風筒位置對掘進巷道流場影響的PIV實驗*

黃瀚儀，劉 劍，王 禹，王 東，張 昊

(1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 葫蘆島 125105；2.遼寧工程技術大學 礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 葫蘆島 125105)

0 引言

掘進巷道是獨頭巷道，不能利用貫穿風流通風，只能依靠局部通風設備將風流通過風筒送至工作面。由于巷道壁面及迎頭有限空間限制，通過風筒射向迎頭的風流會產生回流，流場狀態(tài)十分復雜[1]。掘進巷道的風流分布規(guī)律取決于風筒出口風速、風筒尺寸及風筒位置等因素。由于流體的自模性，風速達到一定數(shù)值以上時流體的流動狀態(tài)和流速分布不再發(fā)生變化，即在其他條件不變的情況下，風流分布規(guī)律主要由風筒距迎頭距離決定。因此，針對風筒距迎頭距離不同時的掘進巷道流場展開研究，掌握工作面風流分布規(guī)律，對防止粉塵和瓦斯的積聚，減少事故的發(fā)生具有重大意義。

掘進巷道的局部通風方式主要有壓入式、抽出式及混合式?；旌鲜酵L是壓入式和抽出式聯(lián)合作用，并兼有它們的優(yōu)點，通風效果顯著，應用廣泛[2]。目前關于掘進巷道流場的文獻主要集中于壓入式通風流場的研究[3-5]，而對于混合式通風流場的研究，多數(shù)學者只利用了數(shù)值模擬的方法。Geng等[6]、王開德等[7]通過CFD軟件得出了不同參數(shù)下混合式通風的流場規(guī)律及除塵效果。Parra等[8]利用數(shù)值模擬的方法得到了壓入式、抽出式和混合式3種通風方式的流場分布規(guī)律，并結合熱線風速儀對模擬結果進行了驗證。

由于數(shù)值模擬的方法往往會簡化邊界條件和材料屬性，不能完全反映實際情況，所得到的結果也具有隨機性，精度和可信度較低。因此，為準確地測量通風流場就必須通過實驗加以研究，礦用的風速傳感器多采用熱球、渦街、超聲波等感應原理，這些傳感器都存在測試精度低，反應不靈敏等問題。若要實現(xiàn)風速的精確測量，則應考慮井下風流是湍流這個根本事實[9]。激光多普勒測速儀(LDA)以及粒子圖像測速儀(PIV)的出現(xiàn)，對湍流流動的速度測量起到很大的推動作用。LDA是點測量方法，不能一次反映出流場的結構變化，而PIV實現(xiàn)了全流場的測量，能夠直觀地得到全場的瞬時流動信息[10]。國內學者劉劍等[11]、李雪冰等[12]、田瑞祥等[13]利用PIV得到了風窗巷道、突擴巷道、無風墻通風巷道等流場風流的湍流特性和結構分布特征，證實了PIV用于通風流場精確測量的合理性。

本文根據(jù)相似理論建立相似比為15∶1的掘進巷道實驗模型，利用PIV對混合式-前壓后抽式通風流場進行測量，得到壓、抽風筒距迎頭不同距離時的流場變化情況，可為今后的掘進通風流場的研究提供可靠的實驗依據(jù)。

1 實驗模型相似性分析

1.1 流動相似原理

在進行模型實驗的過程中，首先要滿足模型和實物的幾何相似，再使模型與實物的相似準則相等，即可滿足2個同類流體的流動相似[14]。

對于礦井風流的流動，起主要作用的只有黏性力、壓力與慣性，故可忽略其他作用力，只考慮雷諾準則或歐拉準則。但進行模型實驗的過程中，很難在實驗室的條件下實現(xiàn)模型與實物的雷諾數(shù)Re相等，而前人在研究中發(fā)現(xiàn)流體的流動中存在著“自模區(qū)”，這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為模型實驗帶來了極大的方便。

當流體Re小于第1臨界值時，流體處于層流區(qū)，此時的流速分布和流動狀態(tài)均不受Re影響，且彼此相似，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)稱為流體的“自模性”，通常稱該區(qū)域為“第一自模區(qū)”。當Re大于第1臨界值時，流體由層流向湍流轉變，處于不穩(wěn)定的過渡區(qū)，此時流速分布和流動狀態(tài)會隨著Re的增大而發(fā)生變化。當Re繼續(xù)增大超過第2臨界值時，此時的流體均處于湍流區(qū)，流動狀態(tài)和流速分布再次出現(xiàn)了不再變化且彼此相似的現(xiàn)象，此時流體所處區(qū)域常稱為“第二自模區(qū)”。當實物處于某一自模區(qū)時，保證模型也處于這一自模區(qū)，即使不需要滿足Re相等，通過模型實驗所得到的結果也可以應用到實物中。一般實際流動多為湍流流動，其Re可能遠大于第2臨界值。因此，進行模型實驗時，只要保證模型的Re大于第2臨界值，使其處于“第二自模區(qū)”，即可不必使模型與實物Re保持相等。

實驗表明，當流體流動進入“第二自模區(qū)”后，此時的歐拉數(shù)Eu不再發(fā)生變化。因此在實驗中，當Eu隨Re的增加不再變化時，此時的Re值為流動進入“第二自模區(qū)”的標志。

1.2 臨界風速的確定

以某礦井掘進工作面實際尺寸為研究背景，該工作面寬為4.5 m，高為3 m，壓、抽風筒直徑均為1 m。本文實驗PIV系統(tǒng)最佳拍攝范圍約0.45 m×0.5 m(長×寬)，從而確定實驗模型比例為15∶1，模型尺寸為1.5 m×0.3 m×0.2 m(長×寬×高)，風筒直徑0.066 m。由于實際測量不易操作、成本較高，且受干擾較大。本文利用Fluent軟件來確定實驗模型進入“第二自模區(qū)”的臨界雷諾數(shù)，分別建立100 m×4.5 m×3 m(長×寬×高)，風筒直徑1 m的實際巷道與相似比為15∶1的模型巷道。掘進巷道示意如圖1所示，通風方式采用前壓后抽式，實際巷道和實際風筒分別設置壁面粗糙高度為0.05和0.01 m，模型巷道和模型風筒壁面設置為光滑。在壓力、溫度保持一定的條件下，根據(jù)模擬結果計算得出巷道和風筒內的Re和Eu，繪制曲線，確定出巷道和風筒進入“第二自模區(qū)”的臨界雷諾數(shù)。

圖1 掘進巷道示意Fig.1 Schematic diagram of excavation roadway

根據(jù)模擬結果，分別對巷道和風筒內流體進行分析，利用式(1)、式(2)計算Re和Eu，得出Eu隨著Re增加的變化規(guī)律，如圖2～3所示。

圖2 巷道內流體Eu與Re的關系Fig.2 Relationship between Eu and Re of fluid in roadway

(1)

式中：V為流體的平均速度，m/s；S為巷道的斷面積，m2；U為巷道的周界，m；ν為流體的運動黏性系數(shù)，取礦井風流一般用值14.4×10-6m2/s。

(2)

式中：ΔP為巷道內2點的壓差，Pa；ρ為流體的密度，取1.29 kg/m3；V為流體的平均速度，m/s。

由圖2和圖3可以看出，在實際巷道中，實際巷道內流體進入“第二自模區(qū)”的臨界雷諾數(shù)為2×104，實際風筒的臨界雷諾數(shù)為1.5×105，即巷道內風速大于0.08 m/s，風筒內風速大于2.16 m/s時，Eu與Re無關，即流體進入“第二自模區(qū)”。一般情況下，實際掘進巷道內風速大于0.08 m/s，同時風筒內風速也大于2.16 m/s，因此，可以確定實際巷道內流體處于“第二自模區(qū)”。

圖3 風筒內流體Eu與Re的關系Fig.3 Relationship between Eu and Re of fluid in air duct

在模型巷道內，模型巷道的臨界雷諾數(shù)為1.1×104，模型風筒的臨界雷諾數(shù)為2×104，即滿足模型巷道內風速大于0.66 m/s的同時，保證風筒內風速大于4.36 m/s，即可保證模型巷道和風筒內流體均處于“第二自模區(qū)”，滿足與實際巷道流動相似的條件。

2 PIV實驗原理及過程

2.1 PIV原理及系統(tǒng)組成

PIV測速是1種瞬態(tài)流動速度場測速技術[15]，其工作原理是將一定量的示蹤粒子布撒在所測流場中，利用粒子運動速度來表示出粒子所在位置的流場速度。根據(jù)2次曝光時間間隔下的示蹤粒子移動距離，對所有點進行計算和統(tǒng)計平均，從而得到整個流場的流動狀態(tài)。

PIV系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要有成像系統(tǒng)、顯示分析系統(tǒng)和同步控制系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)為Dynamic Studio軟件，如圖4所示。

圖4 PIV系統(tǒng)組成Fig.4 Composition of PIV system

2.2 實驗參數(shù)及裝置

根據(jù)模擬結果，設定本文實驗模型的壓風筒風速6 m/s，抽風筒風速18 m/s，巷道內風速為0.68 m/s，使其流動進入“第二自模區(qū)”，滿足流動相似。對前壓后抽式通風流場進行二維測量，分別改變壓、抽風筒距巷道迎頭距離(如圖5，S為巷道模型斷面面積)，探究風筒位置對流場分布規(guī)律的影響。

圖5 風筒位置示意Fig.5 Schematic diagram of air duct position

實驗模型選用高透光性、低折射率的光滑亞克力板作為制作材料，如圖6所示。實驗裝置主要由PIV系統(tǒng)、實驗模型及通風動力裝置組成，如圖7所示。

圖6 實驗模型示意Fig.6 Schematic diagram of experimental model

圖7 實驗裝置示意Fig.7 Schematic diagram of experimental apparatus

2.3 實驗過程

瞬時流場圖片的采集和分析均在Dynamic Studio軟件操作平臺上處理。首先進行二維標定，之后在軟件操作平臺上輸入跨幀時間、采集頻率及拍攝數(shù)量，點擊Preview進行預覽調試。本次實驗Laser1和Laser2的激光強度均設置為10，可清晰看到拍攝區(qū)域的示蹤粒子。跨幀時間經式(3)計算和反復測試確定為1 000 μs。實驗頻率設置為5 Hz，即每0.2 s拍攝2幀圖像。調整合適后點擊Stop，準備開始實驗數(shù)據(jù)的采集。

(3)

式中：Δt為跨幀時間，μs；Δx為判讀區(qū)距離的25%，pixel；M為每個像素的實際距離，μm/pixel；V為判讀區(qū)中心平均風速，m/s。

采集拍攝后，利用軟件中Image Stitch功能將測試所得到2組圖像進行拼接，分析得到100張瞬態(tài)流場矢量圖后，經Vector Statistics功能對瞬態(tài)圖像進行統(tǒng)計平均，得到1張時均流場矢量圖。實驗所得的瞬態(tài)圖像和時均圖像利用Tecplot軟件進行分析處理，即可得到瞬態(tài)和時均的流場速度分布。

3 實驗結果與分析

3.1 抽風筒位置對流場的影響

由圖8(a)可看出，風流以射流的形式從壓風筒出口流出，此時壓風筒距迎頭的距離在壓風流的有效射程之內，可吹散迎頭端面的瓦斯和粉塵。風流觸碰到迎頭端面之后貼附壁面流動，由于壓風筒與巷道壁面存在間距，迎頭的隅角處出現(xiàn)了1個小渦流，大部分風流沿著迎頭端面流動形成沖擊射流附壁區(qū)。在回風側，回流區(qū)的小部分風流被卷吸到射流區(qū)，在距迎頭約50 mm處形成一處渦流區(qū)。大部分回流向巷道后方流動，經抽風筒流出工作面。由于抽風筒抽出的風量大于壓風筒壓入的風量，致使巷道末端的風流向抽風筒入口流動，與回流區(qū)的風流共同作用下，在抽風筒入口附近形成了1道風幕，避免了瓦斯和粉塵流向巷道。

圖8 抽風筒入口距迎頭不同距離流線Fig.8 Flow lines under different distances between inlet of pumping air duct and head

3.2 壓風筒位置對流場的影響

圖9 壓風筒出口距迎頭不同距離流線Fig.9 Flow lines under different distances between outlet of pressing air duct and head

4 結論

1)進行實驗時，保證實驗模型內流體的雷諾數(shù)大于第2臨界值，使其流動進入“第二自模區(qū)”，滿足與實際流動相似的條件，結合非接觸式測量技術PIV，所得實驗結果可以相似地反映出實際巷道流場特征。