礦井主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量測(cè)試方法的數(shù)值模擬研究

劉 濤

（大同煤礦集團(tuán)華盛萬(wàn)杰煤業(yè)有限公司， 山西 河津 043300）

引言

礦井主通風(fēng)機(jī)作為煤礦安全生產(chǎn)中的重要組成部分，它的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)于實(shí)現(xiàn)整個(gè)煤礦的安全生產(chǎn)具有極其重要的意義。同時(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)機(jī)由于故障導(dǎo)致其通風(fēng)性能下降是瓦斯爆炸的主要原因之一，而風(fēng)量則是評(píng)價(jià)通風(fēng)機(jī)性能的主要參數(shù)[1]。綜合國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的已有研究成果，虛擬器技術(shù)、傳感器技術(shù)及數(shù)值模擬分析手段已逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的風(fēng)量測(cè)試方法，其中FLUENT軟件被廣泛用于確定巷道平均風(fēng)速點(diǎn)與斷面之間的關(guān)系。但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，關(guān)于風(fēng)速的測(cè)定相對(duì)較為復(fù)雜，支架會(huì)對(duì)風(fēng)量的測(cè)定產(chǎn)生一定的影響，需要在測(cè)定的過(guò)程中搭建支架固定風(fēng)速傳感器[2]。由此，本研究基于FLUENT軟件研究了支架杜宇風(fēng)速測(cè)定產(chǎn)生的影響，以期為有效改進(jìn)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的測(cè)定方法及后續(xù)的誤差補(bǔ)償提供一定的理論指導(dǎo)。

1 風(fēng)量測(cè)定方法及測(cè)風(fēng)點(diǎn)位置確定

關(guān)于礦井主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量需要通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到的風(fēng)速及風(fēng)壓進(jìn)行計(jì)算，風(fēng)量的測(cè)試方法需要根據(jù)礦井的實(shí)際情況進(jìn)行選擇，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[3]。風(fēng)速法是目前較為常用的測(cè)試方法，其計(jì)算方法為：

式中：S為巷道橫截面積；v為巷道內(nèi)平均風(fēng)速。

礦井主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)速測(cè)定是通過(guò)風(fēng)速傳感器測(cè)定，為減小數(shù)據(jù)的波動(dòng)，應(yīng)當(dāng)將測(cè)風(fēng)面設(shè)定在緩變流處，從而保證通過(guò)測(cè)風(fēng)面的風(fēng)流為有規(guī)律均勻分布?；谝延醒芯浚狙芯繉y(cè)試點(diǎn)設(shè)置在風(fēng)硐口，測(cè)試點(diǎn)的布置采用切貝切夫法，共設(shè)置24個(gè)測(cè)點(diǎn)，分布于4條直線上，具體的測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，圖1中L為主通風(fēng)機(jī)葉輪直徑；1、2、3、4、5、6 為測(cè)點(diǎn)。

圖1 圓形巷道斷面測(cè)點(diǎn)布置

具體測(cè)量方法為，在選定的測(cè)風(fēng)點(diǎn)搭建測(cè)量支架，并且根據(jù)所選擇的測(cè)點(diǎn)位置安裝風(fēng)速傳感器，利用風(fēng)速傳感器測(cè)得各點(diǎn)的風(fēng)量后，根據(jù)式（2）計(jì)算巷道風(fēng)量：

式中：vi為測(cè)風(fēng)斷面上第i點(diǎn)的風(fēng)速，m/s；S為巷道橫截面積，m2。

2 巷道內(nèi)風(fēng)流分布

巷道內(nèi)風(fēng)流主要以層流及紊流的形式存在，在礦井的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，層流的存在會(huì)對(duì)礦井中有毒有害氣體的管理產(chǎn)生不利的影響，因此在實(shí)際生產(chǎn)中不允許礦井中出現(xiàn)層流的情況[4]。《煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程》中指出，礦井最低風(fēng)速為0.15 m/s，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定及式（3）的計(jì)算結(jié)果得到雷諾數(shù)Re＞2320，即通風(fēng)巷內(nèi)的風(fēng)流均為紊流狀態(tài)。

式中：v為巷道平均風(fēng)速；d為管徑；μ為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)。

礦井中大多數(shù)的風(fēng)流狀態(tài)都為紊流，僅在靠近巷道的邊緣存在少量的層流，同時(shí)其厚度相對(duì)較低，流速低于空氣流速，但紊流的流速相對(duì)較大，由巷道邊緣至巷道中心逐漸增大，且巷道中線部位為紊流的核心，根據(jù)流體力學(xué)理論[5]，紊流也存在一定的規(guī)律性，其分布規(guī)律為：

式中：v'為切應(yīng)力速度；k為試驗(yàn)常數(shù)，通常為0.4；y為流體層到巷道邊緣距離；C為積分常數(shù)。

綜上所述，圓形巷道中流體的流動(dòng)規(guī)律為：斷面上流體速度為對(duì)數(shù)分布，軸心附近的流體速度變化顯著，其紊流速度分布如圖2所示。

圖2 圓形巷道紊流分布特征

3FLUENT模擬方法及結(jié)果

在一般情況下，并沒(méi)有研究風(fēng)流傳感器支架對(duì)巷道內(nèi)風(fēng)流分布的影響，但在實(shí)際測(cè)定過(guò)程中，由于流體的不可壓縮性，風(fēng)流在通過(guò)測(cè)風(fēng)斷面時(shí)會(huì)出現(xiàn)渦流區(qū)，從而導(dǎo)致流速的急劇改變，最終對(duì)風(fēng)速造成影響。FLUENT主要用于研究復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)及熱交換特性，可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)不同情況的模擬，不受時(shí)間及地點(diǎn)的限制，具有很強(qiáng)的靈活性。基于以上優(yōu)點(diǎn)，本文利用此軟件對(duì)巷道內(nèi)風(fēng)流分布情況進(jìn)行模擬，可較為直觀地觀測(cè)風(fēng)流分布情況，從而反應(yīng)出支架對(duì)于風(fēng)流的影響。

3.1 模型建立

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閳A形風(fēng)硐，通風(fēng)機(jī)葉輪直徑為2 m。通常，風(fēng)硐長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)為風(fēng)機(jī)葉輪直徑的10～12倍，因此本試驗(yàn)選取風(fēng)硐長(zhǎng)度為24 m。測(cè)風(fēng)截面為距離通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口1.5倍葉輪直徑處，或選擇距離通風(fēng)機(jī)出風(fēng)口約為5倍葉輪直徑處，由此，本試驗(yàn)選取10 m為測(cè)風(fēng)截面。測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，分別在A、B、C、D四點(diǎn)設(shè)置支架進(jìn)行模擬計(jì)算，支架為0.03 m×0.03 m直桿。

3.2 巷道風(fēng)速場(chǎng)模擬

1）網(wǎng)格劃分。模型對(duì)于無(wú)支架的情況采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，有支架的情況用四面體進(jìn)行劃分，同時(shí)還包含六面體、楔形及錐形網(wǎng)格。模型中X、Y、Z軸分別代表斷面的寬度、高度及風(fēng)硐長(zhǎng)度，選取風(fēng)硐入口處中心作為原點(diǎn)。

2）條件假設(shè)及求解。本試驗(yàn)中僅考慮流場(chǎng)的分布，對(duì)于系統(tǒng)中存在的熱交換及漏風(fēng)等情況并不進(jìn)行考慮。因此，系統(tǒng)中僅在風(fēng)硐入口進(jìn)風(fēng)，且風(fēng)流為不可壓縮流體，巷道邊緣的粗糙程度相同，試驗(yàn)中空氣密度設(shè)為1.21 kg/m3。由于巷道內(nèi)氣體流動(dòng)特性為湍流流動(dòng)，因此選用的模型為k-ε模型，軟件求解器為壓力基求解器，速度為絕對(duì)速度，壓力與速度的耦合關(guān)系采用SIMPLEC算法計(jì)算。

3）邊界條件。軟件設(shè)定的模型中風(fēng)流的入口及出口分別為模型的邊界入口及出口，巷道的邊界作為固定邊界。入口邊界條件為velocity-inlet，風(fēng)速為3 m/s，靠近巷道邊界的壓力梯度為零，出口邊界條件為outflow，壁面邊界條件為無(wú)滑移。

3.3 結(jié)果及分析

1）無(wú)支架情況。對(duì)于無(wú)支架條件下的風(fēng)流模擬，其巷道斷面的風(fēng)速等值線分布如圖3所示，當(dāng)斷面中不存在支架時(shí)，風(fēng)速為均勻分布，并且呈同心圓形式分布，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的離層。截面外層的風(fēng)速為零，中心處為最大值點(diǎn)，且流速散點(diǎn)圖中的最高點(diǎn)基本位于同一直線上，與理論上的分布規(guī)律一致，如圖4所示。

圖3 速度（m/s）等值線分布圖（無(wú)支架）

圖4 速度分布曲線（無(wú)支架）

2）有支架情況。關(guān)于有支架情況下的斷面風(fēng)速等值線如圖5所示。從圖5中可以看出，當(dāng)風(fēng)巷中存在支架后，斷面的風(fēng)流出現(xiàn)紊流，尤其是在支架附近紊流更為顯著，與無(wú)支架情況下的風(fēng)流分布存在較大的差異，其風(fēng)速分布圖如下頁(yè)圖6所示，從圖6中可以看出，在支架作用下，風(fēng)速的變化比較顯著，其中心位置風(fēng)速變化最為顯著，與已有的規(guī)律不同。

圖5 速度（m/s）等值線分布圖（有支架）

3）結(jié)果討論。通過(guò)對(duì)有支架及無(wú)支架兩種情況下風(fēng)速分布進(jìn)行模擬之后，分別得到了圖1中24個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速值，具體結(jié)果如表1所示。由表1中數(shù)據(jù)可知，在無(wú)支架的情況下，截面上的風(fēng)速分布呈同心圓分布，相同半徑上的風(fēng)速值相同，越靠近軸心處風(fēng)速越大；在支架存在的情況下，斷面整體風(fēng)速的分布紊亂，整體相對(duì)于無(wú)支架情況較低，從巷道邊緣至軸心仍為逐漸增大的趨勢(shì)，但存在某些點(diǎn)風(fēng)速突變，最大誤差可達(dá)到12.3%。無(wú)支架影響條件下的風(fēng)速為2.96 m/s，而在有支架影響的條件下平均風(fēng)速為2.8 m/s，相對(duì)誤差為5.7%；無(wú)支架影響下的風(fēng)量為37.18 m3/s，支架影響下的風(fēng)量為35.17 m3/s，相對(duì)誤差為5.4%，對(duì)應(yīng)的誤差線如圖7所示，由圖7可知，當(dāng)巷道中存在支架后會(huì)對(duì)各點(diǎn)風(fēng)速值存在影響，其中誤差較大的點(diǎn)在截面中心附近，而巷道邊緣的相對(duì)誤差相對(duì)較低。

圖6 速度分布曲線（有支架）

表1 測(cè)點(diǎn)風(fēng)速表

圖7 四條直徑相對(duì)誤差線

4 結(jié)論

本研究利用FLUENT軟件對(duì)于圓形巷道中有無(wú)支架情況下的巷道中的風(fēng)流分布情況進(jìn)行模擬，模擬得到各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值。結(jié)果表明：在巷道中安裝支架會(huì)對(duì)巷道斷面的風(fēng)速測(cè)定產(chǎn)生影響，其最大相對(duì)誤差可達(dá)12.3%。平均可以達(dá)到5.7%，對(duì)于風(fēng)量的影響可以達(dá)到5.4%的相對(duì)誤差。綜合已有研究結(jié)果，可以對(duì)進(jìn)一步改進(jìn)礦井主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量測(cè)定方法及進(jìn)行相關(guān)的誤差補(bǔ)償提供一定的理論指導(dǎo)。