基于CFD動網格的雙箕斗運行氣動側向力研究*

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基于CFD動網格的雙箕斗運行氣動側向力研究*

孫揚1，徐長磊1，郝榮2，杜貴文1

(1.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038；2.中國有色金屬建設股份有限公司，北京，100029)

摘要：深井安全間隙是礦井向深部延伸要解決的典型提升問題之一，箕斗運行引起的空氣動力響應是開展深井安全間隙研究的首要分析因素，也是引起箕斗偏擺的主要原因。將基于CFD的空氣動力學計算引入到豎井箕斗運行過程氣動壓力分析中，依托某金屬礦山工程背景，應用計算流體力學(CFD)的動網格技術和標準κ-ε雙方程湍流模型對箕斗運行過程中的外流場壓力變化進行數(shù)值分析。通過監(jiān)測雙箕斗運行相向、相會、背離的整個過程中箕斗側向壓力的變化，對箕斗穩(wěn)態(tài)運行及相遇瞬態(tài)過程中的壓力變化進行研究，并與國內外相關研究成果對比分析。研究表明：箕斗相會的過程中，流場變化劇烈；箕斗的側向壓力值瞬間增大，首先朝向井壁方向，而后反向增加至最大值，最后恢復穩(wěn)態(tài)運行。對于高速提升的深井安全間隙確定，應充分考慮氣動側向力引起的箕斗偏擺；高速提升的深豎井斷面布置應加大提升容器與井壁之間的安全間隙，適度增加提升容器之間的安全間隙。

關鍵詞：計算流體力學；箕斗運行；氣動側向力

0引言

長期以來國內礦山多處于1 000 m以內的開采范圍，相關深井問題的研究起步較國外晚，對于豎井斷面經濟性研究、深井安全間隙確定、提升氣動阻力對提升荷載的影響等研究較少。近年來，隨著礦井開采深度及規(guī)模的增加，提升高度、設備斷面、提升速度都隨之增加。引發(fā)箕斗提升空氣動力學效應越來越明顯，活塞風問題突出，進而影響到豎井通風穩(wěn)定；同時由于氣動阻力與提升速度成二次方的關系增加，箕斗外流場產生的氣動阻力對提升機荷載的影響，側向壓力差引起箕斗偏擺對提升安全的問題，這些都成為礦井向深井開采需要研究的關鍵性問題。

高速提升箕斗在豎井有限空間交會引起的空氣動力學效應是一個復雜流場變化的過程，是一個非穩(wěn)定、湍流問題。對該復雜過程的研究，目前主要通過風動模型實驗和基于計算流體力學的方法進行研究。多年來，國內交通基礎設施的快速建設和計算機技術的發(fā)展，在公路、高速鐵路及地鐵等工程領域，計算流體力學已被廣泛應用到相關研究中，相關車體穿越隧道及隧道內車體相遇等引發(fā)的空氣動力學計算問題已被廣泛分析應用[1-4]。文中將基于CFD模擬分析引入到豎井提升容器運行中，通過建立三維流動體力學模型，應用動網格技術對其相遇過程中的外流場進行分析，為相關箕斗偏擺和豎井安全間隙研究提供基礎數(shù)據(jù)。

1計算模型

1.1　工程背景

某鐵礦主井井筒直徑φ6.3 m，設計年提升能力750萬t/a，井筒內配30 m3雙箕斗。提升系統(tǒng)采用鋼絲繩罐道，6根首繩，4根尾繩，井底設置重錘拉緊。采用多繩摩擦提升機，提升高度1 450 m，最大提升速度18 m/s，設計進風速度2 m/s.

1.2　數(shù)學模型

相遇過程中，箕斗與井壁、箕斗與箕斗之間的相對位置時刻變化，屬于瞬態(tài)問題。

兩箕斗以18 m/s提升速度相遇時，其相對速度為36 m/s，其值約0.1馬赫數(shù)。因此，視井筒空氣為不可壓縮流[5-6]，忽略空氣物理性參數(shù)變化，即認為空氣的溫度、粘性和參考壓強不變，參數(shù)值見表1.

表1　空氣物理參數(shù)

針對箕斗相遇時的湍流問題研究較少，研究對象的流體為高雷諾值(Reynolds)，根據(jù)相關公路隧道、地鐵隧道及礦井通風中CFD計算的相關研究文獻，本CFD計算基本控制方程為Reynolds方程，湍流模型采用κ-ε雙方程模型[7-8]。

(1)

動量方程

(2)

k方程

(3)

ε方程

(4)

(5)

1.3　物理模型

井筒斷面布置如圖1所示，箕斗含首尾繩連接裝置長度20.85m，斗箱范圍內兩側面的最大寬度分別為2.6m和1.78m.將箕斗實際輪廓簡化為鈍形，模型長度不考慮首尾繩連接裝置，模型側面僅考慮斗箱范圍內的面積，取箕斗計算長寬高分別為15.0m×2.6m×1.8m.

2邊界條件及模型離散

2.1　邊界條件

風流入口作為模型的入口邊界，風流出口作為模型的出口邊界，井壁壁面設置為壁面固定邊界；入口邊界設置為速度入口邊界，風流的速度為2m/s；出口邊界設置為壓力出口邊界。箕斗表面設置為剛體壁面邊界，通過調用函數(shù)實現(xiàn)動網格。

模型運行工況為5s，為了計算范圍內盡可能不受回流影響，設置箕斗初始距離為72m，兩箕斗端部距出入口邊界各45m.因此總的井筒計算模型長度為192m，三維實體計算模型如圖2所示。

圖1　井筒斷面布置圖(mm)Fig.1　Cross section of shaft layout

圖2　三維計算模型(m)Fig.2　Simulation model of three dimension

2.2　求解方法及模型離散

采用隱式分離三維非穩(wěn)定流求解器，速度采用絕對速度，采用基于體積單元的梯度選項；用SIMPLEC算法求解速度和壓力耦合；用標準采用κ-ε紊流模型封閉時均方程；壓力場采用標準離散方程，其它的采用二階迎風格式離散。計算時間步須基于網格形狀而設置，保證計算網格質量[5，9]。

箕斗相遇采用動網格技術實現(xiàn)，須采用四面體三維單元對計算區(qū)域進行離散化，三維建模型網格劃分共產生604 727個三維單元。

3計算結果及分析

3.1　模擬結果分析

箕斗從相向、相會、背離的整個運行計算時間為4 s，分別對skip1和skip2的Z方向整體受力進行監(jiān)測，監(jiān)測結果如圖3和圖4所示。

圖3　順風運行—Skip1側向合力監(jiān)測結果(N/s)Fig.3　Lateral force of Skip1 monitoring result(following wind direction)

圖4　逆風運行—Skip2側向合力監(jiān)測結果(N/s)Fig.4　Lateral force of Skip2 monitoring result(Head wind direction)

從圖3可以看出，順風運行的箕斗在相會前的穩(wěn)態(tài)運行中，存在背離井筒中心方向的側向壓力；模型計算穩(wěn)定段的壓力值約300～350 N.受箕斗相會的影響，側壓力監(jiān)測曲線變化歷時約1.25 s；側壓力方向先背離井筒中心線(最大壓力值約1 750 N)，而后力的方向變?yōu)槌蚓仓行木€(最大壓力值約-1 250 N)。箕斗相會后進入背離運行，受計算模型尺寸限制及近出口邊界的影響，其穩(wěn)態(tài)運行的壓力值在100～300 N之間。

從圖4可以看出，逆風運行的箕斗在相會前的穩(wěn)態(tài)運行中，存在背離井筒中心方向的側向壓力；模型計算穩(wěn)定段的壓力值在-550～-400 N之間。受箕斗相會的影響，側壓力監(jiān)測曲線變化歷時約1.25 s；側壓力方向先背離井筒中心線(最大壓力值約-1 600 N)，而后力的方向變?yōu)槌蚓仓行木€(最大壓力值約550 N)。箕斗相會后進入背離運行，受計算模型尺寸限制及近出口影響，其穩(wěn)態(tài)運行的壓力值在-400～-300 N之間。

3.2　對比分析

有關國外對豎井箕斗運行的空氣動力學研究[10]得到的計算公式如下，可近似計算得到穩(wěn)態(tài)運行下的提升容器側壓力。

(6)

單個箕斗南北2側關于井筒中心線對稱，故穩(wěn)態(tài)空氣動力對箕斗可只考慮東西方向的作用。式中空氣動力系數(shù)CL的計算

CL=0.018SSSASP,

(7)

式中系數(shù)SS,SAK可通過查圖表獲得；A1,A2為提升容器將井筒斷面分割截后的面積;ρ為空氣密度；VR為提升容器與空氣的相對速度。將工程背景相關計算參數(shù)代人計算

相關公路及鐵路隧道研究表明[11-12]：機車在隧洞內相會時，其瞬態(tài)側向壓力約增大4～6倍。

綜上，表明豎井箕斗的穩(wěn)態(tài)運行氣動側向力與國外研究結果基本一致[13-14]，相會瞬態(tài)氣動側向力與交通運輸系統(tǒng)的研究規(guī)律基本一致。

4結論

通過建立CFD空氣動力學三維模型計算及相關研究成果對比，對豎井中箕斗運行中的氣動側向力進行了分析，可得出以下幾點結論

1)雙箕斗相會過程與單箕斗運行相比，其氣動側向力變化劇烈；其壓力瞬間增大，而后又產生反向力朝向井筒中線方向，增加至反方向最大值。整個過程歷時叫約1.25s，比實際箕斗相會時間長，但壓力從第一個峰值至反向后的峰值歷時與實踐箕斗相會時長一致；

2)箕斗運行過程中存在穩(wěn)態(tài)的氣動側向力，其幅值較相遇過程的瞬態(tài)側向力小的多；基于CFD得到的穩(wěn)態(tài)氣動側向力的幅值與國外研究成果一致。應用CFD動網格計算得到的箕斗運行瞬態(tài)氣動側向力規(guī)律與相關鐵路、公路中機車隧道中相會得到的規(guī)律基本一致，其幅值約為穩(wěn)態(tài)氣動側向力的4～6倍；

3)對于超深超高速豎井提升的安全間隙確定，應充分考慮氣動側向力引起的箕斗偏擺；設計中應加大提升容器與井壁之間的安全間隙，適度增加提升容器之間的安全間隙。

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《西安科技大學學報》獲“中國科技論文

在線優(yōu)秀期刊”一等獎

12月29日，教育部科技發(fā)展中心公布了 “中國科技論文在線優(yōu)秀期刊”暨“中國科技論文在線科技期刊優(yōu)秀組織單位”評選結果。評選出“中國科技論文在線優(yōu)秀期刊”一等獎111項，二等獎183項；評選出“中國科技論文在線科技期刊優(yōu)秀組織單位”64個。其中，《西安科技大學學報》獲“中國科技論文在線優(yōu)秀期刊”一等獎，同時，西安科技大學獲“中國科技論文在線科技期刊優(yōu)秀組織單位”殊榮。

Lateral aerodynamic force research on double skips operating characteristics based on CFD moving mesh grid

SUN Yang1，XU Chang-lei1，HAO Rong2，DU Gui-wen1

(1.ChinaENFIEngineeringCorporation，Beijing100038，China；

2.ChinaNonferrousMetalIndustry’sForeignEngineeringandConstructionCo.,Ltd，Beijing100029，China)

Abstract：Hoisting safety clearance of vertical shaft is a key technical issue to extend to deep mining.Aerodynamic effect of hoisting skips is a key factor to ensure hoisting safety clearance and calculate oscillating.The aerodynamic analysis of CFD method is used in lateral force research of double skips during operating.Based on actual engineering background，outflow pressure of double skips is analyzed by moving mesh grid and standardκ-εtransient equations.The variety curves are obtained by monitoring lateral force.It will be used for analyzing steady force and buffeting force rule which includes face-to-face，crossing，and deviating.The results are contrasted with relative international and national research.The results show that flow field generates huge changes of value and direction during passing through time.First aerodynamic directs to shaft wall side，then changes to another direction and restores to steady state operating.The skips oscillating of aerodynamic effect must be considered to ensure safety clearance for deep vertical shaft.Clearance between container and shaft wall should be enlarged and it between container and container also be enlarged slightly in deep and high speed hoisting mine vertical shaft.

Key words：computational fluid dynamics；skip operating；lateral aerodynamic force

中圖分類號：TD 721

文獻標志碼：A

通訊作者：孫揚(1985-)，男，陜西榆林人，工程師，E-mail：sunyang@enfi.com.cn

收稿日期：*2015-10-12責任編輯：劉潔

文章編號：1672-9315(2016)01-0127-05

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0122