COSMOS Flo Works在礦井通風系統可視化仿真中的應用

舒 才,郁鐘銘

(1.貴州大學礦業學院, 貴州貴陽 550003;2.貴州民族學院, 貴州貴陽 550025)

COSMOS Flo Works在礦井通風系統可視化仿真中的應用

舒 才1,郁鐘銘2

(1.貴州大學礦業學院, 貴州貴陽 550003;2.貴州民族學院, 貴州貴陽 550025)

利用三維 CAD軟件 Solid Works,在相似性原理的基礎上,對組成礦井通風系統的巷道和設施進行三維建模,采用其插件 COSMOS Flo Works對建立的礦井通風系統模型進行流體仿真,從而間接實現對實際礦井通風的可視化仿真模擬,以確定通風系統的可靠性,同時確定相關參數。以某小型煤礦的初期開采利用方案為實例,對該礦井設計的通風系統進行了仿真模擬,并與傳統設計計算方法得出的結論進行了比較,結果相差不到5%,驗證了該方法在礦井通風系統可視化仿真中的可行性。

通風系統;可視化仿真;COSMOS Flo Works;建模

礦井通風系統很難制出實物模型進行試驗,本文利用三維建模軟件 Solid Works構建通風系統模型代替在現實中難以制造的實體模型,再利用 Solid-Works內置的流體分析插件 COSMOS Flo Works,對模型進行流體模擬代替實際中對模型進行的試驗,再利用相似性原理將結果轉換到實物上去。

1 礦井概況

用于仿真的礦井為貴州省大方縣某煤礦,該礦為新建礦井,設計生產能力為 9萬 t/a,采煤工藝為炮采,礦井設計有 3條井筒(主、副斜井,回風斜井),兩個掘進面和一個回采面,設計工作面所需風量為 6.77m3/s,計算的回風斜井總回風量為 22 m3/s,設計取回采工作面絕對瓦斯涌出量為 2.2 m3/min,掘進工作面絕對瓦斯涌出量 0.45m3/min,采用抽出式通風。主副斜井、回風斜井巷道斷面為半圓拱,面積 7.8m2,其余巷道均為梯形,面積 4.4 m2。僅井底聯絡巷有調節風窗。本仿真的目的是確定該礦井初期開采時所設計的通風系統是否可以達到預期的目的(工作面風量為 6.77m3/s),同時大概確定該系統井底聯絡巷調節風窗的大小。

2 解決問題的思路及步驟

COSMOS軟件是美國 SRAC公司的產品,它采用舉世矚目的 FFE(快速有限元法)算法,具有計算速度快、解題時占用磁盤空間少、使用方便、分析功能全面、與其他 CAD/CAE軟件集成性好等突出優點[1]。本文先根據設計的巷道數據,按照一定的比例對巷道系統進行三維建模,之后再由 COSMOS Flo Works創建流體分析工程,根據設計使用的參數數據進行邊界條件的設置,優化網格,設定目標,運行求解。分析比較結果,根據相似性系數得到原型參數。

2.1 建模

2.1.1 巷道系統的建模

該礦井初期設計最長巷道范圍在 1km左右,為建模方便,決定采用幾何相似系數 K1=1000來對該礦井進行建模,省略井底水倉及水泵房,以簡化模型。利用 Solid Works的掃描、拉伸、放樣等命令進行建模[2]。

由幾何相似的性質可知面積相似系數 Ks==106;體積相似系數 Kv==109;周長相似性系數KU=K1=1000,由壓力相似原理(歐拉數相等)[3]:

式中:△P為流場中兩點的壓力差,Pa;L為線性長度,m;U為濕周,m;u為流速,m/s;S為斷面積,m2;λ為沿程阻力系數;ρ為流體密度,kg/m3。

由(1)、(2)式可知:Eu∝λLU/S;

故欲使歐拉數相等,即:

即只需 KλK1Ku=Ks。

式中:Kλ=λ0/λm,為原型模型沿程阻力系數之比,又Ks=;KU=K1。

即 KλK1K1=由此可知只要 Kλ=1,即可保證歐拉數相等。

又由尼古拉茨粗糙管公式[4]:

可知,欲使 Kλ=1,只要:dm/△m=d0/△0;又 d0/dm=Kl。所以 △0/△m=Kl,即 △m=△0/Kl,△0為實際巷道的絕對粗糙度。

由 α=λρ/8[3]可得 :λ=8α/ρ,即可根據設計手冊上相關巷道的α值來確定λ0,再由尼古拉茲粗糙管公式推出:即可算出△0,于是確定模型的絕對粗糙度大小為:△m=△0/Kl,該值用于仿真模型壁面邊界條件的設置。模型巷道絕對粗糙度與原型巷道絕對粗糙度對照見表1。

表1 絕對粗糙度對照

2.1.2 流體模型的建模

本仿真原型的流體原型為壓力為 101325Pa,溫度為 30℃時的空氣和瓦斯,根據粘性力相似原理來建立對應的模型流體[4]:

即 :KρKlKu/Kμ=1,式中 :μ為動力粘度,可取 Kρ=1,Ku=1,Kμ=Kl=1000,以此系數來自定義空氣模型與瓦斯模型,由這些比例可知,僅需改變氣體的動力粘度即可,對空氣模型:μm=μ0/Kμ=1.873×10-5/1000=1.873×10-8Pa·s;對瓦斯模型:μm=μ0/Kμ=1.123×10-5/1000=1.123×10-8Pa·s;可根據 COSMOS Flo Works工程數據庫中已有的真實氣體,其動力粘度改為以上定值即可,其余參數不變。

2.1.3 局部風機的建模

COSMOS Flo Works以風機的特性曲線提供了含有風機的邊界條件,根據下文式(3)轉換到模型局部風機上,模型局部風機采用文獻[3]中的 JBT-62為原型,建立的模型局部風機特性曲線見圖1。

圖1 模型局部風機特性曲線

2.2 創建流體仿真工程

利用 COSMOS Flo Works的向導創建流體仿真工程,根據向導,仿真工程的主要設置見表2。由于通風系統進出口間高差不大,該系統又屬于不可壓縮流體的有壓流動,故本仿真暫不考慮重力的影響,僅考慮粘性力和壓力為主要作用力。

表2 流體仿真工程主要設置

2.3 邊界條件的設置

COSMOS flo works提供了 FlowOpenings、Pressure Openings、Walls3種邊界條件,flow openings用于設置流量,pressure設置壓力,walls設置粗糙度。

對于本文設置的體積流量,根據相似性系數:Ku=1,Kl=1000,可得:

由 KQ=Q0/Qm,Q=u×S,

由問題的描述可知,回風斜井井口流出量為Q0=22m3/s;設計工作面瓦斯絕對涌出量為 2.2 m3/min。兩個掘進頭瓦斯絕對涌出量為 0.45 m3/min。由式(3)轉換到模型上,模型邊界條件的詳細設置見表3。

表3 模型邊界條件設置

2.4 網格劃分[5,6]

通過對巷道系統風筒、局部風機進行網格設定后,將模型劃分為 56423個流體單元。

2.5 目標的設定

目標設定顯示所關心參數變化的情況,同時加速計算收斂。本模擬關心的參數有:風井井口的壓力、工作面的風量,回風順槽的瓦斯濃度、掘進頭風量,礦井通風的阻力等。

3 仿真結果輸出

通過解算,迭代次數為 948次時,所有設置的目標收斂,結果見表4。通過目標結果表與相似性系數的轉換可知,在井底聯絡巷處的調節風窗大小為0.9m×0.9m時,運輸順槽進風量為 6.44m3/s,主斜井進風量為 10.06m3/s,副斜井進風量為 11.84 m3/s;根據相似性系數的設置可知,△P0=△Pm,即真實礦井的通風阻力與模型相等,即為 150.2Pa。

表4 模型仿真目標結果

通風系統壓力變化見圖2。

圖2 通風系統壓力變化云圖

用傳統方法計算取其計算風路為主斜井(275 m)-運輸石門及溜煤斜巷(135m)-運輸順槽(520m)-工作面(80m)-回風順槽(586m)-回風石門及斜巷(153m)-回風斜井(169m),由此算出的礦井通風阻力為 144.66Pa。與仿真結果相差不到 5%,證明仿真結果可靠。

4 結 論

利用流行的 3D建模軟件的強大建模功能建立礦井巷道系統,采用已有的計算流體動力仿真工具對建立的系統進行通風模擬,間接實現了礦井通風系統的三維可視化仿真。由本文仿真的結果與傳統方法計算的結果相差不到 5%,證明方法可靠。應用這一方法,在通風管理中,當通風系統發生改變時,可以預先對改變的系統進行建模仿真來確定設計通風系統的可靠性,同時優化設計。

[1] 王定標,郭茶秀,等.CAD/CAE/CAM技術與應用 [M].北京:化學工業出版社,2005.

[2] 鄭長松,等.SOLID WORKS2006中文版機械設計高級應用實例[M].北京:機械工業出版社,2006.

[3] 黃元平.礦井通風[M].徐州:中國礦業大學出版社,1986.

[4] 張景松.流體力學與流體機械之流體力學[M].徐州:中國礦業大學出版社,2001.

[5] 劉貴根,欒振輝.漸縮管過渡段型面對其流量影響的有限元分析[J].煤礦機械,2005,(11):66～68.

[6] 陳梅芳,丁德馨,莫勇剛,等.基于MATLAB的兩種通風網絡解算方法的編程及實現[J].礦業研究與開發,2008,28(2):65～67.

2010-04-16)

舒 才(1985-),男,白族,貴州大方人,在讀碩士,研究方向為礦業系統工程,Email:312905608@qq.com。