百葉式風(fēng)窗流場分布模擬及局部風(fēng)阻計(jì)算分析研究

李曉波，趙 晶，尉 瑞，桑 聰

(1.中煤華晉集團(tuán)有限公司，山西 河津 043300；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；4.中煤華晉集團(tuán)有限公司王家?guī)X礦，山西 河津 043300;5.煤炭科學(xué)研究總院礦山大數(shù)據(jù)研究院，北京 100013)

調(diào)節(jié)風(fēng)窗作為礦井通風(fēng)構(gòu)筑物之一，在調(diào)整和優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)過程中起到了關(guān)鍵的作用[1]。目前井下風(fēng)窗調(diào)節(jié)仍是借助于人工調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)的過程中僅能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)人工現(xiàn)場調(diào)節(jié)風(fēng)窗過風(fēng)面積，以此達(dá)到風(fēng)量調(diào)節(jié)的目的[2-3]。人工調(diào)節(jié)過程中存在很多安全隱患，且浪費(fèi)人力、物力、財(cái)力。因此,近年來礦山大力發(fā)展、引進(jìn)、研發(fā)井下風(fēng)窗風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)控制裝置。與人工調(diào)節(jié)相比，自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置具有調(diào)風(fēng)穩(wěn)定、安全和準(zhǔn)確的特點(diǎn)，一定程度上解決了井下風(fēng)窗人工調(diào)節(jié)難度。當(dāng)井下風(fēng)量需要進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，無需人為現(xiàn)場調(diào)節(jié)，僅需通過遠(yuǎn)程操控電腦，對風(fēng)窗風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。國內(nèi)研究人員研發(fā)了遠(yuǎn)程定量控制的百葉式調(diào)節(jié)風(fēng)窗，調(diào)節(jié)風(fēng)窗以壓縮空氣為動(dòng)力，通過氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)風(fēng)窗扇片轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)過風(fēng)面積[4]。風(fēng)窗的調(diào)控由地面的上位機(jī)軟件遠(yuǎn)程發(fā)布命令，控制井下電控系統(tǒng)，通過外國傳感器監(jiān)測風(fēng)窗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對百葉式調(diào)節(jié)風(fēng)窗的準(zhǔn)確快速調(diào)控[5-6]。

本文以王家?guī)X煤礦12309工作面為例，用百葉式風(fēng)窗調(diào)節(jié)風(fēng)量進(jìn)行研究[7]。利用Fluent軟件對窗扇開啟不同角度時(shí)風(fēng)窗進(jìn)行了模擬分析，目的是研究風(fēng)窗兩端流場分布以及利用軟件模擬得出風(fēng)窗相關(guān)研究數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出風(fēng)窗局部風(fēng)阻計(jì)算公式，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)對公式進(jìn)行誤差分析對比，判定風(fēng)窗局部風(fēng)阻公式在實(shí)際生產(chǎn)中的實(shí)用性，為百葉式風(fēng)窗現(xiàn)場調(diào)風(fēng)工作提供指導(dǎo)[8-9]。

1 百葉式風(fēng)窗結(jié)構(gòu)

百葉式風(fēng)窗如圖1所示。風(fēng)窗門體由若干個(gè)扇葉構(gòu)成，支撐框架主要由窗扇框和小門門框兩部分組成，各部分由螺栓連接成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。該框架主要起到固定支撐作用，為動(dòng)力傳動(dòng)裝置、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、小門以及各類傳感器提供固定安裝載體。窗扇框架由立擋板、上下?lián)醢逋ㄟ^螺栓拼接固定而成。在框架內(nèi)部等間距布置了4道隔板，形成了5個(gè)風(fēng)流通道，并在通道內(nèi)安裝5個(gè)窗扇，通過控制窗扇角度的變化，改變風(fēng)流通道的過風(fēng)面積。

圖1 自動(dòng)風(fēng)窗設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of automatic wind window design

百葉式風(fēng)窗在每個(gè)門體配備了2套動(dòng)力系統(tǒng)，分別為氣動(dòng)馬達(dá)和手動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)。正常工作條件下，以壓縮空氣為動(dòng)力，使用氣動(dòng)馬達(dá)快速進(jìn)行風(fēng)窗過風(fēng)斷面調(diào)節(jié)；在井下停電、壓縮空氣中斷等異常條件，使用搖把手動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)急調(diào)節(jié)風(fēng)窗過風(fēng)面積[10]。

風(fēng)窗運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝于支撐結(jié)構(gòu)上，主要包括窗扇、連桿和氣動(dòng)馬達(dá)3部分組成。百葉風(fēng)窗調(diào)風(fēng)過程中，借助于動(dòng)力傳動(dòng)裝置，風(fēng)窗扇片角度發(fā)生變化，使得過風(fēng)面積發(fā)生變化。

1) 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程。百葉式風(fēng)窗共有5個(gè)活動(dòng)的窗扇，每個(gè)窗扇的軸與短連桿固定連接；5個(gè)短連桿與長連桿同步鉸接，長連桿在氣動(dòng)馬達(dá)作用下，帶動(dòng)短連桿，驅(qū)動(dòng)窗扇轉(zhuǎn)動(dòng)改變過風(fēng)面積。當(dāng)葉片處于豎直位置時(shí)，此時(shí)風(fēng)窗扇片閉合，過風(fēng)面積0 m2；中圖窗扇旋轉(zhuǎn)到60°位置，此時(shí)過風(fēng)面積為最大調(diào)節(jié)面積的50%；右圖窗扇處于水平位置，風(fēng)窗處于完全打開狀態(tài)，此時(shí)過風(fēng)面積最大。

2) 小門。小門的作用是方便行人，小門采用方鋼管焊接構(gòu)成門體框架，外敷1 mm的蒙皮組成。行人小門寬800 mm，高1 500 mm，行人稍稍低頭即可順利通過。

2 百葉式風(fēng)窗流場數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)百葉式風(fēng)窗開啟角度以及百葉式風(fēng)窗幾何尺寸，推導(dǎo)出百葉式風(fēng)窗開啟面積計(jì)算公式，見式(1)，百葉式風(fēng)窗開啟面積與開啟角度參數(shù)對應(yīng)情況(圖2)。

(1)

式中：θ為風(fēng)窗開啟角度，(°)；b為單頁百葉窗的寬度，m；L為單頁百葉窗的長度，m；S為百葉式風(fēng)窗的總開啟面積，m2。

根據(jù)式(1)可知，百葉式風(fēng)窗不同開啟角度對應(yīng)風(fēng)窗開啟面積。

2.2 模型建立

為研究百葉式風(fēng)窗周圍流場的分布情況以及風(fēng)窗局部風(fēng)阻，根據(jù)風(fēng)窗實(shí)際尺寸以及風(fēng)窗所在巷道的幾何尺寸，利用對Fluent軟件數(shù)值模擬建立百葉式風(fēng)窗百米巷道模型，巷道模型如圖3所示。為了分析百葉式風(fēng)窗巷道內(nèi)風(fēng)窗前后壓力分布，設(shè)置了一個(gè)流場水平監(jiān)測面與一個(gè)流場垂直監(jiān)測面。表1為百葉式風(fēng)窗百米巷道幾何模型關(guān)鍵參數(shù)。

圖2 風(fēng)窗開啟一定角度示意圖Fig.2 Schematic diagram of opening certain angleof wind window

圖3 百葉式風(fēng)窗百米巷道整體幾何模型圖Fig.3 Overall geometric model of 100 m roadwaywith louver

表1 百葉式風(fēng)窗百米巷道幾何模型關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Key parameters of geometric model of100 m tunnel with louver

2.3 百葉式風(fēng)窗巷道風(fēng)流場計(jì)算結(jié)果分析

通過Fluent軟件模擬得到巷道內(nèi)百葉式風(fēng)窗前后壓力分布，如圖4所示。百葉式風(fēng)窗位置處氣壓驟然急劇變化[11]，風(fēng)窗前后存在明顯的壓差，說明百葉式風(fēng)窗對通過風(fēng)流產(chǎn)生明顯的局部阻力。

通過Fluent軟件模擬得到百葉式風(fēng)窗前后風(fēng)速分布情況如圖5所示。由圖5可知，風(fēng)窗附近區(qū)域風(fēng)速明顯大于行人風(fēng)門附近區(qū)域風(fēng)速。通過Fluent軟件模擬得到百葉式風(fēng)窗巷道內(nèi)風(fēng)窗前后流線分布及局部放大圖如圖6所示。行人風(fēng)門后方形成渦流區(qū)，百葉式風(fēng)窗結(jié)構(gòu)嚴(yán)重改變了風(fēng)流流線，特別是風(fēng)窗上方區(qū)域形成渦流區(qū)，該區(qū)域不適合布置風(fēng)速傳感器。

圖4 百葉式風(fēng)窗巷道內(nèi)風(fēng)窗前后壓力場分布Fig.4 Pressure field distribution before andafter louver in tunnel with louver

圖5 百葉式風(fēng)窗巷道內(nèi)風(fēng)窗前后風(fēng)速場分布Fig.5 Distribution of wind velocity field before andafter louver in tunnel with louver

2.4 百葉式風(fēng)窗局部風(fēng)阻計(jì)算公式推導(dǎo)

確定風(fēng)流通過百葉式風(fēng)窗不同開啟程度的局部阻力，結(jié)合過風(fēng)量即可確定百葉式風(fēng)窗不同開度程度下的局部風(fēng)阻。巷道內(nèi)風(fēng)流處于紊流區(qū)，巷道風(fēng)流主要受到摩擦阻力、風(fēng)窗局部阻力影響。計(jì)算模型中將巷道壁面摩擦阻力系數(shù)設(shè)置為極小值，近似為光滑壁面，風(fēng)流流經(jīng)巷道造成的摩擦阻力損失可忽略不計(jì)。對巷道兩端斷面內(nèi)各處靜壓進(jìn)行積分可以得到整個(gè)巷道斷面的靜壓力，對巷道兩端斷面內(nèi)各處動(dòng)壓進(jìn)行積分可得整個(gè)斷面的動(dòng)壓力，根據(jù)伯努利能量守恒方程可得式(2)。巷道兩端斷面的靜壓差與動(dòng)壓差之和為百葉式風(fēng)窗局部阻力，百葉式風(fēng)窗局部風(fēng)阻計(jì)算公式見式(3)。

(2)

(3)

式中：hj為百葉式風(fēng)窗局部阻力，J；n為風(fēng)流入口端巷道斷面劃分單元個(gè)數(shù)，個(gè)；m為風(fēng)流出口端巷道斷面劃分單元個(gè)數(shù)，個(gè)；Vi、Vj為風(fēng)速，m/s；Pi、Pj為氣壓，Pa；ρi、ρj為風(fēng)流密度，kg/m3；Sl為風(fēng)流入口斷面面積，m2；Sk為風(fēng)流出口斷面面積，m2；Rj為百葉式風(fēng)窗局部風(fēng)阻，N·S2/m8。

由數(shù)值模擬得到巷道兩端靜壓值和動(dòng)壓值，利用式(2)和式(3)計(jì)算可得到百葉式風(fēng)窗局部風(fēng)阻值。風(fēng)窗開啟角度分別為30°、45°、60°、70°、90°時(shí)，對應(yīng)的風(fēng)窗開啟面積分別為0.33 m2、0.73 m2、1.26 m2、1.64 m2、2.50 m2，風(fēng)窗開啟面積保持一定時(shí)，設(shè)定風(fēng)窗的過風(fēng)量分別為7.5 m3/s、15.0 m3/s、22.5 m3/s、30.0 m3/s，根據(jù)百葉式風(fēng)窗局部風(fēng)阻計(jì)算公式求出百葉式風(fēng)窗不同過風(fēng)量時(shí)風(fēng)窗的局部風(fēng)阻。

由圖7可知，百葉式風(fēng)窗過風(fēng)量對其風(fēng)阻幾乎沒有影響，當(dāng)風(fēng)流處于紊亂狀態(tài)時(shí)，可以忽略百葉式風(fēng)窗過風(fēng)量對其局部風(fēng)阻的影響，決定百葉式風(fēng)窗局部風(fēng)阻是百葉式風(fēng)窗的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、開啟角度以及巷道特性。

由圖8可知，百葉式風(fēng)窗局部風(fēng)阻隨風(fēng)窗過風(fēng)面積增大而減小的規(guī)律極為明顯，利用Origin數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行非線性迭代擬合，式(4)為以風(fēng)窗過風(fēng)面積為自變量的百葉式風(fēng)窗局部風(fēng)阻計(jì)算公式，擬合度達(dá)到0.994。

r=a+bcs

(4)

式中：r為百葉式風(fēng)窗的局部風(fēng)阻，N·S2/m8；s為百葉式風(fēng)窗的總開啟面積，m2；a、b、c為擬合系數(shù)，其中a=0.070 29，b=-11.440 37，c=0.012 59。

將數(shù)據(jù)帶入式(4)可得到以風(fēng)窗開啟角度為自變量的百葉式風(fēng)窗局部風(fēng)阻計(jì)算公式，見式(5)。

(5)

由式(5)可知，百葉式風(fēng)窗局部風(fēng)阻隨風(fēng)窗過風(fēng)面積呈現(xiàn)指數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖7 百葉式風(fēng)窗局部風(fēng)阻模擬計(jì)算結(jié)果匯總表Fig.7 Summary of local wind resistance simulationcalculation results of louver

圖8 局部風(fēng)阻平均值Fig.8 Average value of local wind resistance

3 百葉式風(fēng)窗局部風(fēng)阻計(jì)算公式的誤差分析

為實(shí)現(xiàn)12309工作面風(fēng)量遠(yuǎn)程調(diào)控，百葉式自動(dòng)安裝風(fēng)窗在12309工作面回風(fēng)繞道，用于調(diào)控12309工作面的風(fēng)量。百葉式風(fēng)窗安裝位置如圖9所示。

調(diào)整百葉式風(fēng)窗的開啟角度分別為30°、45°、60°、70°、90°，對應(yīng)不同的百葉式風(fēng)窗開啟角度，分別測試風(fēng)窗的過風(fēng)量及風(fēng)窗兩側(cè)壓差。

利用單管傾斜微壓計(jì)實(shí)測了不同風(fēng)窗開啟角度下巷道兩端靜壓差，壓差測試所用儀器如圖10所示。為精確測量風(fēng)窗兩側(cè)靜壓差，測量時(shí)將傾斜壓差計(jì)放置于風(fēng)窗上風(fēng)側(cè)巷道約10 m處，傾斜壓差計(jì)“+”壓接頭上接2 m軟管，單管傾斜微壓計(jì)“+”壓接頭軟管連接皮托管并將皮托管置于巷道斷面中心區(qū)域，單管傾斜微壓計(jì)“-”壓接頭接60 m軟管，將軟管沿巷道底板鋪設(shè)至風(fēng)窗下風(fēng)側(cè)巷道約20 m處，傾斜壓差計(jì)“-”壓接頭軟管連接皮托管并將皮托管置于巷道斷面中心區(qū)域，利用皮托管和單管傾斜微壓計(jì)可提高測量精度，準(zhǔn)確測量百葉式風(fēng)窗前后壓差。

圖9 百葉式風(fēng)窗安裝位置Fig.9 Installation position of louver

圖10 風(fēng)窗壓差測試所用儀器Fig.10 Instrument used for air windowdifferential pressure test

在調(diào)節(jié)風(fēng)窗上風(fēng)側(cè)合適位置利用人工走線法測定風(fēng)窗所在巷道的風(fēng)量[10]，為盡量避免偶然誤差影響，在每個(gè)測試位置進(jìn)行人工測風(fēng)3次，確保每次測風(fēng)誤差要小于5%，3次測風(fēng)數(shù)據(jù)平均值計(jì)算風(fēng)量即為巷道風(fēng)量。

百葉式風(fēng)窗的開啟角度分別為30°、45°、60°、70°、90°時(shí)，風(fēng)窗開啟面積分別為0.34 m2、0.73 m2、1.25 m2、1.65 m2、2.50 m2，測試風(fēng)窗風(fēng)量及風(fēng)窗兩端壓差分別為見表2。

根據(jù)摩擦阻力定律，通過表2中測試的百葉式風(fēng)窗過風(fēng)量及風(fēng)窗兩側(cè)的壓差可計(jì)算得到風(fēng)窗局部風(fēng)阻實(shí)測值，根據(jù)式(5)結(jié)合百葉式風(fēng)窗不同開啟角度推導(dǎo)公式計(jì)算值，對百葉式風(fēng)窗在不同開啟角度下的實(shí)測風(fēng)阻值和公式計(jì)算風(fēng)阻值進(jìn)行對比統(tǒng)計(jì)，見表3。

表2 百葉式風(fēng)窗不同開啟角度對應(yīng)風(fēng)量及壓差Table 2 Air volume and pressure difference correspondingto different opening angles of louver

表3 實(shí)測風(fēng)阻與推導(dǎo)公式計(jì)算誤差統(tǒng)計(jì)Table 3 Error statistics of measured wind resistanceand derived formula

由表3可知，風(fēng)窗的開啟角度分別為30°、45°、60°、70°、90°時(shí)，實(shí)測風(fēng)窗局部風(fēng)阻分別為2.803 7 N·S2/m8、0.511 0 N·S2/m8、0.165 8 N·S2/m8、0.086 1 N·S2/m8、0.028 7 N·S2/m8，經(jīng)式(5)計(jì)算風(fēng)窗局部風(fēng)阻分別為2.714 4 N·S2/m8、0.523 9 N·S2/m8、0.163 8 N·S2/m8、0.087 0 N·S2/m8、0.027 2 N·S2/m8，實(shí)測與公式計(jì)算誤差分別為3.19%、2.52%、1.18%、0.97%、5.41%。由表3可知，實(shí)測結(jié)果與公式計(jì)算結(jié)果之間的相對誤差最大為5.72%，其中在30°、45°、60°和70°時(shí)的相對誤差均<5%，說明利用公式計(jì)算得到的百葉式風(fēng)窗局部風(fēng)阻值較為準(zhǔn)確，可用于指導(dǎo)百葉式風(fēng)窗現(xiàn)場調(diào)風(fēng)工作。

4 結(jié) 論

1) 當(dāng)風(fēng)流處于紊流狀態(tài)時(shí)，可以忽略風(fēng)窗過風(fēng)量對百葉式風(fēng)窗局部風(fēng)阻的影響，對百葉式風(fēng)窗局部風(fēng)阻起作用的是風(fēng)窗的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、開啟角度以及巷道特性。

2) 百葉式風(fēng)窗局部風(fēng)阻與風(fēng)窗過風(fēng)面積增大而減小的規(guī)律明顯，百葉式風(fēng)窗局部風(fēng)阻與風(fēng)窗過風(fēng)面積呈現(xiàn)指數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3) 通過模擬和現(xiàn)場實(shí)測，百葉式風(fēng)窗在不同開啟角度時(shí)，實(shí)測風(fēng)阻與公式計(jì)算風(fēng)阻最大誤差為5.72%， 在30°、 45°、 60°和70°時(shí)的相對誤差均<5%，利用公式計(jì)算得到的百葉式風(fēng)窗局部風(fēng)阻值較為準(zhǔn)確，可用于指導(dǎo)百葉式風(fēng)窗現(xiàn)場調(diào)風(fēng)工作。