巷道邊壁支護方式下風流場流速分布特征的PIV實驗研究

宋 瑩 朱 萌 鄧立軍 王 東

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

0 引言

當風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流的阻滯、擾動作用，從而產生礦井通風阻力，其中將風流運動方向或流經截面的突然變化導致的能量損失稱為局部阻力損失［1］。巷道轉彎、斷面擴大及縮小、不同通風構筑物、不同巷道支護方式等影響均能在通風井巷中產生較大的局部通風阻力，在阻力計算中不可忽視，所以研究局部阻力物對風流分布產生的影響，合理布置測風點位，對于提高礦井通風阻力測算精度具有現實意義。由于井下風流運動一般呈湍流態，湍流的特性之一就是質點速度具有隨機脈動特征，具體表現在通風井巷中為風流質點各變量隨時間和空間的變化極不規則［2］，稱之為通風“測不準”現象［3］。傳統風流測速工具如熱線式風速計、畢托管等屬于接觸式技術不可避免會對流場形成干擾，并且由于自身測速技術局限導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，可實現在瞬間捕捉激光片光平面內的風流質點信息而完成全流場的瞬態測量，突破了激光多普勒測速技術（LDA）進行點測量的局限性。文獻［7-9］利用PIV獲得了不同類型巷道流場風流分布特征，為本研究的有效開展奠定了實驗基礎。

本項目以在礦井通風領域具有廣泛應用的工字鋼巷道支護類型為研究背景，采用不銹鋼條塊模擬巷道邊壁支護形式，利用PIV技術對不同風速、不同間距支護影響下矩形巷道速度場進行了實驗測試，得到巷道支護流場風流流動特性和湍流結構，對于優化礦井通風測風布置具有重要的作用。

1 實驗裝置及測速系統

1.1 實驗裝置

為探索邊壁支護方式影響下巷道風流分布，在實驗室的條件下對支護形式進行適當簡化，基于相似理論，按照1∶20的比例設計實驗模型，在巷道模型底部布置不銹鋼條塊模擬工字鋼支護巷道類型。如圖1（a）所示，實驗測試采用抽出式通風方式，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行膠粘拼接，保證了巷道模型的透光性以及系統密閉性，通過管路將通風機、調節閥、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行實驗模型的相互替換，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的距離在測試段內進行逐個布置，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，系統組成見圖1，其設備參數介紹詳見文獻［7］。本次實驗模擬井下巷道風流流動，以空氣流流動作為測試介質，其示蹤粒子的選擇尤為重要，結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，采用粒徑可達到微米量級的光擴散劑作為PIV測速技術的示蹤粒子，能夠有效提高PIV測試的圖像信噪比，滿足實驗精度要求，光擴散劑示蹤粒子由布撒裝置在風流入口處投放，經過整流柵、穩流段均勻進入到實驗測試段區域。

1.2 PIV測速原理

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

2 實驗參數測定及結果分析

2.1 實驗測試區域

PIV片光照射區域選定為測試段中間的3個支護條塊，其距離風流入口處約25D（D為水力直徑，200 mm）的位置，風流已呈穩定的充分發展湍流狀態。由于PIV的專用CCD相機拍攝區域范圍有限，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對風流速度變化的影響，實驗分析區域范圍為180 mm×60 mm。

2.2 實驗參數測定與數據處理

實驗中測試段的風速變化由風機末端的風量調節閥控制，分別在風流速度V=2 m/s、3 m/s和4 m/s通風工況下，對帶有邊壁支護的巷道進行風速測試。為避免曝光對實驗結果的影響，實驗測試均在晚上進行，并將除激光入射面和相機拍攝面之外的其他實驗巷道區域用黑布遮擋，不銹鋼條塊用黑膠布纏繞。在實驗過程中通過調節2個同步器的激光強度，使得CCD相機拍攝的2幀圖片亮度及清晰度相近。根據所測入口風流速度的不同，并在實驗中反復對比2幀圖像的位移，確定每個通風工況下對應的跨幀時間分別為350 μs、300 μs和 250 μs［7］。在每個工況下連續采集100組粒子瞬態速度圖像，利用測速系統中的數據處理Dynamic Studio軟件，對圖像進行去噪及高斯濾波處理，經過快速傅立葉變換（FFT）算法互相關計算，得到流場各瞬態速度矢量分布，再經統計平均處理得到100組圖像的時均速度場，并將測試數據導入到Tecplot軟件中進一步分析，獲得了巷道風流場的速度分布規律。

2.3 實驗結果分析

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

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

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

3種風速 V=2 m/s、3 m/s、4 m/s條件下雷諾數Re分別為 2.8×104、4.2×104和 5.6×104，風流均處于湍流狀態，為進一步確定風流再附點的位置，以近壁面處的速度為0作為標準，當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［13］中提到的當流動狀態達到紊流時，附著點的長度與Re無關，基本保持在某一范圍內浮動一致。同時，在靠近支護條塊壁面處存在角渦區，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，但可以看到有反向的流動速度，這是角渦區回流的一部分。第2個小角渦大約在140 mm位置處，風流經再附點保持慣性繼續向前流動時，再遇支護條塊的支護影響，一部分風流被阻擋，形成了小角渦。

綜上可見，在有壁面支護方式影響下，風流形成的渦流區高度與巷道支護高度幾乎一致，并未對主流風速流向產生影響，且形成的渦流區內風速值較小，渦流區測風方向極不穩定，在井下工程測風以及布置風速傳感器時可有條件地忽略湍流渦流區。

3 結論

（1）非接觸PIV技術獲得了不同風速不同邊壁支護布置間距下巷道流場時均風速分布流線，形成包含了邊界層分離、強剪切流動、再附著運動、二次回流等流動特征的渦流區，進一步完善了帶有支護影響的巷道流場風流速度分布結構特征。

（2）在2種支護布置間距下，風流入口速度變化對形成的湍流回流區長度及渦心位置影響不大；當布置間距為125 mm時，進一步驗證了風流場形成的渦流再附著點長度與Re無關。

（3）由于巷道支護影響產生的渦流區對主流風速并未產生影響，渦流區內風速較小且方向極不穩定，表明井下布置測風點位時可有條件地忽略局部構件產生的湍流渦流區。