巷道交叉對風流穩(wěn)定影響的模擬分析

蘇相立

（廣西工業(yè)設計研究院有限公司）

礦井通風系統(tǒng)是礦山生產(chǎn)重要系統(tǒng)之一，其將新鮮風流送至礦井，并將井下生產(chǎn)污風排至地表，保障井下生產(chǎn)及作業(yè)人員的用風需求，確保生產(chǎn)安全［1-4］。而礦山井下條件復雜，存在大量交叉、轉(zhuǎn)彎等相對復雜巷道通風條件，風流作為一種流體，在巷道運動的過程中，受巷道的影響較大［6-7］，在巷道條件變化處，風流原本的穩(wěn)定狀態(tài)被打破，重新進入一種紊亂的狀態(tài)，這種紊亂狀態(tài)會對實際通風系統(tǒng)測定的準確性產(chǎn)生影響［8-11］。巷道交叉是井下常見巷道形式，此次研究計劃采用流體模擬軟件Fluent對十字交叉巷道條件下的風流變化進行模擬分析［12-13］，分析巷道交叉時風流的改變情況，為準確進行通風監(jiān)測提供相應的理論指導。

1 數(shù)值模擬計算方法

采用Fluent軟件對風流進行數(shù)值模擬，在計算求解的過程中，遵循動量和質(zhì)量守恒基本原理［14-15］，其守恒方程可表示為

式中，Sm為分散相的質(zhì)量，kg/m2；ρ 表示流體的密度，kg/m3；t 分散相流體的時間參數(shù)，s；νˉ表示流體的相對平均速度，m/s。

式（1）為質(zhì)量守恒的一般通用表示，并且可用于多種不同類型的壓縮流動中。

對2D 的對稱形式，其對應方程可用式（2）來表示：

式中，t 為對應時間參數(shù)，s；x為軸向的坐標；vx為軸向的速度，m/s；r 為徑向的坐標；vr為徑向的速度m/s；ρ為流體的密度，kg/m3；Sm為分散相的質(zhì)量，kg/m2。

對應動量守恒方程，表示如下式：

2 巷道交叉Fluent模擬

2.1 模型建立

本次針對巷道十字交叉風流模擬，具體模型采用ANSYS軟件附帶軟件包ICEM建立［16］，建立模型為2D 巷道十字交叉模型，巷道交叉模型中巷道十字交叉的入風口長15 m，為保證風流能充分發(fā)展，十字交叉巷道單邊距離交叉口長度設置為30 m，巷道寬度設置為2.7 m，所有巷道的水力直徑統(tǒng)一設置為0.7 m，具體模型及參數(shù)見圖1。

根據(jù)上述十字交叉巷道模型基本參數(shù)，利用ICEM 建立二維Fluent 的仿真模型，并將建立的模型進行網(wǎng)格劃分，見圖2。

模型中劃分網(wǎng)格最大面積為0.172 m2，最小面積為4.72×10-3m2，模型網(wǎng)格劃分整體均勻，尺寸較為合理。將所劃分好的網(wǎng)格模型導入Fluent 2D 中，并進行初始檢測，完畢后對模型設定相應的邊界條件，根據(jù)研究分析需要，設置風流從右側(cè)巷道進入巷道，經(jīng)十字交叉口分風至各分支巷道?？紤]風速（風量）對交叉時風流的影響，分別對多種風速條件下進行模擬分析，本次設定風速條件分別為1 m/s，3 m/s，13 m/s，模型巷道表面的粗糙度均設置為0.1 m。各邊界條件設置完畢，對模型進行初始化后開始數(shù)值模擬計算［17］。

2.2 數(shù)值模擬

Fluent 中對構(gòu)造模型邊界條件設置完畢后，進行初始化并計算，在設置入風口風速為1 m/s時，風流在巷道十字交叉條件下模擬的風流分布云圖見圖3，對應的靜壓變化云圖見圖4。

調(diào)整模型入風口風速邊界條件為3m/s，模型其它的邊界條件保持不變，重新初始化并對模型進行模擬計算，具體風流分布云圖及對應靜壓變化云圖見圖5和圖6。

最后，再重新調(diào)整模型入風口風速至高風速條件13m/s，并保持其他邊界條件不變，初始化并重新模擬計算，得出入風口風速為13m/s 時相對應的風流分布云圖及靜壓變化云圖見圖7和圖8。

2.3 模擬分析

2.3.1 巷道十字交叉對風流影響

以中間風速3m/s 條件下模擬為例，對巷道十字交叉條件的風流影響進行分析，從圖5中的3m/s時巷道十字交叉風流分布云圖分析如下：

（1）風流入口巷道左側(cè)風流分布相對均勻，在靠近巷道交叉處時，巷道風流向巷道中心聚集，即巷道中心風速大，靠近巷道邊壁風流變小。

（2）入風端巷道風流在經(jīng)過巷道交叉口時，在分支長度相等的條件下（即各分支巷道沿程阻力相同），風流與入風端風流流向方向一致的巷道風流更易達到穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）入風段巷道風流經(jīng)過交叉巷道向與原風流方向垂直方向運動時，風流會出現(xiàn)明顯擾動，從圖5可看出，風流在經(jīng)過交叉點后向與原巷道垂直方向運動時，在靠近入風端側(cè)的巷道壁會出現(xiàn)明顯的風流真空區(qū)域，即該區(qū)域風速極小，風流在巷道交叉轉(zhuǎn)彎后靠近入風端的一側(cè)巷道，風速在0.3m/s 以下；相對的靠近另一側(cè)巷道的風速則出現(xiàn)明顯的升高，風速值約為3.4m/s。

（4）從風速3m/s 時的靜壓變化云圖來看，在巷道十字交叉處，靜壓出現(xiàn)負值，其范圍在-2.17～-0.67 Pa，這也對應上述風流在經(jīng)過交叉點后向與原巷道垂直方向運動，一側(cè)風流流速極低，另一側(cè)風速相對更高的現(xiàn)象。

2.3.2 不同風速條件巷道十字交叉對風流影響

分別分析圖3～圖8 巷道入風端風速為1 m/s、3 m/s 和13 m/s 時的風流分布云圖及靜壓云圖，縱向?qū)Ρ雀髟茍D不同風速時風流經(jīng)過巷道十字交叉時的形態(tài)，巷道中風流的分布形態(tài)基本一致，區(qū)別僅在于風流在流速上的數(shù)值差異，對比各不同風速條件下的各靜壓云圖，其形態(tài)也基本一致。由此可看出，風速大小的變化對風流經(jīng)過十字交叉巷道時對風流的擾動影響，不起決定性作用，即入風端的風速大小對風流經(jīng)過巷道十字交叉時的風流分布無明顯影響。

2.3.3 巷道十字交叉對風流擾動距離分析

根據(jù)對不同風速條件巷道十字交叉對風流影響可知，風速大小對風流經(jīng)過十字交叉巷道時對風流的擾動無明顯影響，可認為不同風速巷道十字交叉對風流擾動距離可統(tǒng)一分析，產(chǎn)生擾動距離從風流穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生變化開始計算，至受擾動后風流重新形成穩(wěn)定狀態(tài)的距離，即需對巷道十字交叉模擬結(jié)果中風流分布變化狀況進行觀察，測量風流分布實際變化的距離（以Fluent模擬結(jié)果的距離標尺為參考距離標識進行測量），可得到具體的巷道十字交叉對風流擾動的實際的距離。使用上述方法，結(jié)合入風端風速為1 m/s、3 m/s 和13 m/s 條件下的風流分布云圖及靜壓云圖，分析巷道交叉對各分支巷道影響距離。

（1）以風速為1 m/s 巷道交叉模擬云圖為例，對巷道十字交叉入風端風流擾動距離進行分析，可見入風端風流在巷道中穩(wěn)定流動，在靠近巷道十字交叉位置約7 m 處時，巷道風流呈現(xiàn)出向巷道中心集中的現(xiàn)象（巷道中心風速逐漸變大，巷道兩側(cè)邊壁風速變?。达L流在此處已經(jīng)產(chǎn)生明顯的擾動，因此，確定入風側(cè)巷道十字交叉對風流穩(wěn)定的距離為7 m。

（2）從圖3、圖5 和圖7 中3 種風速條件下風流分布云圖分析，巷道中的風流在經(jīng)過十字交叉口后，呈現(xiàn)出圓錐形進入右側(cè)巷道，即巷道中的中心風速稍大，風流經(jīng)過一段距離后不斷向巷道兩側(cè)發(fā)展，逐漸平衡，重新達到新的風流穩(wěn)定狀態(tài)，達到新穩(wěn)定狀態(tài)的距離約4 m，確定風流經(jīng)過十字交叉巷道后，受交叉點的影響距離為4 m，此處受影響距離相對較短，也應與其與入風側(cè)的方向一致性有關。

（3）巷道風流經(jīng)過十字交叉點，進入與巷道風流相垂直的交叉巷道，由于此十字交叉巷道具有上下對稱性，模型模擬的十字交叉巷道的上下部分巷道完全一致，其風流分布也是完全對稱的，因此，可以取各風速條件下風流云圖中位于交叉點上部的風流巷道的分布進行分析研究，觀察各風速條件下的風流分布云圖，入風端風流在經(jīng)過交叉點后與原巷道垂直方向運動時，在貼進入風端巷道這側(cè)，巷道壁在距離交叉點處受擾動形成一處風流流場真空區(qū)，風速極小，靠近巷道的另一側(cè)則呈現(xiàn)出高速的射流狀態(tài)，受巷道十字交叉影響，巷道兩側(cè)受擾動風流呈現(xiàn)出橢弧狀，逐漸擴散，并形成新的平衡狀態(tài)，十字交叉巷道中與入風端巷道垂直的風流受擾動影響的距離最遠，也最大，巷道交叉口處風流分布極不均勻。經(jīng)模擬風流分布云圖結(jié)果對照分析，此種對風流擾動的影響距離約為20 m，這種影響距離較其他2種分支影響距離更遠，分析主要原因為風流在通過該分支時經(jīng)過轉(zhuǎn)彎，風流局部阻力大且不均，造成風流擾動更劇烈，重新達到平衡所需要的距離也更長。

3 結(jié) 語

（1）巷道十字交叉對各巷道風流分布均有影響，風流入風端在靠近巷道交叉口時，會出現(xiàn)中心風速變大，兩側(cè)風速變小的現(xiàn)象，經(jīng)過巷道交叉口且入風端巷道方向一致的巷道風流受擾動距離最小，與入風端垂直交叉的巷道受擾動最大，且呈現(xiàn)出風流分布極不均勻的現(xiàn)象，即靠近轉(zhuǎn)彎側(cè)巷道側(cè)風速極小，另一側(cè)風速相對較大的現(xiàn)象。

（2）改變不同風速條件時，巷道交叉對風流的實際流場擾動影響不明顯，入風端的風速大小對風流經(jīng)過巷道十字交叉時的風流分布無明顯影響。

（3）巷道十字交叉對各交叉巷道風流擾動距離具有差異性，入風端巷道風流擾動距離為距交叉口7 m；與入風端巷道一致的交叉口右側(cè)的巷道風流受擾動距離最小，僅為4 m；與入風端巷道垂直的巷道風流受擾動影響的距離最大，也最遠，約為20 m。

（4）在礦井通風系統(tǒng)測定或監(jiān)測時，可參照該模擬研究結(jié)果，布點應盡量避免設置在受巷道交叉對風流產(chǎn)生影響的范圍內(nèi)。