熱害礦井掘進工作面換熱特性

姬建虎,廖 強,胡千庭,褚召祥,張習軍,龔林平

(1.重慶大學工程熱物理研究所,重慶 400044;2.中國煤炭科工集團重慶研究院瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室,重慶 400037)

熱害礦井掘進工作面換熱特性

姬建虎1,2,廖 強1,胡千庭2,褚召祥2,張習軍2,龔林平2

(1.重慶大學工程熱物理研究所,重慶 400044;2.中國煤炭科工集團重慶研究院瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室,重慶 400037)

為量化熱害礦井掘進工作面的換熱特性,根據其通風和換熱特點,以掘進工作面沖擊射流換熱系數的影響因素關聯式為基礎,結合工程實踐中常見參數對換熱系數影響因素進行了1∶1的ANSYS數值模擬試驗和1∶3的室內相似模擬實驗。結果表明:模擬和實驗結果在數值范圍和變化趨勢兩方面吻合程度都較高。對數值模擬和實驗結果進行回歸分析,得到了掘進工作面沖擊射流換熱系數影響因素關聯式的具體形式。數值模擬和實驗結果回歸分析式的相關系數分別為0.925和0.944。

熱害礦井;掘進工作面;換熱系數;相似實驗;回歸分析

隨著淺部煤炭資源的逐漸減少甚至枯竭,地下開采的深度越來越大[1],礦井進入深部開采后,普遍面臨著高溫熱害的問題[2－3],為解決礦井高溫熱害問題,首先需要計算井下各種熱源(如圍巖散熱、機電設備散熱、空氣壓縮熱、氧化散熱等)的散熱量,根據散熱量進而確定主要需冷地點(采掘工作面)所需降溫冷負荷,才能為礦井降溫系統及方案的選擇提供決策依據[4],熱害礦井的主要熱源中圍巖散熱計算最為復雜[5],其關鍵在于圍巖和風流之間的換熱系數難以確定,尤其是掘進工作面圍巖和風流的換熱系數。掘進工作面的通風方式主要有壓入式、抽出式和壓抽混合式,其中壓入式通風屬于末端封閉有限空間的貼壁射流[6],國內外相關學者對此進行了研究。高建良等[7－8]通過實測數據分析了掘進巷道圍巖的溫度分布和變化;G.Danko等[9]則利用CLIMSIM, MULTIFLUX軟件對礦井巷道壁面的傳熱、傳質現象進行了數值模擬,并對結果進行了對比分析;Malcolm[10]通過傳熱學理論分析給出了風流和圍巖之間對流換熱系數計算式;I.S.Lowndes等[11]對風流與圍巖之間對流換熱系數及換熱特性進行了模擬實驗;王海橋[12]對掘進工作面流場進行了研究;張艷麗[13]對掘進工作面的換熱系數計算方法進行了研究;許坤梅等[14]使用3種湍流模型對半封閉圓管沖擊射流進行了數值模;張澤遠等[15]對半封閉通道射流沖擊進行了實驗研究;徐驚雷等[16]采用熱線風速儀測定了4種不同沖擊高度下對半封閉紊流流場的結果,并做了對比。

上述可以看出,國內外學者已經采用不同的方法、從不同角度對掘進工作面通風和類似的半封閉通道射流沖擊換熱進行了研究,但鮮有給出適用于掘進工作面的換熱系數關聯式,因此有必要進一步研究。本文主要針對掘進工作面壓入式通風條件下風流對掘進面換熱特性進行研究,并得出平均換熱系數關聯式的具體形式。

1 掘進工作面換熱特性

1.1 換熱特點

由掘進工作面壓入式通風方式的特點,可將風流和掘進工作面的換熱分為兩大部分:①風流和掘進工作面之間的換熱;②風流和側面圍巖間換熱,如圖1所示。筆者主要針對①部分進行研究,如圖2所示,并得出其關系式。

圖1 掘進工作面流場示意Fig.1 Ventilation flow field in driving face

1.2 換熱系數關聯式

圖2 掘進工作面換熱系數云圖Fig.2 Contours of surface heat transfer coefficient in driving face

掘進工作面風流和圍巖之間的換熱主要為對流換熱,換熱系數h的主要影響因素有流體流速u、流體密度ρ、流體動力黏度η、流體的導熱系數λ、比定壓熱容Cp、巷道斷面特征直徑D、風筒直徑d、風筒出口距掘進工作面的距離H,即:h=f(u,d,λ,η,ρ, Cp,H,D)。上述共有9個物理量,由4個基本量的量綱(時間T、長度L、質量M、溫度Θ)組成,根據π定律,可以組成5個無量綱量,分別如下[17]:

2 參數的模擬

要進一步確定式(1)具體的函數關系式需采用數值模擬、實驗研究等方法,根據我國煤礦實際情況,確定不同的Re,H/d和D/d,然后再進行掘進工作面換熱特性的研究。

2.1 D/d的確定

我國煤礦掘進工作面的斷面尺寸差異很大,為縮小實驗參數范圍并便于日后驗證,取巷道斷面特征直徑D為3.36 m[17]。風筒直徑d分別為0.4,0.5, 0.6,0.7,0.8,1.0和1.2 m等7種[18],D/d對應的數值見表1。

表1 不同風筒直徑d所對應的D/dTable 1 The D/d in different airduct diameter d

2.2 Re的確定

我國高溫熱害礦井一般掘進工作面的通風量不超過800 m3/min,結合實際情況,在模擬中分別對100,150,200,250,300,350,400,450,500,600,700和800 m3/min等12種情況進行模擬。根據12種不同直徑的風量,7種不同直徑的風筒對應的Re數和風速見表2。

表2 雷諾數Re和風筒風速的取值Table 2 The number Re and the velocity in airduct

2.3 H/d的確定

在掘進工作面壓入式通風系統中,風筒出口至掘進工作面之間的距離H一般不超過10 m,本文模擬主要考慮距離H分別為1,2,3,…,10 m等10種情況。7種不同風筒直徑時,對應的H/d數值見表3。

表3 不同通風距離H和風筒直徑d時對應的H/dTable 3 The H/d in different ventilation distance H and airduct diameter d

3 實驗裝置

3.1 實驗模型比例

我國煤礦掘進工作面斷面大小差異較大,為了便于日后驗證,以文獻[17]中模型為原始模型,特征直徑D為3.36 m,結合實際情況,實驗模型采用1∶3縮小的模型,縮小后的巷道斷面如圖3所示。

圖3 實驗模型巷道斷面形狀Fig.3 Experimental model cross section

根據相似理論[19],同名相似準則數相等:

式中,上標“′”和“″”分別表示實際巷道和模型。

根據換熱系數計算公式[20]這和實際掘進工作面風流的流體性質(熱擴散率、運動黏度)是一致的。模型實驗中,將采用大小為1∶3的模型,流體將采用空氣作為介質,則

由式(13)可知,實驗模型中得出換熱系數h為原始模型換熱系數的3倍,風流速度u也為原始模型中的3倍。

3.2 實驗裝置

實驗裝置示意如圖4所示,風流經壓風機8進入管道,經整流器6進入風筒9,最后進入模擬巷道1和掘進工作面恒溫加熱板10進行換熱,換熱后的風流經整流器2后排出,在風流進出口安裝有溫度探頭和流量計,以監測流量和溫度,如圖4中3,4,5所示。風流流量的控制主要通過壓風機變頻柜和流量調節閥7控制,由監控系統采集數據,如圖5所示。

圖4 實驗裝置示意Fig.4 General layout of the experimental setup

圖5 數據采集系統Fig.5 Data acquisition system

掘進工作面恒溫加熱板10,通過電加熱管均勻焊接在加熱板上,如圖4中A—A斷面所示,恒溫加熱板的溫度為平均溫度,通過無級調壓器不斷調節電壓,使加熱板平均溫度達到40℃,并且當溫度穩定時再進行測試。

實驗裝置模擬巷道4和風筒9外層都加了保溫層,以保證風筒中進風流和巷道中回風流不參加換熱,如圖6所示。實驗中通過更換風筒以測定對應的風筒直徑d,通過風筒伸縮以確保風筒出口至掘進工作面的距離H,實驗嚴格按照1∶3縮小模型,結合式(13)和表1～3進行。

圖6 實驗巷道及風筒Fig.6 The experimental roadway and airduct

平均換熱系數測試原理如下。

能量守恒定律:

4 結果分析

4.1 實驗和模擬結果分析

由于實驗及壓風條件有限,實驗過程中并未為對表1～3中所有數據進行實驗研究,而是取表2中Re為235 843,353 764,471 686,589 207等4組對應的數據,取表1、表3中所有數據進行研究,并采用1∶3縮小的模型,結合式(13)進行實驗,合計280組實驗組合,實驗量較大。

模擬采用1∶1模型,模擬模型、邊界條件、控制方程及相關參數參見文獻[17],根據掘進工作面風流,具有射流、回流、二次流(和主流方向不同的流動)和壁面限制等特點,本次模擬經過湍流模型比較,選取廣泛應用于解算紊流流動過程的Realizable k－ε模型,方程中相關參數取值參考了ANSYS中幫助文件,具體見ANSYS13.0 Help System中1.2.1 The Mass Conservation Equation,4.3.3 Realizable k－ε Model和5.2.1.1 The Energy Equation。模擬對表1～3的840種組合進行研究,模擬量較大。

因掘進工作面的通風的流場較為復雜,如圖1所示。為了能夠較清楚了解掘進工作面和圍巖作為一個整體的換熱特性,模擬增加了圍巖為恒壁溫40℃的邊界條件。此條件下,掘進工作面及風流作為一個整體分析,圍巖和掘進工作面都參與換熱,這種條件下的模擬組合也為840種。

為說明掘進工作面換熱系數的關系,下面結合實驗和模擬結果進行分析。

(1)Nu與Re的關系。

經數據分析,不同D/d條件下,Nu與Re關系具有相同的變化趨勢,限于篇幅,取D/d=5.6時的Nu－Re圖加以說明,如圖7,8所示。可以看出,Nu隨著Re的增大而增大,且隨H/d的增加而減小。Re增加,則風速風量加大,換熱加強,故Nu變大;H/d增加,風流出口距掘進工作面距離相對變大,風流發散,換熱減弱,故Nu變小。盡管實驗數據有限,但實驗和模擬結果仍具有較好的相似度。

圖7 模擬結果中Nu與Re的關系Fig.7 The relationship between Nu&Re by simulation

(2)Nu與H/d的關系。

同樣限于篇幅,取D/d=5.6時的Nu－H/d圖加以說明,如圖9,10所示。可以看出,Nu隨著H/d的增大而減小,且隨Re的增加而增加。H/d增加,風流出口掘進工作面距離相對變遠,未形成有效沖擊射流,換熱作用減弱。同等條件下,Re越大,則風速風量加大,換熱作用越強,故Nu變大,實驗和模擬結果同樣具有很好的相似度。

(3)相同Re時Nu與H/d的關系。

圖8 實驗結果中Nu與Re的關系Fig.8 The relationship between Nu&Re obtained from experiment

圖9 模擬結果中Nu與H/d的關系Fig.9 The relationship between Nu&H/d by simulation

圖10 實驗結果中Nu與H/d的關系Fig.10 The relationship between Nu&H/d obtained from experiment

數據分析結果表明,不同Re條件下,Nu－H/d圖具有相同的趨勢,在此僅取Re為235 452時的Nu－H/d關系圖予以說明,如圖11,12所示。可以看出, Nu隨著H/d的增大而減小,與圖9,10一致,而隨D/ d的增加而減小。D/d增加,在D不變的條件下,風筒直徑變小,風筒射出的風流對掘進工作面的沖擊面較小,故得出的平均Nu數較小。總體來說,D/d對Nu影響不大,隨著H/d的增加,對Nu影響更小,如圖11,12中H/d大于10時,D/d的影響可忽略不計,實驗和模擬結果同樣具有很高的吻合度。

4.2 回歸分析

在實驗和模擬結果分析中,對Nu的影響關系進行了分析,實驗和模擬結果具有較高的吻合度。為實踐應用,擬合出具體的函數關系式則更為方便。在對流傳熱的研究中,以已定準則的冪函數形式整理實驗數據的實用方法取得了很大的成功[15],則式(1)可整理為

圖11 模擬結果中Nu與H/d的關系(Re為定值)Fig.11 The relationship between Nu&H/d by simulation(Re=constant)

圖12 實驗結果中Nu與H/d的關系(Re為定值)Fig.12 The relationship between Nu&H/d by experiment(Re=constant)

同樣為了方便實際應用,將掘進工作面、圍巖及風流看作一個整體,對模擬結果數據進行回歸,得出關系式

其回歸判定系數R2為0.937。

實驗及模擬驗證范圍:

5 結 論

(1)掘進工作面Nu的主要影響因素是Re,H/d和D/d,結合工程實踐中常見參數,采用ANSYS數值模擬和實驗相結合的方法對影響關系進行了研究,模擬和實驗結果高度吻合。

(2)根據實驗和ANSYS數值模擬結果,對數據進行了回歸分析,得出了煤礦掘進工作面壓入式通風條件下的圍巖和風流間換熱關系式(式(17)～(19)),判定系數R2分別為0.925,0.944和0.937,具有較高的實用價值。

(3)只針對煤礦掘進工作面壓入式通風情況進行了研究,并沒有對所有不同情況進行分析。湍流問題較為復雜,現在仍然沒有一個公認的具有較好普適性的湍流模型,下一步應結合實驗方法驗證相關參數之間的具體關系式,并擴大掘進工作面巷道斷面特征直徑D的模擬和實驗范圍,得出普遍適應的關系式,涉及的結論模擬實驗驗證范圍如下:

235 843≤Re≤1 885 980,0.83≤H/d≤25,2.8≤D/d≤8.4。

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Heat transfer characteristics of driving face in heat harm mine

JI Jian-hu1,2,LIAO Qiang1,HU Qian-ting2,CHU Zhao-xiang2,ZHANG Xi-jun2,GONG Lin-Ping2

(1.Engineering Thermophysics Institution,Chongqing University,Chongqing 400044,China;2.National Key Laboratory of Gas Disaster Detecting,Preventing and Emergency,China Coal Technology&Engineering Group Chongqing Research Institute,Chongqing 400037,China)

In order to obtain the heat transfer equation of driving face in heat harm mine,according to the ventilation and heat transfer characteristics and general parameters in engineering practice of driving face in heat harm mine,the ratio of 1∶1 ANSYS numerical simulation test and ratio of 1∶3 indoor similar simulation experiment were taken based on the convective heat transfer coefficient impact factors correlation of jet flow in driving face.Through the comparison,simulation and experiment results have high degree of coincidence both on range of value and variation tendency.Then the concrete forms of heat transfer coefficient correlation were got with regression analysis of numerical simulation results and experimental results.The correlation index R2of the numerical simulation and the experiment regression analysis are 0.925 and 0.944.

heat harm mine;driving face;coefficient of heat transfer;field experiment;regression analysis

TD727

A

0253－9993(2014)04－0692－07

姬建虎,廖 強,胡千庭,等.熱害礦井掘進工作面換熱特性[J].煤炭學報,2014,39(4):692－698.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0478

Ji Jianhu,Liao Qiang,Hu Qianting,et al.Heat transfer characteristics of driving face in heat harm mine[J].Journal of China Coal Society, 2014,39(4):692－698.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0478

2013－04－15 責任編輯:畢永華

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAK04B02);中國煤炭科工集團創新基金重點資助項目(2011ZD001);重慶市科技人才培養計劃資助項目(cstc2013kjrc－qnrc90001)

姬建虎(1978—),男,山西晉城人,副研究員,博士研究生。Tel:023－65239117,E－mail:jijianhu@126.com