巷道直角轉彎對風流影響的Fluent 模擬分析

莫蘇鵬

(中藍長化工程科技有限公司，湖南 長沙 410116)

良好的礦井通風條件是保障礦山安全生產的重要基礎，巷道風量（風速）指標是衡量礦井通風條件的重要指標之一，而礦山井下條件復雜，影響巷道風速測量值的因素眾多，如何選取合適的測量位置是準確測量出巷道真實風速值的基礎。根據《金屬非金屬地下礦山通風技術規范》（AQ 2013.3—2008）的規定，井下測風位置應選擇巷道斷面規整、支護良好的地方，前后10 m 內巷道無障礙和拐點，標準中僅給出指導性意見，實際為何如此規定，對測風準確性的影響原因亦未明確解釋。

為探究巷道改變對風流影響，指導實際風量測定，本文擬采用Fluent 軟件模擬井下直角轉彎巷道的風流分布情況，為準確測定巷道變化情況下的風速提供理論依據。

1 Fluent 計算理論基礎

對于所有流體解算問題，Fluent 求解遵循質量守恒和動量守恒方程，此次研究對象為慣性坐標系中流動守恒方程，其質量守恒方程或連續性方程可表示如下：

式中，Sm為分散相或自定義源項附加于連續相的質量，式（1）是質量守恒的一般通用表示，而且可用于不同類型的壓縮流動場。

對于對稱的2D 結構，其連續方程可表示為：

式中，x表示軸向坐標；r表示徑向坐標；vr表示徑向速度；vx表示軸向速度。

慣性參考系中動量守恒方程見式（3）：

2 直角轉彎風流Fluent 模擬

2.1 礦井巷道直角轉彎工程概況

井下巷道轉彎處的風流受到離心力、局部阻力的作用，風流在經過轉彎處將向巷道外邊壁偏轉，而在轉彎后靠近內外轉角處發生局部失壓，出現風流反向，從而產生局部渦流。直角轉彎處的風流因受到擾動，隨著轉彎后風流繼續流動，轉彎過后風流在巷道摩擦阻力的作用下，斷面風流重新分布，逐漸向穩定狀態發展。

根據礦井巷道實際情況，選取礦井通風中常見的直角轉彎巷道風流為研究對象，如圖1 所示，風流沿直角相交巷道的一側流入，經過巷道轉彎處擾動后，風流從直角相交巷道的另一側流出。本研究通過構建巷道直角轉彎風流模型，深入研究風流在巷道轉彎過程中變化分布情況，以便為工程實際提供指導。

圖1 直角轉彎巷道風流示意

2.2 模型建立

運用ANSYS 內部自帶的ICEM 建立巷道直角轉彎簡單二維模型，模型中巷道直角轉彎前后距離為30 m，保證風流能夠充分發展，巷道斷面規格設置為寬2.7 m，巷道水力直徑為0.6976 m，模型各指標見表1。

表1 模型參數值

根據設計的模型參數，建立Fluent 的二維仿真模型并劃分網格，如圖2 所示。

圖2 模型網格劃分

模型中網格的最大面積為0.183 m2，最小面積為3.45×10-3m2，整體網格劃分質量較好。將所建立的模型導入Fluent 中進行初始檢測，并對模型設定相應的邊界條件，設置風流從右側自由流入。考慮到同一巷道、不同風速下的風流發展可能存在差異，因此本次模擬設置風流分別為低、中、高3 種流速狀態，即入口風速分別設定為1 m/s、3 m/s、7 m/s，風流湍流強度統一設置為5%，巷道壁面粗糙度設置為0.05 m。對模型各參數進行初始化后，進行模擬計算。

2.3 模擬計算

按照設定的各邊界條件，運用Fluent 進行模擬計算，首先計算風速為1 m/s 的工況，模擬計算得到的直角轉彎巷道風速分布云圖如圖3 所示。

圖3 入口風速為1 m/s 的模擬結果

在不改變其他參數的條件下，更改入口風速為3 m/s，并進行模擬計算，模擬計算結果如圖4 所示。

圖4 入口風速為3 m/s 的模擬結果

同理，改變入口風速為7 m/s，模擬計算結果如圖5 所示。

圖5 入口風速為7 m/s 的模擬結果

2.4 模擬結果分析

2.4.1 單風速條件下分析

巷道入口風速為1 m/s 時，風流在入口平直段巷道保持穩定狀態，風流分布較為均勻，無明顯擾動現象，但在靠近直角轉彎處（距離直角轉彎約10 m），風流分布開始受巷道直角轉彎的影響，并呈現出越靠近巷道直角轉彎處，影響越明顯的趨勢。觀察模擬結果可知，在靠近巷道轉彎3 m 內，直角轉彎巷道內彎部風速值明顯增大，外彎處風速值明顯減小，風流在巷道轉彎入彎時出現明顯的偏軸現象；風流在流出轉彎處時同樣受其影響，而且影響距離較入彎時更遠，在超過巷道出彎處20 m 后，巷道風流才明顯穩定；巷道轉彎出口處風流呈現出類似射流的現象，即在巷道出彎處偏中心位置的風速值明顯高于靠邊壁的風速值，這種現象隨轉彎后距離的增加而不斷減小。

2.4.2 多風速條件下對比分析

分別對比巷道入口風速為1 m/s、3 m/s 和7 m/s條件下的風流變化分布云圖，可見不同入口風速條件下的巷道轉彎處風流分布云圖形狀大體相同，差別僅在于巷道內風流的實際風速值不同，即可認為巷道直角轉彎對不同條件下風流的影響是相同的，巷道入口風流速度變化不改變巷道轉彎對風流分布的影響。

2.4.3 巷道直角轉彎風流重新穩定距離

從模擬結果可知，各風速條件下巷道直角轉彎對風流分布影響趨勢相同，即不同風速條件下對風流穩定距離可統一考慮，從風流分布云圖中可明顯看出，風流在巷道轉彎前10 m 左右開始受到影響，風流在過彎后約20 m 才基本穩定。因此，在實際通風測定時應盡量避免因巷道轉彎對風流的擾動而導致風流測定失真的問題，選擇測點時應盡量遠離巷道轉彎擾動區域。

3 結語

本文利用Fluent 流體模擬計算軟件對礦井通風中常見的巷道直角轉彎對風流分布的影響進行模擬計算并分析，形成相關結論如下。

（1）受巷道轉彎影響，風流入彎及出彎都會影響風流的穩定，根據模擬結果顯示，風流入彎時彎內側的風流數值較外側風流數值大，風流在流出直角彎時，巷道中心風流呈現出射流狀，巷道中心風速明顯更大，風流穩定需要的距離也更遠。

（2）不同風速條件下，巷道轉彎處的風流流場變化大體一致，巷道轉彎對風流擾動跟入口風速大小無關。

（3）在實際測風時，可依據模擬分析結果，應盡量避免在巷道轉彎位置進行風量測定。根據Fluent 模擬結果，巷道測風點參考位置要滿足：風流入彎時，測風點應距入轉彎節點10 m 距離以上；風流出彎后，測風點應距離轉彎位置20 m 以上。按照上述距離要求設定測風點，方能保證礦井風量測定的準確性。

本研究利用Fluent 軟件對巷道直角轉彎在不同風速條件下對風流擾動影響進行了模擬分析，模擬分析出巷道內流場分布情況及風流穩定所需的距離，為準確測定巷道轉彎情況下的風速提供了指導。