礦井工作面空調降溫效果的數值模擬分析

趙運超 石發恩 蔣達華

(江西理工大學建筑與測繪工程學院,江西省贛州市,341000)

礦井工作面空調降溫效果的數值模擬分析

趙運超 石發恩 蔣達華

(江西理工大學建筑與測繪工程學院,江西省贛州市,341000)

以采用空調系統的濟寧唐口煤礦采掘工作面為研究背景,借助CFD模擬軟件研究工作面降溫后的溫度分布情況,結合數據分析,得出空調器出風口的最佳設置高度,以及在機械通風狀態參數不變的條件下,空調器的最佳送風溫度、送風量等結論,以指導實際的生產運行管理。

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隨著礦井開采深度的逐步加深,井下地溫也隨之升高,因此,礦井高溫、高濕環境對礦工身體健康及礦井的安全生產產生極其重要的影響。為了改善工人的勞動環境,延長采掘設備的使用壽命,提高生產效率,礦井降溫技術成為煤礦科技研究的一個發展方向,同時礦井空調降溫是空調應用技術發展的一個特殊領域。

本文以礦井空調對采掘工作面進行降溫為研究背景,結合CFD計算流體力學的理論知識,通過建立數學模型,運用數值模擬的方式,著重分析空調送風高度對采掘工作面溫度分布的影響,空調機最佳送風溫度和送風量以及采煤機的位置對采用空調系統后工作面溫度分布的影響等幾個方面的問題,得出相關的結論,使礦井空調在使用過程中對采掘工作面起到更佳的降溫效果。

1 理論分析

1.1 工作面氣流流動的微分方程

在巷道及工作面上,氣體的流動為紊流運動,假設氣體的流動是定常流,借助Boussinesq近似假設,即密度變化的作用僅在運動方程中的重力項上保留,對其他項的影響忽略不計。當進入采煤工作面的空氣氣體常數值與工作面上原有氣體接近,而且溫差較大時,工作面上空氣的運動可用微分方程描述。

1.2 邊界條件

進口邊界的速度、溫度、流量按實測或設定值給出。氣流出口邊界采用局部單通道坐標假定,只給定流場壓力P的標定值。而固體壁面采用壁面函數確定壁面上的溫度當量擴散系數(kt)和速度當量擴散系數(μt)。

2 數值模擬與分析

2.1 計算條件

以濟寧唐口煤礦某采煤工作面為例,采煤工作面平均寬4.5 m,高3.0 m,斷面積13.5 m2,平均風量2025 m3/min,平均風速 2.5 m/s,采煤工作面長150 m。實測風流溫度為35℃,巖壁溫度為37℃,導熱系數取0.26 W/m·℃。

使用CFD軟件對該采煤工作面的溫度場進行數值模擬,由于實際計算條件復雜,為簡化計算,數值模擬過程中,作如下假設:采掘工作面的供風量不隨時間變化;工作面上各個面發熱量均勻,煤層表面溫度均取37℃,采空區發熱量60 W/m2;不考慮人體、設備的發熱量;工作面上各處初始風溫相同,計算中取35℃;忽略巖層壁的阻力。

計算中設置水平工作面,建立物理模型,尺寸為150 m(長) ×4.5m(寬) ×3.0 m(高),在x=0 m,y=4.5 m,z=3 m斷面處設置機械通風入口為“入口1”,記為“inlet1”;在x=4.5 m,y=1 m,z=1 m斷面處設置空調器出風口,經過空調器處理后的冷風出口設為“入口2”,記為“inlet2”;在x=0 m,y=154.5 m,z=3 m斷面處設置尺寸為x=0 m,y=4.5 m,z=3.0 m的“出口”,記為“outlet”。

2.2 研究內容

研究內容一:空調器送風高度對工作面降溫效果的研究。入口1取夏季當地空氣平均溫度28℃,風量為15 m3/s;入口2取空調器送風溫度24℃,風量為25 m3/s,空調器出風口位置距地面高度分別取0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m。

研究內容二:確定空調器的最佳送風溫度和風量。入口1處取夏季當地空氣平均溫度28℃,風量為15 m3/s;入口2經過空調器處理后冷風出口溫度取22℃、23℃、24℃、25℃,出口風量分別取 15 m3/s、20 m3/s、25 m3/s、30 m3/s、35 m3/s、40 m3/s。

研究內容三:采煤機的位置對工作面降溫效果的影響。入口1處取夏季當地空氣平均溫度28℃,風量為15 m3/s;入口2經過空調器處理后冷風出口溫度取23℃,風量為30 m3/s;采煤機機身尺寸為8 m×1 m,截深為 1 m,導熱系數取 2.55 W/m·℃;采煤機在采煤工作面的位置分別取距巷道起始點10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m、90 m、100 m、110 m、120 m、130 m、140 m、150 m。

計算網格采用非結構化網格,劃分網格數為19(長) ×152(寬) ×11(高)=31768個。分別計算笛卡爾坐標下的速度u、v、w、壓強p、溫度T、湍流動能k、湍流動能耗散率ε等變量的函數值。設置迭代次數為300次,速度松弛因子取0.5,壓力松弛因子取0.8。數值計算采用 SIMPL E(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法(解壓力耦合方程的半隱式法)。

2.3 數值模擬結果與分析

2.3.1 空調送風高度對采煤工作面溫度分布的影響

空調器送風高度對采煤工作面溫度分布的影響模擬方圖見圖1。在圖1中,最下面灰色部分代表煤區,其余部分是工作面溫度分布情況,其中右側面為送風入口,左側面為出口。

空調器不同高度下的巷道內平均溫度分布圖見圖2。從圖1的模擬云圖及圖2的數值分析圖中可以看出,當固定空調器送風溫度24℃。風量為25 m3/s時,采掘工作的溫度隨著巷道長度的增加隨之遞增;當空調器的設置高度距巷道底面為1.5 m左右時,巷道內平均溫度約為25.7℃;當空調器的設置高度分別在1.5 m以上和以下時,巷道內的平均溫度均高于25.7℃,且基本成對稱形式分布。由此可以說明,空調器出風口的最佳設置高度為距巷道底面1.5 m,此時降溫效果最好。

2.3.2 空調機最佳送風溫度和送風量的數值模擬

圖3 進風溫度22℃時不同風量下工作面溫度分布

圖3～圖7為不同風量下空調器不同的送風溫度時,工作面溫度分布圖。通過對圖4～圖8的曲線圖的分析可知,空調器的送風溫度越低、風量越大,巷道工作面的平均溫度越低,降溫效果越好。但空調器的送風溫度越低,空調器的能耗就越高,所以,從節能的角度考慮,只要采掘工作面的平均溫度達到26℃(煤礦安全生產規定工作面溫度不得高于26℃)左右,空調器的送風溫度及風量就是最佳送風狀態。經過分析比較,最終確定在機械通風狀態參數不變的條件下(28℃,15 m3/s),空調器的最佳送風溫度為23℃,送風量為30 m3/s。

圖7 不同送風溫度及風量下工作面溫度分布圖

2.3.3 采煤機的位置對采用空調系統后工作面溫度分布的影響

圖8 采煤機處于不同位置時工作面平均溫度分布圖

采煤機處于不同位置時工作面平均溫度分布圖見圖8。從圖8中可以看出,采煤機位于巷道工作面不同位置時,只是在采煤機所處位置附近平均溫度有明顯的突然升高,這是由于采煤機本身是一個巨大的熱源,機體表面溫度高達40℃以上,這使得采煤機附近的空氣溫度稍高于遠離機器處的溫度;另外離采煤機較遠的兩側,采掘工作面上平均溫度的分布變化趨勢基本相同,受采煤機的影響較小。

通過分析可知,采煤機的位置對采掘工作面整體平均溫度分布的影響不大。

3 結論

(1)空調器出風口的最佳設置高度為距巷道底部1.5 m,此時降溫效果最好。

(2)在機械通風狀態參數不變(28℃,15 m3/s)的條件下,空調器的最佳送風溫度為23℃,送風量為30 m3/s。

(3)采煤機的位置對采掘工作面整體平均溫度分布的影響不大,只是在采煤機所處位置附近平均溫度有明顯的突然升高。

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[5]陶文銓.數值傳熱學(第2版)[M].西安:西安交通大學出版社,2001,5

[6]周西華等.回采工作面溫度場分布規律的數值模擬[J].煤炭學報,2002(1)

[7]趙運超等.回采工作面空調降溫效果的數值分析[J].礦業安全與環保,2007(6)

(責任編輯 張艷華)

Numerical simulation and analysis of air conditioning cooling effect at working face

Zhao Yunchao,Shi Faen,Jiang Dahua
(Faculty of Architectural and Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou,Jiangxi 341000,China)

The use of air conditioning system of a coalmining face to the background,using CFD simulation software analysis the face temperature distribution after cooling,combined data analysis,obtained the air conditioner’s best height,in the condition of local mechanical ventilation parameters unchanged,the air conditioner’s best outlet air temperature and air flow,this will guide the actual production operation management.

underground coalmine cooling,coalface cooling,air conditioning,numerical simulation,computational fluid dynamics

TD-727.2

B

趙運超(1979-),女,河北省廊坊人,碩士,主要研究方向:空調與建筑節能技術。