基于FLUENT的掘進(jìn)作業(yè)面通風(fēng)降溫?cái)?shù)值模擬研究

聶曉鄴

(湖南新龍礦業(yè)有限責(zé)任公司， 湖南邵陽(yáng)市 422000)

基于FLUENT的掘進(jìn)作業(yè)面通風(fēng)降溫?cái)?shù)值模擬研究

聶曉鄴

(湖南新龍礦業(yè)有限責(zé)任公司， 湖南邵陽(yáng)市 422000)

掘進(jìn)作業(yè)面是礦山開采的主要工作面之一，研究高溫礦井掘進(jìn)作業(yè)面通風(fēng)降溫，可為井下深部開采通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出理論依據(jù)。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)和傳熱學(xué)等理論，利用FLUENT軟件，在不同送風(fēng)風(fēng)速下對(duì)巷道內(nèi)的溫度場(chǎng)的分布進(jìn)行數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，送風(fēng)風(fēng)速是影響巷道內(nèi)溫度場(chǎng)分布的重要因素之一，巷道圍巖溫度為35℃，在入口風(fēng)溫為20℃，風(fēng)速為6m/s，模擬得到掘進(jìn)迎頭處的溫度在26℃左右，在距離掘進(jìn)2m的區(qū)域內(nèi)的溫度都在28℃以下，基本滿足安全規(guī)程要求，當(dāng)風(fēng)速增加到10m/s時(shí)，可更有效的帶走迎頭巖壁的熱量，通風(fēng)降溫效果越好。

通風(fēng)降溫；掘進(jìn)面；高溫礦井；數(shù)值模擬；溫度場(chǎng)

0 引 言

隨著我國(guó)礦井開采深度逐漸增加和采掘機(jī)械化水平不斷提高，礦井熱害問(wèn)題日益凸顯，已嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)和井下作業(yè)人員的身體健康[1]。為了保障礦山正常有序的生產(chǎn)，我國(guó)礦山安全條例規(guī)定，井下工人作業(yè)地點(diǎn)的空氣溫度，不得超過(guò)28℃，超過(guò)時(shí)應(yīng)當(dāng)采取降溫或其他防護(hù)措施[2]。目前，我國(guó)金屬礦井已逐漸進(jìn)入千米開采時(shí)代，井下原巖溫度在40℃左右，有些礦井甚至高達(dá)50℃。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有三分之一的礦井即將進(jìn)入深部開采[3]，預(yù)計(jì)在未來(lái)20～50 a內(nèi)，將大量涌現(xiàn)深井礦山，一部分礦山的開采深度可能進(jìn)入2000m，個(gè)別礦山開采深度可能更大[4]。近年來(lái)，為改善井下高溫高濕作業(yè)環(huán)境，國(guó)內(nèi)外已有許多專家學(xué)者進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的解決辦法，歸納起來(lái)主要有兩大類:一類是通風(fēng)降溫措施；另一類是人工制冷冷卻風(fēng)流的措施[5-10]。根據(jù)礦山的生產(chǎn)實(shí)踐，當(dāng)采用隔離熱源、加強(qiáng)通風(fēng)和冷水噴霧等降溫措施不足以解決井下熱害時(shí)，才采用人工制冷降溫措施。本文根據(jù)巷道風(fēng)流流動(dòng)特性、空氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)理論[11]，建立高溫礦井掘進(jìn)作業(yè)面的物理模型和數(shù)學(xué)模型，利用FLVENTt軟件[12]研究高溫礦井掘進(jìn)作業(yè)面在不同送風(fēng)風(fēng)速的冷風(fēng)流下的流場(chǎng)分布規(guī)律及降溫效果。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 物理模型

為了便于分析，選用簡(jiǎn)化的長(zhǎng)為50m的長(zhǎng)方體巷道進(jìn)行數(shù)值模擬解算。把風(fēng)筒的出口作為模型入口邊界，風(fēng)筒位于巷道壁旁，采用直徑為0.6m的單層帆布風(fēng)筒，風(fēng)筒出口距掘進(jìn)迎頭的距離為5m，風(fēng)筒距離地面高度1m，巷道內(nèi)巖壁溫度為35℃。模型示意如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)作業(yè)面通風(fēng)降溫模擬模型示意

1.2 數(shù)學(xué)模型

礦井內(nèi)的風(fēng)流流動(dòng)復(fù)雜多變，大多數(shù)屬于湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[13]。在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算之前，需要對(duì)礦內(nèi)風(fēng)流作以下假設(shè):風(fēng)氣為不可壓縮流體，不考慮空氣重力影響；壁面密閉性好，不漏風(fēng)；流動(dòng)的湍流粘性具有各向性，湍流粘性系數(shù)作為標(biāo)量處理；流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流，滿足Boussinesq假設(shè)[14]?；谝陨霞僭O(shè)，可采用以下數(shù)學(xué)模型[14]:

式中:k為湍流的動(dòng)能，m2/s2；ε為湍流動(dòng)能耗散率，m2/s3；t為時(shí)間，s；v為層流粘度系數(shù)，Pa·s；p為修正時(shí)均壓力，Pa；ρ為空氣的密度，kg/m3；vt為湍流粘度系數(shù)，Pa·s；cp是比熱容，J/(kg·K)；ui為速度分量，m/s；xi為坐標(biāo)分量，m；fi為質(zhì)量力，m/s2；ST是流體內(nèi)熱源和機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱量多余的部分能量；Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)。

2 參數(shù)設(shè)定

2.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)巷道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鑒于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)不規(guī)則的幾何邊界的適應(yīng)性強(qiáng)，能夠很好地處理邊界問(wèn)題，在使用Gambit繪制物理模型時(shí)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散。劃分網(wǎng)格主要采用四面體網(wǎng)格元素組成，4個(gè)物理模型中，計(jì)算區(qū)域最少劃分網(wǎng)格191743個(gè)，最大網(wǎng)格體積為3.552819×10－3，最小網(wǎng)格體積為1.171481×10－4，網(wǎng)格體積小于0.1m3的數(shù)量占總數(shù)的86.2%，網(wǎng)格的大小能夠滿足計(jì)算精度的要求。

2.2 邊界條件

根據(jù)掘進(jìn)巷道的物理模型，設(shè)定風(fēng)筒的出口速度為模型的入口邊界，以巷道的自由斷面處為模型的出口邊界，巷道及風(fēng)筒的其他面設(shè)定為壁面。

入口的邊界條件為:入口類型為Velocity－inlet，入口溫度為T＝293 K，入口速度v＝15m/s；出口邊界條件:出口的類型為Outflow，沒有相對(duì)壓力，k和ε為自由滑動(dòng)。壁面邊界條件:所有的壁面均采用無(wú)滑動(dòng)邊界條件，溫度為308 K，類型為No Slip，粗糙度厚度為0.05m，粗糙度常數(shù)為0.5。

2.3 數(shù)值模擬參數(shù)

FLVENT軟件選用基于單元的格林－高斯方法的隱式分離三維穩(wěn)定流求解器，湍流模型選用RNG k－ε模型，求解器參數(shù)中的壓力速度耦合方式設(shè)置為SMPLEC，壓力離散方式設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)格式，收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.001。設(shè)定材料的屬性為空氣，密度為1.225 kg/m3，定壓比熱為1006.43 J/(kg·K)，動(dòng)力粘度為1.784×10－5Pa·s，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0242 W/(m·K)。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 殘差動(dòng)態(tài)顯示

掘進(jìn)作業(yè)面流場(chǎng)可以看成是一個(gè)穩(wěn)態(tài)的風(fēng)流流動(dòng)和換熱過(guò)程，采用能量方程求解流體與巖壁的熱量交換，操作環(huán)境在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，不計(jì)重力加速度。計(jì)算過(guò)程中的迭代步數(shù)設(shè)置為1000步。當(dāng)計(jì)算迭代運(yùn)行到第347步之后，各個(gè)變量滿足收斂條件，同時(shí)停止計(jì)算。其中，各個(gè)參數(shù)的殘差曲線隨迭代的步數(shù)逐漸趨于平緩，說(shuō)明由差分方程得出的解與精確的值之間滿足精度要求，可判斷此次模擬迭代收斂。數(shù)值模擬過(guò)程中各參數(shù)的殘差動(dòng)態(tài)圖如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬中殘差動(dòng)態(tài)

3.2 溫度模擬結(jié)果

根據(jù)圖1所示簡(jiǎn)化的計(jì)算模型和相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，利用FLUENT軟件對(duì)高溫礦井掘進(jìn)作業(yè)面采取壓入式通風(fēng)方式下的三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬過(guò)程中，選取送風(fēng)風(fēng)速分別為6m/s和10m/s，得到的三維溫度場(chǎng)云圖如圖3所示。

圖3 不同送風(fēng)風(fēng)速下溫度場(chǎng)分布云圖

為了便于分析，用Tecplot后處理模塊得到2種風(fēng)速下掘進(jìn)作業(yè)面風(fēng)速穩(wěn)定后的溫度場(chǎng)分布圖，如圖4所示。

圖4 不同送風(fēng)風(fēng)速下溫度場(chǎng)分布

從圖4可以看出，起始階段，風(fēng)流從風(fēng)筒口流出按照自由射流規(guī)律發(fā)展，屬于射流區(qū)，但是，很快就開始有部分氣流從整個(gè)射流體中分離折返，向外流出。在氣流射流區(qū)內(nèi)，溫度低于這個(gè)平面的其他部分，越靠近巷道巖壁，風(fēng)流的溫度就越高，這點(diǎn)和從風(fēng)筒射出的低溫風(fēng)流有關(guān)，隨著射流的發(fā)展，風(fēng)筒中送出的風(fēng)流與巷道內(nèi)的空氣和巷道巖壁發(fā)生熱濕交換，氣流吸熱，致使溫度升高，在靠近巖壁的位置熱濕交換發(fā)生得最為激烈，氣溫升高的也越大。風(fēng)從風(fēng)筒出口流出到掘進(jìn)迎頭的過(guò)程中，因?yàn)樗惋L(fēng)風(fēng)流與巷道巖壁的壁面進(jìn)行了熱濕交換，沿著風(fēng)流的方向溫度逐漸升高，回風(fēng)回流的溫度隨著回風(fēng)方向也呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。掘進(jìn)巷道同一斷面風(fēng)流中，風(fēng)筒中心線方向的溫度最低，靠近巷道面的溫度最高，且溫度變化較大。從數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，通風(fēng)降溫效果還是很明顯的，掘進(jìn)迎頭處的溫度在26℃左右，在距離掘進(jìn)2m的區(qū)域內(nèi)的溫度都在28℃以下，基本滿足安全規(guī)程作業(yè)要求。

便于分析距掘進(jìn)迎頭不同距離通風(fēng)降溫情況，自左向右選取6個(gè)不同截面的溫度分布圖分別表示風(fēng)筒出口距掘進(jìn)迎頭的距離Z＝5，4，3，2，1，0.2m時(shí)巷道內(nèi)溫度場(chǎng)分情況，如圖5所示。

圖5 距掘進(jìn)迎頭不同距離溫度分布云圖

從圖5可以看出，在風(fēng)筒出口處的平均溫度基本上都在30℃之間，而風(fēng)筒截面處的溫度最低，在22℃左右，風(fēng)流吹向掘進(jìn)迎頭的過(guò)程中，風(fēng)筒截面方向上的溫度逐漸升高，而巷道中的溫度在逐漸下降，這是由于距離風(fēng)筒出口越遠(yuǎn)，掘進(jìn)作業(yè)面區(qū)域的空氣流動(dòng)減弱，使得作業(yè)面不易形成渦旋區(qū)，在風(fēng)筒口附近，送風(fēng)口送出的氣流具有卷吸作用，卷吸排出的氣流形成渦旋，其作用較弱，對(duì)排出氣流影響較??；距離風(fēng)筒口距離較遠(yuǎn)的區(qū)域，巷道下部區(qū)域空氣流速大于上部區(qū)域空氣流速，這有利于送風(fēng)氣流與巖壁進(jìn)行對(duì)流換熱作用。掘進(jìn)作業(yè)面的流場(chǎng)是屬于有限空間的貼附射流物理過(guò)程，可分為貼附射流段、沖擊射流段和回流段。提高風(fēng)速即提高了風(fēng)筒送風(fēng)量，可以更有效的帶走迎頭巖壁的熱量，所以送風(fēng)風(fēng)速越大，通風(fēng)降溫效果越好。

4 結(jié) 論

針對(duì)高溫礦井問(wèn)題，采用掘進(jìn)作業(yè)面的壓入式通風(fēng)降溫技術(shù)，利用FLUENT軟件對(duì)深井礦業(yè)掘進(jìn)作業(yè)面的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得出如下結(jié)論:

(1)井下圍巖溫度為35℃，在入口風(fēng)溫為20℃，風(fēng)速6m/s下，得到掘進(jìn)迎頭處的溫度在26℃左右，在距離掘進(jìn)2m的區(qū)域內(nèi)的溫度都在28℃以下，基本滿足安全規(guī)程作業(yè)要求；

(2)掘進(jìn)作業(yè)面壓入式通風(fēng)降溫的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)有著密切的關(guān)系，風(fēng)速是影響巷道內(nèi)溫度場(chǎng)分布的一個(gè)主要因素，在風(fēng)速增加到10m/s的情況下，含有一定濕度的冷熱空氣進(jìn)行熱濕交換的程度更激烈，有利于帶走巷道積聚的熱量，大約能多降低0.5℃～1℃，通風(fēng)降溫效果越好。

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2015-05-27)