基于混合長度理論的巷道風速場規律研究

鄭 義 李 偉 張 浪 張逸斌1

（1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013）

礦井通風系統是由向井下各作業地點供應新鮮空氣，排出污濁空氣的通風網絡、通風動力及通風設施構成的。井下風流絕大多數處于湍流運動狀態，而湍流運動中，流速和壓力都隨時間不斷改變，處于某一平均值上下波動，稱之為湍流脈動。近年來，隨著儀器儀表精度的精細化，通風系統管理模式發生轉變，在礦井通風阻力測定時常發現，現有測試方法在讀取結果時均存在瞬時擾動，即使在實驗室中這種波動現象也異常明顯[1]。目前礦井風量一般通過巷道內懸掛的風速傳感器獲得當地風速，再根據測點所在的斷面積計算平均風速進而得到風量，實質轉化為單點風速問題[2]。周西華等[3]通過實驗室測試和數值分析的方法對圓形斷面風速結構進行研究，得出中垂線上某點風速與平均風速的校正關系。劉楚等[4]采用測量出的巷道平均風速與最大風速比值的方法得到風速分布系數，用于提高巷道風速測量精度。許多專家和學者通過CFD模擬的方法計算不同巷道斷面形狀和支護方式下有無阻礙物時的風速分布規律[5-12]，獲得了風速分布的結果，雖然對部分礦井風量測試起到一定的指導作用、滿足工程需求，但未能進一步推導平均風速計算公式，缺少對湍流運動規律及風速與斷面關系的研究[13]。本研究從礦井湍流內部的混雜運動引起湍流切應力[14]出發，結合實際測量數據，探索井巷斷面上紊流風速分布規律。

1 理論分析

2 圓管斷面任一點風速與平均風速關系實驗

2.1 實驗裝置

實驗裝置示意如圖1，由通風巷道、風機及其附屬裝備、皮托管、單管傾斜壓差計、干濕球溫度計、精密氣壓計、膠管、接頭組成。實驗所用巷道為亞克力板，內徑為284 mm，沿實驗巷道截面中軸線從頂部到底部均勻布置15個測點，測點間距2 cm。

2.2 測試結果

對所測得的15組數據進行整理見表1。

?

2.3 結果分析

依據表1中的15組數據，計算15個測點在式（12）中位置與巷道半徑關系及測點風速與平均風速關系，將結果轉換成以（r1/r0）3/2為自變量，以為因變量的直線方程，即：

將實際測得的風速結果以（r1/r0）3/2為橫坐標，以為縱坐標，整理得到圖2。

由圖2可見，該方程為y=-0.153 61x+1.088 92，方程相關系數R2=0.986 03，說明該回歸方程擬合程度優秀；圓管斷面風速數據均能分布在該直線上，分別將α代入直線的斜率和截距中，可分別得到圓管斷面k=0.029 1，k=0.028 9。

3 實際井下非圓管斷面現場實測

煤礦井下對于巷道風流的度量標準僅有平均風速和巷道風量，通常由通風科技術人員定期測量巷道平均風速、巷道風量、巷道瓦斯濃度及有毒有害氣體濃度等。選取錨桿錨網、錨噴和平整斷面進行風速分布測量，在測點處固定電子風表，待測量后數據保存再讀取，巷道類型見表2。

?

在巷道斷面的中高線上每隔20 cm布置一個測點，共對稱布置15、16、15個測點，巷道斷面處布置框架結構，將風表固定在框架上的測點位置，待風流穩定后讀取結果，再將風表固定至下一測量點，如圖3所示，統計測量結果。將實際測得的風速結果以（r1/r0）3/2為橫坐標，以為縱坐標整理，如圖4。

結合圖 4和表 3可知，巷道越光滑，（r1/r0）3/2與擬合直線越平緩，風速分布差異越小；分別將α代入斜率和截距計算，可得錨桿錨網斷面k=0.031 3，k=0.033 3；錨噴斷面k=0.033 5，k=0.031 2；平整斷面k=0.028 6，k=0.0309 5。k在0.028 6～0.033 5范圍內波動，對比圓管斷面測試結果，無因次系數k近似可取0.03。將求得的k代入式（12）和式（13），得到

?

4 結論

（1）根據普朗特混合長度理論結合量綱分析可得平均風速與巷道斷面任一點風速的關系：巷道斷面任一點風速與平均風速比和實測點位置存在某種線性關系；巷道越光滑，該直線越平緩，風速分布越均勻，粗糙情況則相反。

（2）對于巷道風速傳感器的布置問題，如果需要長期準確地得到某一斷面的風速，可先測量出斷面上一點的準確風速，根據本研究算式推導平均風速點位置，或找出它們之間的校正系數，這樣就可以在以后的監測中，通過測試一點的風速校正得到斷面的平均風速，從而節約時間，簡化操作，以保證能夠長期監測出準確可靠的數據。