無風墻機站風流調控效應

彭云

(1.紫金礦業集團股份有限公司， 福建 龍巖市 364200； 2.昆明理工大學， 云南 昆明 650093)

0 引言

礦井通風系統中多個采場等用風地點構成并聯風路，因通風線路長度不一、通風井巷斷面差異及局部阻力等影響導致并聯分支阻力各異，致使用風地點風量不符合設計風量。為保障各用風地點按需供風，需采取風流調控措施，常用的調控方式有增阻調節和增能調節兩種方式[1-5]。

增阻調節方式只需在阻力小、風量大的并聯分支上設置調節風窗增加本分支阻力，具有通風系統簡單、通風設備少等優勢，但在分支上增加風阻會導致通風系統阻力增加、通風能耗增加。增能調節方式在阻力大、風量小的分支內安裝通風機增加分支風量，具有通風設備多且分散、通風管理復雜等不足，但比增阻調節方式通風系統能耗低，從能耗方面考慮，宜優先選用增能調節方式。

增能調節方式因分支內風機命名為輔助通風機，增能調節方式又稱為主—輔扇調控系統。根據輔扇機站布置形式分為有風墻和無風墻兩種，有風墻機站風機受炮轟波沖擊易導致葉片脫落，輔扇常布置成無風墻機站形式[6-8]。有風墻機站風量調控效應與常規主扇通風并無實質差異，而無風墻機站風流調控效應較為復雜，因此，本文對無風墻機站調控效應進行研究。

1 無風墻機站通風效應分析

無風墻機站工作原理如圖1所示，為方便無風墻機站風機放置在巷道中央，風機出口斷面積為A0、出口風速v0，巷道斷面積為A、巷道內風速為v，巷道與機站風機間的環狀空間內面積為A-A0、風速為W。

圖1 無風墻機站工作原理分析

根據機站風機風量與巷道內風量，可分為如下3種情況：

（1） 風機風量小于巷道內風量，即A0*v0＜A*v。從斷面4過來的風流到達斷面3后分成兩路，一路經環狀空間、另一路經風機內部由斷面3到達斷面1混合，即引射狀態。風量出口處風流在風機出口動能作用下呈喇叭狀向外擴散，因風機風量小，擴散面積有限，無法擴散至巷道全斷面。此種狀態下，機站風機只對部分風流做功，且風流擴散面積較小，無法形成風流帷幕效應，通風效應較小。

（2） 風機風量等于巷道內風量，即A0*v0=A*v。從斷面4過來的風流到達斷面3后全部經風機內部由斷面3到達斷面2，并擴散到斷面1，即單流狀態。此種狀態下，風量出口處風流在風機出口動能作用下呈喇叭狀向外擴散至巷道全斷面，形成風流帷幕效應，機站風機對全部風流做功，通風效應較大。

（3）風機風量大于巷道內風量，即A0*v0＞A*v。從斷面4過來的風流到達斷面3后與斷面1返回的部分循環風混合后，全部經風機內部由斷面3到達斷面2并擴散到斷面1，即循環狀態，本狀態和單流狀態一樣形成風流帷幕效應、機站風機對全部風流做功，且斷面1有部分風流流向斷面3，可知斷面1風流能量大于斷面3，通風效應最大。

2 數值模擬

通過數值模擬分析無風墻機站風流調控效應，為分析方便采用二維平面分析模型，建立簡單的兩條并聯巷道模型，如圖2所示。模型內有1個風流入口、2個風流出口。為簡化模型，巷道寬度均為5 m，機站風機長度為4 m，尺寸如圖2所示。

圖2 分析模型

模型中2條并聯分支共用的風流入口設置為velocity-inlet、5 m/s；2條風流出口設置為pressure- outlet、0；風機出、入口均設置為velocity-inlet。所有邊界Turbulent intensity 均為10%，Hydraulic Diameter均為1 m。為了分析機站風機在不同出口斷面下的調控效應，以機站風機在不同出口風速下的調控效應和機站在不同出口寬度（斷面）下的調控效應兩種情況進行分析[9-10]。

（1）機站風機在不同出口風速下的調控效應。選取風機出口寬度2 m模型在出口風速0，2.2，5.5 m/s和8 m/s等4種風速下的調控效應，4種風速分別對應無機站風機作用、小于、等于和大于工作巷內風量4種狀態。

（2）機站風機在不同出口寬度（斷面）下的調控效應。出口風速5.5 m/s時出口寬度分別為1 m、2 m和3 m 3種情況下的調控效應。圖3為風機出口寬度2 m、出口風速2.2 m/s的速度云圖，圖4為風機出口寬度3 m、出口風速5.5 m/s的速度云圖。根據各種情況下的分析結果得出不同出口風速下分析結果見表1，不同出口寬度（斷面）下分析結果見表2。

表2 風機風速5.5 m/s在不同出口寬度（斷面）下分析數據

圖3 風機出口寬度2 m、出口風速2.2 m/s速度云圖

圖4 風機出口寬度3 m、出口風速5.5 m/s速度云圖

表1 風機出口寬度2 m在不同出口風速下分析數據

根據分析數據，繪制出機站風機風速（風量）與工作巷、并聯巷內風量關系曲線如圖5所示。同理根據表2分析數據可繪制出風機在相同出口風速下的風機出口寬度（斷面）與工作巷、并聯巷內風量、風阻關系曲線如圖6所示。

圖5 風機風速（風量）與風量關系曲線

圖6 風機寬度（斷面）與風量關系曲線

表1為風機出口寬度2 m，風機在不同出口風速下的通風效應分析結果：當風機出口風速為0，即無風機作用時，工作巷內風量為11 m3/s；當風機出口風速為2.2 m/s，即機站風量為4.4 m3/s小于無風機作用時工作巷內風量（11 m3/s）時，工作巷內風量為12 m3/s；當風機出口風速為5.5 m/s，即機站風量為11 m3/s等于無風機作用時工作巷內風量（11 m3/s）時，工作巷內風量為13.4 m3/s；當風機出口風速為8 m/s，即機站風量為16 m3/s大于無風機作用時工作巷內風量（11 m3/s）時，工作巷內風量為15.7 m3/s。可知，無風墻機站風機風量在小于、等于和大于工作巷內無風機作用時風量3種狀態下均能調控工作巷內風流，增加工作巷內風量，調控效應隨風機風速而增加。

表2為風機出口風速保持5.5 m/s，風機在不同出口寬度下的通風效應分析結果：風機出口寬度分別為1，2和3時，工作巷內風量分別為12.7 m3/s、13.4 m3/s和14.25 m3/s。可知，工作巷斷面保持不變，風流調控效應隨風機斷面增大而增大，相對的風機斷面越大則工作巷斷面越小，巷道斷面越小則通風效應越大。

3 結論

通過建立無風墻機站數值分析模型，模擬分析了無風墻機站在不同風量和不同出口斷面下通風效應，得出如下結論。

（1）無風墻機站風機風量在小于、等于和大于工作巷內無風機作用時風量均能有效調控風流，增加工作巷內風量；

（2）無風墻機站風流調控效應與機站風機風速、機站風機斷面成正比，與工作巷斷面成反比。