礦井運(yùn)輸巷道內(nèi)活塞風(fēng)流的數(shù)值模擬

李立峰夏 輝

（1.山東工商學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005；2.煙臺(tái)市環(huán)保工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)院，山東 煙臺(tái) 264000）

礦井運(yùn)輸巷道內(nèi)活塞風(fēng)流的數(shù)值模擬

李立峰1夏 輝2

（1.山東工商學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005；2.煙臺(tái)市環(huán)保工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)院，山東 煙臺(tái) 264000）

為了全面深入地了解礦井活塞風(fēng)，采用FLUENT建立運(yùn)數(shù)值分析模型，得出在運(yùn)輸設(shè)備不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下巷道內(nèi)的速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)變化，分析研究活塞風(fēng)流對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響作用。研究結(jié)果對(duì)保持通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證礦井安全生產(chǎn)具有參考意義。

活塞風(fēng)；風(fēng)流狀態(tài)；數(shù)值模擬；通風(fēng)系統(tǒng)

隨著礦井生產(chǎn)能力和礦井機(jī)械化程度的提高，礦井運(yùn)輸和提升設(shè)備工作時(shí)導(dǎo)致的活塞風(fēng)問(wèn)題愈加突出。井下活塞風(fēng)會(huì)對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成擾動(dòng)，而其變化沒(méi)有規(guī)律，且是經(jīng)常性的。所以，要加強(qiáng)對(duì)礦井活塞風(fēng)的控制，確保礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性［1］。

1 活塞風(fēng)流的數(shù)值模擬

中段運(yùn)輸是礦山一項(xiàng)經(jīng)常性工作，且速度較大。由此產(chǎn)生的活塞風(fēng)對(duì)該中段區(qū)域的礦井通風(fēng)穩(wěn)定性影響很大。此時(shí)處于運(yùn)輸巷道內(nèi)的礦內(nèi)大氣湍流流動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的三維流動(dòng)體系，以該體系作為模擬對(duì)象，采用FLU?ENT軟件對(duì)其速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等進(jìn)行模擬［2，3］。

1.1 模型幾何及網(wǎng)格劃分

在運(yùn)輸設(shè)備在巷道內(nèi)產(chǎn)生活塞風(fēng)的實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，為了方便計(jì)算和分析，將運(yùn)輸巷道簡(jiǎn)化，取巷道斷面為矩形，其尺寸為50m×3.2m×3m；運(yùn)輸設(shè)備尺寸為8m× 2m×2m，模型的計(jì)算域?yàn)橄锏纼?nèi)氣流空間，如圖1所示。采用GAMBIT軟件來(lái)構(gòu)建礦井活塞風(fēng)模擬的幾何模型［4］，見(jiàn)圖2。為了詳細(xì)了解細(xì)小部位的風(fēng)流，對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格單元尺寸為0.1m，共得到402 820個(gè)體積單元。

圖1 建立巷道模型圖

圖2 模型網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.2 模型邊界與計(jì)算方法

模型邊界出入口采用系統(tǒng)中的風(fēng)流出入口，入口風(fēng)速設(shè)定為2m/s，假設(shè)風(fēng)速均勻分布，以巷道壁面作為固定邊界。出口類型為充分發(fā)展流，即outflow。求解流速和壓力耦合時(shí)采用SIMPLEC算法；接口黏度系數(shù)與密度按照相鄰節(jié)點(diǎn)的算術(shù)平均值計(jì)算；采用標(biāo)準(zhǔn)k-ξ湍流模型NS時(shí)均方程；壓力場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)離散方式，其他采用二階迎風(fēng)格式離散［5］。

2 模擬結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)FLUENT解算，得到中段運(yùn)輸時(shí)產(chǎn)生的活塞風(fēng)的流場(chǎng)及速度分布［6，7］。為了便于分析活塞風(fēng)效應(yīng)，對(duì)以下3種情況的活塞風(fēng)氣流進(jìn)行了三維模擬：運(yùn)輸設(shè)備速度分別為0、8、-8m/s時(shí)產(chǎn)生的活塞風(fēng)，其中0風(fēng)速的數(shù)據(jù)用于對(duì)比。為了便于分析巷道內(nèi)各部分的風(fēng)流狀態(tài)，將其劃分為多個(gè)子平面，即：平行于巷道底面的Z=0、1.0、1.9、2.8m子平面；垂直于中軸線的X=-4、0、4、8m子平面；平行于側(cè)壁的Y=0、0.4、0.8、1.2m子平面。

2.1 v=0m/s時(shí)各子平面速度分布

其速度流場(chǎng)如圖3、4、5所示。分析可得，對(duì)巷道風(fēng)流來(lái)說(shuō)，靜止的運(yùn)輸設(shè)備就是一個(gè)正面障礙物，當(dāng)巷道風(fēng)流逐漸接近時(shí)，在運(yùn)輸設(shè)備的正前方有一個(gè)加壓減速區(qū)；在運(yùn)輸設(shè)備與巷道之間的環(huán)狀空間內(nèi)，由于風(fēng)流通過(guò)截面的縮小，風(fēng)流速度急劇增大。繞過(guò)運(yùn)輸設(shè)備后，再次出現(xiàn)加壓減速區(qū)，并在運(yùn)輸設(shè)備的后部出現(xiàn)小速度尾流，并有反向的回流形成漩渦。

圖3 速度v=0m/s時(shí)平行于地面的子平面上速度場(chǎng)云圖

圖4 速度v=0m/s時(shí)平行于側(cè)壁的子平面上速度場(chǎng)云圖

圖5 速度v=0m/s時(shí)垂直于底面的子平面上速度場(chǎng)云圖

2.2 v=-8m/s時(shí)各子平面速度分布

運(yùn)輸設(shè)備以速度-8m/s運(yùn)行，與原風(fēng)流方向相反。巷道內(nèi)風(fēng)流分布具體見(jiàn)圖6、7、8。

圖6 速度v=-8m/s時(shí)平行于底面的子平面上速度場(chǎng)云圖

圖7 速度v=-8m/s時(shí)平行于側(cè)壁的子平面上速度場(chǎng)云圖

圖8 速度v=-8m/s時(shí)垂直于底面的子平面上速度場(chǎng)云圖

從圖6、7、8中可以看出，原本分布均勻的風(fēng)流速度流場(chǎng)在逐漸靠近運(yùn)輸設(shè)備時(shí)，風(fēng)流分布變得不規(guī)則，隨著距離的縮小，平行于底面的子平面上風(fēng)流速度出現(xiàn)一個(gè)條帶狀低速區(qū)。由于運(yùn)輸設(shè)備的阻礙作用，在運(yùn)輸設(shè)備的正前方，有一個(gè)該方向速度為0的分界面，為保持流體的連續(xù)性，風(fēng)流在另外2個(gè)方向流動(dòng)。在巷道與運(yùn)輸設(shè)備間形成的環(huán)狀空間內(nèi)，風(fēng)流速度出現(xiàn)局部急劇增大的現(xiàn)象，在運(yùn)輸設(shè)備的前方上角部位出現(xiàn)風(fēng)速最大值。繞過(guò)運(yùn)輸設(shè)備后，由于邊界層分離，各種漩渦發(fā)展充分，風(fēng)流速度減小。

2.3 v=8m/s時(shí)各子平面速度分布

運(yùn)輸設(shè)備以速度8m/s運(yùn)行，與原風(fēng)流方向一致。巷道內(nèi)風(fēng)流分布具體見(jiàn)圖9、10、11。

圖9 速度v=8m/s時(shí)平行于底面的子平面上速度場(chǎng)云圖

圖10 速度v=8m/s時(shí)平行于側(cè)壁的子平面上速度場(chǎng)云圖

圖11 速度v=8m/s時(shí)垂直于底面的子平面上速度場(chǎng)云圖

由于速度一致，此時(shí)對(duì)于巷道內(nèi)風(fēng)流來(lái)說(shuō)，運(yùn)輸設(shè)備已經(jīng)不作為障礙物存在。從圖9、10、11中可得出：在風(fēng)流的入口段，風(fēng)流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，基本接近均勻分布。由于運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的速度流場(chǎng)作用，在運(yùn)輸設(shè)備前后出現(xiàn)風(fēng)流高速區(qū)，在環(huán)狀空間內(nèi)的風(fēng)流速度反而出現(xiàn)了速度降低的情況。平行于底面的子平面上，運(yùn)輸設(shè)備前方，風(fēng)流速度較高，在運(yùn)輸設(shè)備通過(guò)后，速度迅速下降。垂直于底面的子平面上，在運(yùn)輸設(shè)備后方臨近處出現(xiàn)風(fēng)流高速區(qū)，在運(yùn)輸設(shè)備后方的中間區(qū)域出現(xiàn)最大速度。

為分析運(yùn)輸設(shè)備不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)情況下巷道內(nèi)沿程速度分布與壓力分布的詳細(xì)情況，選取巷道底板中軸線上方Z=2.1m處的沿程速度與壓力分布曲線，如圖12、13所示。

從圖12、13中可以看出：運(yùn)輸設(shè)備在巷道風(fēng)流相向運(yùn)行時(shí)，運(yùn)輸設(shè)備前端會(huì)有一個(gè)高壓帶，沖擊巷道原有的速度場(chǎng)；而在環(huán)形區(qū)域內(nèi)速度場(chǎng)將劇烈震蕩，在接近運(yùn)輸設(shè)備時(shí)速度達(dá)到最大值，隨之銳減，復(fù)又增加，至設(shè)備末端；其總體速度也高于其他2種情況；在相向運(yùn)行時(shí)，沿程壓力變化不大，未出現(xiàn)明顯的震蕩情況。

3 結(jié)論

當(dāng)活塞風(fēng)方向與礦井通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)流方向相同時(shí)，對(duì)礦井通風(fēng)是有利的；當(dāng)活塞風(fēng)方向與礦井通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)流方向相反時(shí)，通風(fēng)區(qū)域內(nèi)風(fēng)量會(huì)隨之減少，減少的幅度隨活塞風(fēng)的大小變化，甚至可能出現(xiàn)局部時(shí)段的反風(fēng)。從通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度來(lái)看，這是對(duì)原通風(fēng)狀態(tài)的擾動(dòng)，巷道斷面上的風(fēng)流速度會(huì)隨之發(fā)生很大變化，是不希望發(fā)生的。因此，在確定和測(cè)定礦井通風(fēng)風(fēng)流的風(fēng)量時(shí)和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過(guò)程中，要考慮活塞風(fēng)的存在，必要時(shí)對(duì)礦井活塞風(fēng)進(jìn)行有效控制。

圖12 巷道沿程速度分布曲線圖

圖13 巷道沿程壓力分布曲線圖

［1］王海橋，田峰，施式亮，等.礦井井筒提升容器活塞風(fēng)效應(yīng)分析及計(jì)算［J］.湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（3）：1-4．

［2］鐘漢樞，李衛(wèi)民，徐建閩.單向交通隧道通風(fēng)控制模式研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2005（2）：76-80．

［3］鄭雪紅，劉傳聚，洪麗娟，等.地鐵區(qū)間隧道事故通風(fēng)數(shù)值模擬研究［J］.都市快軌交通，2005（2）：67-72．

［4］徐元利，徐元春，梁興，等.FLUENT軟件在圓柱繞流模擬中的應(yīng)用［J］.水利電力機(jī)械，2005（1）：39-40．

［5］豐存禮，劉成，張敏華.商業(yè)軟件Gambit和FLUENT在化工中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2005（3）：231-234．

［6］G Evola，V Popvo.Computational Analysis of Wind Driven Natural Ventilation in Buildings［J］.Energy and Buildings，2006（5）：491-501．

［7］王從陸，吳超.礦井通風(fēng)及其系統(tǒng)可靠性［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，2007：330-342．

Numerical Simulation of Piston Wind on the Ventilation of Mining Tunnels

Li lifeng1Xia hui2
（1.Shandong Technology and Business University，Yantai Shandong 264005；2.Yantai Insftitue of Comsfultation and Design of Environmental Protection Engineering，Yantai Shandong 264000）

In order to comprehensively and deeply understand the coal mine piston wind,a numerical analysis model was established by using FLUENT,the change of velocity field and pressure field in the tunnel under different move?ment conditions was obtained,and the influence of the piston air flow on the stability of mine ventilation system was analyzed.The research results have reference value for keeping the stability of the ventilation system and ensuring the safe production of the mine.

piston wind；airflow state；numerical simulation；ventilation system

TD724

A

1003-5168(2016)09-0111-03

2016-09-01

2013年度山東工商學(xué)院青年基金項(xiàng)目（2013QN002）。

李立峰（1987-），女，碩士，講師，研究方向：安全管理、安全評(píng)價(jià)；夏輝（1985-），男，碩士，中級(jí)工程師，研究方向：環(huán)境評(píng)價(jià)、城鎮(zhèn)排水與污水處理、工業(yè)污染防治。