百葉式全斷面遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)風(fēng)窗風(fēng)流場(chǎng)特征及優(yōu)化

摘"要：為了解決煤礦井下傳統(tǒng)百葉式調(diào)節(jié)風(fēng)窗調(diào)控范圍窄、精度差等問(wèn)題，本文提出了一種對(duì)稱(chēng)式線性面積調(diào)控方法，即相鄰百葉風(fēng)窗相向動(dòng)作，以改善調(diào)控角度與風(fēng)阻之間的線性關(guān)系。采用Fluent軟件仿真模擬了百葉風(fēng)窗在對(duì)稱(chēng)式和同側(cè)式兩種開(kāi)啟方式下的風(fēng)流場(chǎng)分布規(guī)律，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，建立了兩種方式下的風(fēng)窗調(diào)控角度與風(fēng)阻的關(guān)系曲線。研究表明：對(duì)稱(chēng)式調(diào)節(jié)方式下風(fēng)流均匯聚于巷道中央?yún)^(qū)域，同側(cè)式調(diào)節(jié)方式下風(fēng)流匯聚于頂板區(qū)域；對(duì)稱(chēng)式調(diào)節(jié)方式下具備全調(diào)控角度內(nèi)的均勻調(diào)控特征，并改善了風(fēng)流場(chǎng)的分布。

關(guān)鍵詞：智能通風(fēng)；遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)；風(fēng)窗；Fluent；風(fēng)流分布場(chǎng)

煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)是確保煤礦安全生產(chǎn)的重要保障，也構(gòu)成了“一通三防”工作的基礎(chǔ)之一［1］。只有將井下有毒有害氣體排出，這樣才能保證井下工作人員的呼吸質(zhì)量，進(jìn)而順利完成井下作業(yè)。在實(shí)際生產(chǎn)中，許多煤礦的井下通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)量中不考慮實(shí)際情況完全依靠經(jīng)驗(yàn)主義［2］，因此，不免會(huì)造成部分巷道風(fēng)量調(diào)節(jié)不及時(shí)或者風(fēng)速測(cè)量發(fā)生錯(cuò)誤導(dǎo)致風(fēng)量不夠，甚至埋下安全隱患。對(duì)這些問(wèn)題急需進(jìn)行進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，以提高通風(fēng)系統(tǒng)的整體有效性，確保在關(guān)鍵時(shí)刻發(fā)揮關(guān)鍵作用［3］。

1"智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗系統(tǒng)及工作原理

1.1"智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.1"智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗結(jié)構(gòu)

百葉式風(fēng)窗主要由風(fēng)窗支撐框架、氣動(dòng)馬達(dá)、百葉式風(fēng)窗葉片三個(gè)部分組成。風(fēng)窗支撐框架呈長(zhǎng)方形，高度為3400mm，寬度為4200mm，不僅起到支撐起風(fēng)窗及氣動(dòng)馬達(dá)的作用，也起到保護(hù)智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗的作用。智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗通風(fēng)高度3280mm，通風(fēng)寬度為1785mm。在框架內(nèi)部，有9道隔板等距離地布置，形成了9個(gè)通風(fēng)通道，設(shè)有兩列共計(jì)18個(gè)通風(fēng)通道，每個(gè)通道內(nèi)安裝著1個(gè)風(fēng)窗葉片。通過(guò)電控箱設(shè)置調(diào)節(jié)角度，進(jìn)而電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)風(fēng)窗葉片，可以改變通風(fēng)通道的通風(fēng)面積。

1.1.2"風(fēng)窗葉片運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)

本次實(shí)驗(yàn)相較于同側(cè)式開(kāi)啟方式做了創(chuàng)新，選用對(duì)稱(chēng)式開(kāi)啟方式即兩個(gè)或多個(gè)扇葉以相同的方向和速度旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，具體描述如下。

（1）結(jié)構(gòu)機(jī)制：風(fēng)窗通常由一個(gè)中心軸和連接在中心軸上的多個(gè)扇葉組成。每個(gè)扇葉都有自己的軸心，通過(guò)軸心與中心軸相連，使得中心軸能夠驅(qū)動(dòng)所有扇葉同時(shí)旋轉(zhuǎn)。（2）運(yùn)動(dòng)方向：當(dāng)風(fēng)窗啟動(dòng)時(shí)，所有扇葉按照相同的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。通常情況下，扇葉的旋轉(zhuǎn)方向是逆時(shí)針或順時(shí)針，取決于設(shè)備設(shè)計(jì)和要求。（3）協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)：為了確保扇葉之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，需要對(duì)每個(gè)扇葉的軸心位置和尺寸進(jìn)行精確設(shè)計(jì)和制造。

1.2"系統(tǒng)工作原理

煤礦智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗系統(tǒng)是礦井通風(fēng)系統(tǒng)的一部分，用于控制和調(diào)節(jié)煤礦井下的通風(fēng)風(fēng)量和風(fēng)向，以確保礦工的安全和礦井的正常運(yùn)營(yíng)。系統(tǒng)通常配備了多種傳感器，用于監(jiān)測(cè)煤礦井下的空氣質(zhì)量、氧氣濃度、有害氣體濃度、煙霧等參數(shù)。這些傳感器收集數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)作為智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗核心，通常是一個(gè)計(jì)算機(jī)化的系統(tǒng)，可以自動(dòng)或手動(dòng)控制風(fēng)窗的狀態(tài)。這個(gè)系統(tǒng)根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的參數(shù)來(lái)做出決策。

另外，控制策略根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)定的目標(biāo)，控制系統(tǒng)會(huì)制定調(diào)節(jié)策略。

2"調(diào)節(jié)風(fēng)窗仿真模擬及結(jié)果分析

2.1"數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）的三大理論基礎(chǔ)分別是質(zhì)量守恒方程、動(dòng)能守恒方程、能量守恒方程。

2.1.1"質(zhì)量守恒連續(xù)性方程

ρt+（ρu）x+（ρv）y+（ρw）z=0（1）

引入矢量符號(hào)：

div（a）=axx+ayy+azz（2）

將式（2）代入式（1）中得到：

ρt+div（ρu→）=0（3）

其中：ρ是密度，t是時(shí)間，u→是速度矢量，u、v和w是速度矢量u→在x、y和z方向上的分量。

當(dāng)流體為不可壓時(shí)，密度ρ為常數(shù)，即可以得出：

ux+vy+wz=0（4）

對(duì)于調(diào)節(jié)風(fēng)窗所在巷道，開(kāi)展風(fēng)流場(chǎng)仿真研究，氣流運(yùn)動(dòng)的基本控制方程為Reynolds方程，包括連續(xù)性方程、納維斯托克斯方程及標(biāo)準(zhǔn)的kε模型方程。

2.1.2"標(biāo)準(zhǔn)的kε模型方程

標(biāo)準(zhǔn)kε模型的湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程（k方程）和湍流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率方程（ε方程）形式分別如下：

xi（ρvik）=-xiμiσkεxi-ρε

xi（ρviε）=-xiμiσεεxi-c1ρεεk（5）

式中：vi為速度分量（x、y、z方向分別為i=1、2、3）（m/s）；μi為湍流動(dòng)力黏性系數(shù)（Pa·s）；σk和σε是k方程和ε方程的湍流Prandal數(shù)。

2.2"調(diào)節(jié)風(fēng)窗所在巷道風(fēng)流場(chǎng)分布規(guī)律

為了研究百葉式智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗調(diào)節(jié)對(duì)巷道風(fēng)流場(chǎng)的影響，運(yùn)用Fluent仿真軟件，模擬采用同側(cè)式與對(duì)稱(chēng)式調(diào)節(jié)百葉式全斷面調(diào)節(jié)風(fēng)窗在不同調(diào)節(jié)角度下對(duì)巷道風(fēng)流場(chǎng)的影響；根據(jù)設(shè)計(jì)的百葉窗尺寸與實(shí)際巷道的尺寸以及百葉窗在巷道的位置關(guān)系進(jìn)行模型建立，模型中風(fēng)窗安裝在50m巷道中的中間位置。風(fēng)流邊界條件為巷道一端進(jìn)風(fēng)，一端出風(fēng)。風(fēng)窗寬度為0.65m，高度為0.2m，厚度為0.025m。

在模型建立完成后，將其導(dǎo)入Fluent軟件作為模擬模型。設(shè)定入口風(fēng)量為2000m3/min，算得入口風(fēng)速約為2.3m/s，設(shè)置z=2的切片，將風(fēng)窗開(kāi)合度調(diào)整為10°、30°、45°、60°所得速度矢量云圖，如圖1所示。

由圖1（a）可知，風(fēng)流由于被風(fēng)窗阻擋，有極少部分的風(fēng)通過(guò)風(fēng)窗，風(fēng)窗后巷道整個(gè)風(fēng)流場(chǎng)較為均勻；開(kāi)啟風(fēng)窗角度到30°，在風(fēng)通過(guò)風(fēng)窗后風(fēng)速依然發(fā)生了較大改變，形成了一股高速射流，對(duì)風(fēng)窗后方有較大風(fēng)流擾動(dòng)；當(dāng)風(fēng)窗開(kāi)合度為60°時(shí)，可以從速度分布圖看到風(fēng)速在風(fēng)窗后也有升高，能夠?qū)︼L(fēng)窗后方更遠(yuǎn)的距離產(chǎn)生影響，從縱向看呈現(xiàn)巷道頂板向地面風(fēng)速逐漸減小的趨勢(shì)。

由圖1（b）可知，隨著開(kāi)啟角度增大，風(fēng)窗后方風(fēng)流逐漸劇烈，對(duì)巷道風(fēng)流場(chǎng)的影響越來(lái)越大，采用對(duì)稱(chēng)式開(kāi)啟方式，風(fēng)在進(jìn)過(guò)風(fēng)窗后聚集巷道中央?yún)^(qū)域；在風(fēng)窗后方呈現(xiàn)中央風(fēng)速大，向兩邊風(fēng)速減小的趨勢(shì)。

2.3"調(diào)節(jié)方式對(duì)風(fēng)窗過(guò)風(fēng)面積的影響

采用不同調(diào)節(jié)方式所得到的風(fēng)窗過(guò)風(fēng)面積是不同的，本次實(shí)驗(yàn)以同側(cè)式與對(duì)稱(chēng)式風(fēng)窗為研究對(duì)象計(jì)算了兩種調(diào)節(jié)方式下的通風(fēng)面積，并將兩者進(jìn)行對(duì)比。同側(cè)式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗過(guò)風(fēng)面積為：

S=nl（b-bcosθ）（6）

對(duì)稱(chēng)式遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗過(guò)風(fēng)面積為：

S=n2l（b-bcosθ）+n2lbsinθ（7）

式中n為百葉窗扇葉個(gè)數(shù)；l為扇葉長(zhǎng)度（m）；b為單個(gè)扇葉寬度（m）；θ為風(fēng)窗開(kāi)啟角度（°）。

利用Origin軟件做出在不同開(kāi)度下的過(guò)風(fēng)面積曲線。

由圖2中可以看出風(fēng)窗開(kāi)啟角度在0～90°范圍內(nèi)，采用同側(cè)式調(diào)節(jié)方式下風(fēng)窗葉片與風(fēng)窗過(guò)風(fēng)面積呈現(xiàn)接近指數(shù)關(guān)系，采用對(duì)稱(chēng)式調(diào)節(jié)方式接近線性關(guān)系，較同側(cè)式平滑；在使用智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗進(jìn)行調(diào)節(jié)風(fēng)窗過(guò)風(fēng)面積時(shí)，采用對(duì)稱(chēng)式調(diào)節(jié)相較于同側(cè)式可以更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)調(diào)控。

2.4"調(diào)節(jié)方式對(duì)風(fēng)窗風(fēng)阻的影響

求出不同調(diào)節(jié)方式下風(fēng)窗風(fēng)阻并擬合出與風(fēng)窗開(kāi)啟角度的關(guān)系。

從圖3曲線變化趨勢(shì)可以看出，在采用同側(cè)式與對(duì)稱(chēng)式調(diào)節(jié)兩種方式下智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗風(fēng)阻均隨著風(fēng)窗開(kāi)啟度數(shù)的增加而減?。徊捎猛瑐?cè)式與對(duì)稱(chēng)式兩種調(diào)節(jié)方式下，風(fēng)窗風(fēng)阻與風(fēng)窗葉片角度變化曲線均接近指數(shù)函數(shù)；當(dāng)風(fēng)窗開(kāi)啟到0～30°、采用同側(cè)式調(diào)節(jié)方式時(shí)，風(fēng)窗風(fēng)阻變化較為明顯且風(fēng)窗風(fēng)阻較大，不利于有效調(diào)控巷道風(fēng)量；當(dāng)采用對(duì)稱(chēng)式調(diào)節(jié)風(fēng)窗風(fēng)阻變化較為均勻且風(fēng)窗風(fēng)阻較小時(shí)，有利于均勻調(diào)控風(fēng)量，采用對(duì)稱(chēng)式擴(kuò)大了調(diào)節(jié)風(fēng)窗風(fēng)阻有效可調(diào)控范圍；當(dāng)風(fēng)窗開(kāi)啟到45°～90°時(shí)，兩者風(fēng)阻曲線隨著角度增加而接近90°時(shí)，曲線重合風(fēng)窗風(fēng)阻相同。

3"調(diào)節(jié)風(fēng)窗局部阻力測(cè)定

本次全斷面調(diào)節(jié)風(fēng)窗實(shí)際測(cè)試采用礦用多功能參數(shù)儀器測(cè)量風(fēng)窗前后約5m位置壓差，將多功能參數(shù)儀的“-”端接到膠管上，膠管另一端“+”伸到風(fēng)窗另一側(cè)3～5m；膠管插上和拔下各記錄一次讀數(shù)；采用手持風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)窗后約10m位置風(fēng)速，測(cè)試方法為：從90°開(kāi)始依次減小，用風(fēng)速儀測(cè)量巷道左中右三個(gè)位置風(fēng)速，記錄3次；然后等待10s，壓差數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄壓差數(shù)據(jù)和多功能參數(shù)儀數(shù)據(jù)。

將所測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，可算出采用對(duì)稱(chēng)式全斷面調(diào)節(jié)風(fēng)窗的風(fēng)阻調(diào)控曲線如圖4所示。

通過(guò)實(shí)際測(cè)試可以看出，全斷面智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗在采用對(duì)稱(chēng)式調(diào)節(jié)方式后，風(fēng)窗風(fēng)阻與風(fēng)窗葉片角度變化曲線接近指數(shù)；隨著開(kāi)啟程度加大，風(fēng)窗風(fēng)阻逐漸變小，達(dá)到100%開(kāi)啟程度即開(kāi)度為90°時(shí)，風(fēng)窗風(fēng)阻最小，可以達(dá)到最大通風(fēng)量。

4"結(jié)論

（1）百葉式遠(yuǎn)程全斷面調(diào)節(jié)風(fēng)窗可以實(shí)現(xiàn)巷道風(fēng)阻的改變，從而改變整個(gè)巷道的風(fēng)流場(chǎng)。通過(guò)Fluent數(shù)值模擬方法，分別模擬了采用同側(cè)式與對(duì)稱(chēng)式在不同開(kāi)啟角度條件下風(fēng)流場(chǎng)的分布情況，然后與調(diào)節(jié)風(fēng)窗實(shí)際測(cè)定進(jìn)行對(duì)比分析。發(fā)現(xiàn)模擬值和實(shí)際測(cè)定值整體趨勢(shì)一致，模擬結(jié)果說(shuō)明百葉式遠(yuǎn)程全斷面調(diào)節(jié)風(fēng)窗采用同側(cè)式調(diào)節(jié)風(fēng)流均匯聚于巷道頂板，采用對(duì)稱(chēng)式調(diào)節(jié)風(fēng)流匯聚于巷道中央?yún)^(qū)域。

（2）本文對(duì)風(fēng)窗調(diào)節(jié)角度對(duì)巷道風(fēng)阻的影響以及開(kāi)口面積對(duì)巷道風(fēng)流場(chǎng)的影響進(jìn)行了可視化研究，運(yùn)用仿真軟件模擬得到了在智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗不同角度下對(duì)巷道風(fēng)流場(chǎng)以及巷道風(fēng)阻影響的相關(guān)結(jié)論。結(jié)果表明全斷面智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗在采用同側(cè)式調(diào)節(jié)情況下風(fēng)流匯聚于巷道頂板，當(dāng)風(fēng)窗葉片旋轉(zhuǎn)角度為0～30°時(shí)，風(fēng)窗對(duì)巷道風(fēng)流場(chǎng)影響較大，巷道風(fēng)阻調(diào)控較為明顯。此時(shí)，風(fēng)窗開(kāi)啟角度是影響智能調(diào)節(jié)風(fēng)窗局部風(fēng)阻的主要原因。

（3）本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試了對(duì)稱(chēng)式全斷面調(diào)節(jié)風(fēng)窗的通風(fēng)性能，通過(guò)實(shí)際測(cè)試與仿真對(duì)比驗(yàn)證了其仿真的準(zhǔn)確性，并得出了較為平滑的風(fēng)窗調(diào)控曲線，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控并用于指導(dǎo)煤礦生產(chǎn)工作。

參考文獻(xiàn)：

［1］ZUO"S，ZHANG"L，DENG"K.Experimental"Study"on"Gas"Adsorption"and"Drainage"of"Gasbearing"Coal"Subjected"to"Treetype"Hydraulic"Fracturing［J］.Energy"Reports，2022，8：649660.

［2］秦鵬.礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠性與預(yù)警機(jī)制及其動(dòng)力學(xué)研究［J］.礦業(yè)裝備，2020（04）：168169.

［3］WANG"K，JIANG"S，MA"X，et"al.An"Automatic"Approach"for"the"Control"of"the"Airflow"Volume"and"Concentrations"of"Hazardous"Gases"in"Coal"Mine"Galleries［J］.Journal"of"Loss"Prevention"in"the"Process"Industries，2016，43：676687.

作者簡(jiǎn)介：楚浩東（1998—"），男，漢族，河北張家口人，碩士在讀，研究方向：作業(yè)空間安全預(yù)警與防護(hù)。