差外，測(cè)量方法所產(chǎn)生誤差便成為所測(cè)風(fēng)量是否準(zhǔn)確的主要影響因素[1]。

空氣作為流體在巷道中流動(dòng)時(shí)，由于巷道壁摩擦阻力的存在，風(fēng)速在巷道斷面上的分布是不均勻的[2]，因此在測(cè)風(fēng)時(shí)一般采用在斷面移動(dòng)風(fēng)表的測(cè)量方式，按此主要分為線路法和分格定點(diǎn)法。線路法是風(fēng)表沿預(yù)定路線均勻移動(dòng)，單位時(shí)間內(nèi)走完線路既定路程。分格定點(diǎn)法是將整個(gè)井巷斷面劃分為若干大致相等的方格，分別測(cè)各方格內(nèi)風(fēng)速值，加權(quán)求平均值得到測(cè)量風(fēng)速值。以上風(fēng)速測(cè)量方法測(cè)得巷道斷面風(fēng)速值均提高了巷道風(fēng)速測(cè)量精度，但由于風(fēng)流在巷道內(nèi)是連續(xù)的流體，無(wú)論分格定點(diǎn)法還是線路法均無(wú)法實(shí)現(xiàn)巷道全部斷面連續(xù)測(cè)定[3-4]，其測(cè)量精度有進(jìn)一步提升空間。為提高測(cè)量精度和更合理地選擇測(cè)風(fēng)方式，首先便需要對(duì)巷道斷面連續(xù)風(fēng)流分布進(jìn)行探究，以優(yōu)化測(cè)風(fēng)方式。

為此本文擬用試驗(yàn)測(cè)定研究的方式對(duì)特定條件下巷道斷面風(fēng)流分布情況進(jìn)行探究，并探究巷道流場(chǎng)分布規(guī)律，進(jìn)一步以此為基礎(chǔ)指導(dǎo)巷道風(fēng)速更合理、精確的測(cè)定。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

圓形在各方向上具有統(tǒng)一對(duì)稱性，理想狀態(tài)下圓形井巷風(fēng)流穩(wěn)定狀態(tài)，其各段風(fēng)流分布應(yīng)以圓心軸線為各向?qū)ΨQ分布[5]，圓形斷面在試驗(yàn)測(cè)量上具有簡(jiǎn)易、便捷、誤差較小等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此試驗(yàn)選用圓形斷面作為測(cè)試斷面[6]。

試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用類似圓形低速風(fēng)洞的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中裝置由圓形巷道風(fēng)流模擬系統(tǒng)和風(fēng)流測(cè)試系統(tǒng)組成，圓形巷道風(fēng)流模擬系統(tǒng)巷道包括入風(fēng)口及整流格柵、測(cè)風(fēng)口(低速、高速)、風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)變頻控制器等，風(fēng)流測(cè)試裝置主要由熱敏式風(fēng)表和測(cè)定位置標(biāo)尺組成，具體結(jié)構(gòu)見系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1所示。

圖1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)利用簡(jiǎn)易圓形風(fēng)洞結(jié)構(gòu)測(cè)試裝置，通過(guò)改變風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制風(fēng)速(風(fēng)量)，熱敏式風(fēng)表測(cè)量桿增加測(cè)量位置標(biāo)尺定位測(cè)定風(fēng)速位置與圓形風(fēng)洞壁的距離，并記錄熱敏式風(fēng)表在不同位置的風(fēng)速讀數(shù)，依此分析斷面風(fēng)速分布與巷道壁的關(guān)系，由于所述研究與巷道壁距離有關(guān)，為得到更多數(shù)據(jù)，因此選用斷面更大的I低速測(cè)風(fēng)段測(cè)試，試驗(yàn)裝置試驗(yàn)測(cè)試段現(xiàn)場(chǎng)照片見圖2。

圖2 裝置測(cè)風(fēng)段Fig.2 Wind-measuring section of test device

2 試驗(yàn)測(cè)試分析

2.1 試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)上述試驗(yàn)方案，調(diào)節(jié)變頻控制器至裝置風(fēng)速為低速，待風(fēng)流穩(wěn)定后，利用熱敏式風(fēng)表測(cè)定距巷道壁不同距離處的風(fēng)速值，并記錄各位置風(fēng)速值，記錄完成后再分別調(diào)整變頻器調(diào)整風(fēng)速至中速及較高速度狀態(tài)，重復(fù)上步驟測(cè)定，所測(cè)試驗(yàn)裝置(I低速測(cè)風(fēng)段)直徑為50 cm，由于圓形巷道的各項(xiàng)對(duì)稱性，僅需測(cè)巷道中心點(diǎn)至巷道壁距離風(fēng)速變化即可，試驗(yàn)所得測(cè)定結(jié)果見表1，距巷道壁距離增加，所對(duì)應(yīng)風(fēng)速變化繪制成折線圖，如圖3所示。

表1 試驗(yàn)測(cè)定風(fēng)速值Table 1 Test value of wind speed

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述測(cè)定數(shù)據(jù)分析，圓形巷道斷面各風(fēng)速條件下(低、中、高三擋)，風(fēng)流分布趨勢(shì)基本一致，基本呈現(xiàn)距巷道中心越近，風(fēng)速越大的分布[7]，但其風(fēng)流分布并非簡(jiǎn)單的線性正比關(guān)系，從圖2中可看出在靠近巷道壁處風(fēng)速急劇下降，原因貼近巷道壁的風(fēng)流受到巷道壁的黏滯作用風(fēng)速急劇下降[8]，距離巷道壁超過(guò)一定距離后，風(fēng)流受這種黏滯作用漸不明顯，從圖2及表1中多組數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，巷道壁這種黏滯作用影響集中在距離巷道壁5 cm以內(nèi)區(qū)域，在各風(fēng)速條件下(低、中、高檔風(fēng)速)該區(qū)域內(nèi)巷道風(fēng)流均急劇變化，此部分區(qū)域約占巷道中軸線長(zhǎng)度的20%，可認(rèn)為該區(qū)域?yàn)橄锏里L(fēng)流的急劇變化區(qū)。

圖3 試驗(yàn)測(cè)定數(shù)值折線圖Fig.3 Line chart of test value

在距巷道壁5～25 cm(巷道中心)處巷道風(fēng)流基本屬于平穩(wěn)變化區(qū)，以中檔風(fēng)速為例，距巷道壁5 cm處風(fēng)速為3.85 m/s，巷道中心位置風(fēng)速為4.10 m/s，風(fēng)速變化為0.25 m/s，較巷道中心最大風(fēng)速變化率為6.1%，變化相對(duì)較緩，此區(qū)域風(fēng)速可認(rèn)為是巷道斷面風(fēng)速的相對(duì)高速區(qū)域。

2.3 巷道風(fēng)流分布規(guī)律曲線擬合

為進(jìn)一步揭示圓形巷道風(fēng)流分布規(guī)律，我們依據(jù)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)， 以風(fēng)速為目標(biāo)值Y，以距巷道壁距離為變量X，做曲線擬合以更形象地描繪巷道風(fēng)流分布規(guī)律，并能依曲線擬合方程無(wú)差別計(jì)算出任一距離巷道壁距離的點(diǎn)風(fēng)速值。根據(jù)上述試驗(yàn)測(cè)定折線圖3所示，各風(fēng)速條件下風(fēng)流變化趨勢(shì)基本相同，因此擬合僅以低風(fēng)速條件下做實(shí)例，根據(jù)函數(shù)相關(guān)匹配選型，選擇以自然對(duì)數(shù)函數(shù)為目標(biāo)函數(shù)形式。當(dāng)x取值在0～25 cm間，經(jīng)曲線擬合低風(fēng)速條件下巷道風(fēng)流分布規(guī)律方程為式(1)所示：

y=-2.99039exp(-x/1.96487)+2.89634

(1)

對(duì)應(yīng)的曲線形式為圖4。

所示曲線擬合回歸方程相關(guān)度與均方根誤差值作為回歸方程可信度的重要指標(biāo)，其值見表2。

圖4 巷道風(fēng)流分布曲線擬合Fig.4 Fitting curve of air flow distribution

表2 回歸方程回歸相關(guān)度及均方根誤差值Table 2 Relevance and root mean square error of the regression equations

從回歸相關(guān)度及均方根誤差看， 所得回歸曲線方程具有極高的可信度，可準(zhǔn)確表征此狀況下巷道風(fēng)速分布狀況，并可依此準(zhǔn)確推算巷道任一位置的風(fēng)速值。

3 結(jié)論

利用自行改造設(shè)計(jì)的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)圓形巷道風(fēng)流斷面分布規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究結(jié)果總結(jié)如下：

1)受巷道壁對(duì)風(fēng)流的黏滯作用，巷道風(fēng)流在靠近邊壁約20%距離處存在風(fēng)速急劇下降區(qū)，圓形巷道風(fēng)流沿巷道壁至巷道中心線呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，變化趨勢(shì)先急后緩，不同風(fēng)速條件下這種變化趨勢(shì)存在相似性，可認(rèn)為巷道風(fēng)速變化趨勢(shì)與風(fēng)速無(wú)關(guān)。

2)巷道風(fēng)流分布規(guī)律研究顯示風(fēng)流在巷道斷面大部分區(qū)域風(fēng)速較高，僅靠近巷道壁面風(fēng)速急劇下降，以分格定點(diǎn)法測(cè)風(fēng)速為例，巷道斷面一般劃分為軸線對(duì)稱的九格，分別測(cè)各格內(nèi)風(fēng)速值，加權(quán)平均值得到測(cè)量風(fēng)速值，此九格測(cè)風(fēng)位置一般均為格子中心，即未靠近巷道邊壁區(qū)域，所測(cè)9組數(shù)據(jù)均為斷面較高風(fēng)速區(qū)域數(shù)值，加權(quán)平均后應(yīng)大于巷道實(shí)際平均風(fēng)速。因此，實(shí)際測(cè)風(fēng)時(shí)應(yīng)考慮風(fēng)流邊壁風(fēng)速驟變區(qū)域，以提高測(cè)量精度。

3)以低風(fēng)速條件下巷道風(fēng)流分布為代表，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以風(fēng)速為目標(biāo)值Y，以距巷道壁距離為變量X，擬合描繪巷道風(fēng)流分布規(guī)律曲線方程，根據(jù)曲線方程的相關(guān)度及均方根誤差分析，該曲線具有較高擬合度，可以依此曲線擬合方程無(wú)差別計(jì)算出任一距離巷道壁距離的點(diǎn)風(fēng)速值。