巷道邊壁支護(hù)方式下風(fēng)流場流速分布特征的PIV實驗研究

宋 瑩 朱 萌 鄧立軍 王 東

（1.山東工商學(xué)院管理科學(xué)與工程學(xué)院，山東煙臺264005；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧葫蘆島125105；3.礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點實驗室，遼寧葫蘆島125105）

0 引言

當(dāng)風(fēng)流沿著礦井巷道運動時，由于其自身的粘性、慣性以及巷道壁面等影響形成了對風(fēng)流的阻滯、擾動作用，從而產(chǎn)生礦井通風(fēng)阻力，其中將風(fēng)流運動方向或流經(jīng)截面的突然變化導(dǎo)致的能量損失稱為局部阻力損失［1］。巷道轉(zhuǎn)彎、斷面擴(kuò)大及縮小、不同通風(fēng)構(gòu)筑物、不同巷道支護(hù)方式等影響均能在通風(fēng)井巷中產(chǎn)生較大的局部通風(fēng)阻力，在阻力計算中不可忽視，所以研究局部阻力物對風(fēng)流分布產(chǎn)生的影響，合理布置測風(fēng)點位，對于提高礦井通風(fēng)阻力測算精度具有現(xiàn)實意義。由于井下風(fēng)流運動一般呈湍流態(tài)，湍流的特性之一就是質(zhì)點速度具有隨機(jī)脈動特征，具體表現(xiàn)在通風(fēng)井巷中為風(fēng)流質(zhì)點各變量隨時間和空間的變化極不規(guī)則［2］，稱之為通風(fēng)“測不準(zhǔn)”現(xiàn)象［3］。傳統(tǒng)風(fēng)流測速工具如熱線式風(fēng)速計、畢托管等屬于接觸式技術(shù)不可避免會對流場形成干擾，并且由于自身測速技術(shù)局限導(dǎo)致其無法完成測速流場的瞬時同步測量［4-6］。而粒子圖像測速儀（PIV）作為非接觸式測速技術(shù)，可實現(xiàn)在瞬間捕捉激光片光平面內(nèi)的風(fēng)流質(zhì)點信息而完成全流場的瞬態(tài)測量，突破了激光多普勒測速技術(shù)（LDA）進(jìn)行點測量的局限性。文獻(xiàn)［7-9］利用PIV獲得了不同類型巷道流場風(fēng)流分布特征，為本研究的有效開展奠定了實驗基礎(chǔ)。

本項目以在礦井通風(fēng)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用的工字鋼巷道支護(hù)類型為研究背景，采用不銹鋼條塊模擬巷道邊壁支護(hù)形式，利用PIV技術(shù)對不同風(fēng)速、不同間距支護(hù)影響下矩形巷道速度場進(jìn)行了實驗測試，得到巷道支護(hù)流場風(fēng)流流動特性和湍流結(jié)構(gòu)，對于優(yōu)化礦井通風(fēng)測風(fēng)布置具有重要的作用。

1 實驗裝置及測速系統(tǒng)

1.1 實驗裝置

為探索邊壁支護(hù)方式影響下巷道風(fēng)流分布，在實驗室的條件下對支護(hù)形式進(jìn)行適當(dāng)簡化，基于相似理論，按照1∶20的比例設(shè)計實驗?zāi)Ｐ停谙锏滥Ｐ偷撞坎贾貌讳P鋼條塊模擬工字鋼支護(hù)巷道類型。如圖1（a）所示，實驗測試采用抽出式通風(fēng)方式，整個實驗巷道模型采用折射率低的光滑亞克力板制作加工，利用專用的亞克力膠進(jìn)行膠粘拼接，保證了巷道模型的透光性以及系統(tǒng)密閉性，通過管路將通風(fēng)機(jī)、調(diào)節(jié)閥、整流柵、示蹤粒子布撒裝置、測試段等連接組成，由鋁合金框架支撐形成實驗主體模型。其中測試段部分可進(jìn)行實驗?zāi)Ｐ偷南嗷ヌ鎿Q，測試段長為2.4 m，巷道斷面尺寸為200 mm×200 mm，實驗所用的支護(hù)不銹鋼條塊長為200 mm，斷面尺寸為15 mm×15 mm，并分別按著間距x=55 mm和間距x=125 mm的距離在測試段內(nèi)進(jìn)行逐個布置，如圖1（b）、圖1（c）所示。

實驗所用的PIV測速裝置來自丹麥DANTEC公司，系統(tǒng)組成見圖1，其設(shè)備參數(shù)介紹詳見文獻(xiàn)［7］。本次實驗?zāi)M井下巷道風(fēng)流流動，以空氣流流動作為測試介質(zhì)，其示蹤粒子的選擇尤為重要，結(jié)合前期大量的實驗測試［10］，充分考慮空氣流中示蹤粒子的跟隨性和散射性，采用粒徑可達(dá)到微米量級的光擴(kuò)散劑作為PIV測速技術(shù)的示蹤粒子，能夠有效提高PIV測試的圖像信噪比，滿足實驗精度要求，光擴(kuò)散劑示蹤粒子由布撒裝置在風(fēng)流入口處投放，經(jīng)過整流柵、穩(wěn)流段均勻進(jìn)入到實驗測試段區(qū)域。

1.2 PIV測速原理

PIV測速技術(shù)的工作原理主要是利用布撒在流場中的示蹤粒子成像進(jìn)行流體速度的測量，如圖2所示。由脈沖激光器發(fā)出的片光源照亮流場中的測試區(qū)域，在一定的跨幀時間內(nèi)，利用專用CCD相機(jī)（拍攝頻率5 Hz）拍攝流場中示蹤粒子的前后2幀圖像，將圖像進(jìn)行互相關(guān)計算，得到流場風(fēng)流質(zhì)點的速度分布［7，11］。

2 實驗參數(shù)測定及結(jié)果分析

2.1 實驗測試區(qū)域

PIV片光照射區(qū)域選定為測試段中間的3個支護(hù)條塊，其距離風(fēng)流入口處約25D（D為水力直徑，200 mm）的位置，風(fēng)流已呈穩(wěn)定的充分發(fā)展湍流狀態(tài)。由于PIV的專用CCD相機(jī)拍攝區(qū)域范圍有限，確定拍攝測試范圍180 mm×180 mm，如圖3所示，為突出分析邊壁支護(hù)對風(fēng)流速度變化的影響，實驗分析區(qū)域范圍為180 mm×60 mm。

2.2 實驗參數(shù)測定與數(shù)據(jù)處理

實驗中測試段的風(fēng)速變化由風(fēng)機(jī)末端的風(fēng)量調(diào)節(jié)閥控制，分別在風(fēng)流速度V=2 m/s、3 m/s和4 m/s通風(fēng)工況下，對帶有邊壁支護(hù)的巷道進(jìn)行風(fēng)速測試。為避免曝光對實驗結(jié)果的影響，實驗測試均在晚上進(jìn)行，并將除激光入射面和相機(jī)拍攝面之外的其他實驗巷道區(qū)域用黑布遮擋，不銹鋼條塊用黑膠布纏繞。在實驗過程中通過調(diào)節(jié)2個同步器的激光強(qiáng)度，使得CCD相機(jī)拍攝的2幀圖片亮度及清晰度相近。根據(jù)所測入口風(fēng)流速度的不同，并在實驗中反復(fù)對比2幀圖像的位移，確定每個通風(fēng)工況下對應(yīng)的跨幀時間分別為350 μs、300 μs和 250 μs［7］。在每個工況下連續(xù)采集100組粒子瞬態(tài)速度圖像，利用測速系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理Dynamic Studio軟件，對圖像進(jìn)行去噪及高斯濾波處理，經(jīng)過快速傅立葉變換（FFT）算法互相關(guān)計算，得到流場各瞬態(tài)速度矢量分布，再經(jīng)統(tǒng)計平均處理得到100組圖像的時均速度場，并將測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Tecplot軟件中進(jìn)一步分析，獲得了巷道風(fēng)流場的速度分布規(guī)律。

2.3 實驗結(jié)果分析

實驗得到了在不同風(fēng)速V=2 m/s、3 m/s、4 m/s下，邊壁支護(hù)布置間距分別為x=55 mm和x=125 mm時的巷道流場時均風(fēng)速分布流線圖。

如圖4所示，當(dāng)邊壁支護(hù)間距布置為x=55 mm時，可清晰地看到巷道流場內(nèi)包含了邊界層分離、強(qiáng)剪切流動及二次回流等流動特征。當(dāng)風(fēng)流到達(dá)第一個支護(hù)條塊位置時，由于其阻擋，會產(chǎn)生風(fēng)流場在高度上的變化，下部風(fēng)流緊貼支護(hù)條塊壁面向下流動，上部風(fēng)流由于慣性的作用繼續(xù)向前流動，這樣就會在支護(hù)位置處發(fā)生分離現(xiàn)象［12］，由于上下部位風(fēng)流速度不同，發(fā)生接觸產(chǎn)生剪切運動，直至風(fēng)流被第2個支護(hù)條塊阻擋，即在每2個相鄰支護(hù)條塊之間形成1個大回流渦區(qū)。當(dāng)風(fēng)速在2～4 m/s之間變化時，整個回流區(qū)的長度基本為2個支護(hù)條塊之間的布置間距55 mm，回流渦心位置隨風(fēng)速的增加，距離第2個支護(hù)條塊越近，約在11～13 mm范圍內(nèi)，也可近似認(rèn)為渦心位置不變，可見風(fēng)流速度變化對湍流回流區(qū)長度及渦心位置影響不大。

如圖5所示，當(dāng)邊壁支護(hù)布置間距加大，布置間距為x=125 mm時，可清晰地看到巷道流場風(fēng)流分布呈現(xiàn)出了與布置間距為x=55 mm時的不同流動特征，除了包含邊界層分離、強(qiáng)剪切流動、二次回流等特征外，出現(xiàn)了明顯的再附著運動。當(dāng)風(fēng)流到達(dá)支護(hù)條塊位置時，由于其阻擋，會產(chǎn)生流場在高度上的變化，下部風(fēng)流緊貼支護(hù)條塊壁面向下流動，上部風(fēng)流由于慣性的作用繼續(xù)向前流動，這樣就會在支護(hù)位置處發(fā)生分離現(xiàn)象［12］。而此時，上部風(fēng)流速度與下部風(fēng)流速度之間的差異就會導(dǎo)致漩渦的形成，這種流動的本質(zhì)屬于自由剪切流。由于上下部位風(fēng)流速度的不同，風(fēng)流接觸后發(fā)生剪切運動，并且此過程不斷向前，直至風(fēng)流與下壁面接觸，形成了一個貼近壁面的封閉的湍流回流區(qū)域。當(dāng)風(fēng)速在2～4 m/s之間變化時，整個回流區(qū)的長度基本在30～80 mm范圍內(nèi)，回流渦心位置均在50 mm處，可見風(fēng)流速度變化對湍流回流區(qū)長度及渦心位置影響不大，這與布置間距為x=55 mm時的回流變化特征表現(xiàn)出一致性。

3種風(fēng)速 V=2 m/s、3 m/s、4 m/s條件下雷諾數(shù)Re分別為 2.8×104、4.2×104和 5.6×104，風(fēng)流均處于湍流狀態(tài)，為進(jìn)一步確定風(fēng)流再附點的位置，以近壁面處的速度為0作為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)x≥90 mm時，流線均開始向下壁傾斜指向再附點，再附點位置幾乎不變，這與文獻(xiàn)［13］中提到的當(dāng)流動狀態(tài)達(dá)到紊流時，附著點的長度與Re無關(guān)，基本保持在某一范圍內(nèi)浮動一致。同時，在靠近支護(hù)條塊壁面處存在角渦區(qū)，第1個小角渦大約在30 mm位置處，在圖中雖然沒有明顯的渦體現(xiàn)，但可以看到有反向的流動速度，這是角渦區(qū)回流的一部分。第2個小角渦大約在140 mm位置處，風(fēng)流經(jīng)再附點保持慣性繼續(xù)向前流動時，再遇支護(hù)條塊的支護(hù)影響，一部分風(fēng)流被阻擋，形成了小角渦。

綜上可見，在有壁面支護(hù)方式影響下，風(fēng)流形成的渦流區(qū)高度與巷道支護(hù)高度幾乎一致，并未對主流風(fēng)速流向產(chǎn)生影響，且形成的渦流區(qū)內(nèi)風(fēng)速值較小，渦流區(qū)測風(fēng)方向極不穩(wěn)定，在井下工程測風(fēng)以及布置風(fēng)速傳感器時可有條件地忽略湍流渦流區(qū)。

3 結(jié)論

（1）非接觸PIV技術(shù)獲得了不同風(fēng)速不同邊壁支護(hù)布置間距下巷道流場時均風(fēng)速分布流線，形成包含了邊界層分離、強(qiáng)剪切流動、再附著運動、二次回流等流動特征的渦流區(qū)，進(jìn)一步完善了帶有支護(hù)影響的巷道流場風(fēng)流速度分布結(jié)構(gòu)特征。

（2）在2種支護(hù)布置間距下，風(fēng)流入口速度變化對形成的湍流回流區(qū)長度及渦心位置影響不大；當(dāng)布置間距為125 mm時，進(jìn)一步驗證了風(fēng)流場形成的渦流再附著點長度與Re無關(guān)。

（3）由于巷道支護(hù)影響產(chǎn)生的渦流區(qū)對主流風(fēng)速并未產(chǎn)生影響，渦流區(qū)內(nèi)風(fēng)速較小且方向極不穩(wěn)定，表明井下布置測風(fēng)點位時可有條件地忽略局部構(gòu)件產(chǎn)生的湍流渦流區(qū)。