基于數值模擬的獨頭巷道熱舒適性研究與優化

馬 東 任 能 楊 欠

（安徽工業大學能源與環境學院）

隨著礦井開采深度的增加，井內的熱害現象愈加嚴重，尤其對于通風不暢的獨頭巷道更是如此。高溫、高濕的巷道環境不僅影響了工人們的工作效率，還嚴重損害著人們的健康［1］。通風降溫由于成本低廉且操作簡便成為巷道的主要降溫手段［2］。

對于獨頭巷道通風與優化方面，已有一些研究。王文才等［3］對風筒懸掛位置與通風效果之間的關系進行了研究，得出了風筒出口至掘進工作面距離的最佳公式，為送風風筒的布置提供了依據；杜翠鳳等［4］對掘進巷道的通風降溫進行模擬，得到了風流溫度與風量、入風溫度及巖壁溫度的變化規律；曹亞平［5］分析得出風量與出口風溫之間近似為冪函數關系；余學云等［6］基于PMV指標對巷道內的溫濕環境進行研究，優化了送風速度及溫度，在送風滿足人體熱舒適度的基礎上提出了節能策略。目前大多數巷道的通風設計是參照《金屬非金屬礦山安全規程》［7］，要求井下作業地點溫度達到26℃以下，但實際投入運行的通風系統較少考慮到人體舒適度，部分針對人體熱舒適度的研究未考慮送風濕度對降溫效果的影響。

通過Fluent軟件對巷道內的風流流動進行數值模擬，分析送風風筒直徑及送風參數對降溫效果的影響。將工人工作區域視為舒適度控制區，引入PMV指標評價控制區的熱環境并確立最優制冷方案。

1 熱環境評價指標

對于礦井熱環境的評價，可分為主觀評價指標與客觀評價指標。其中主觀評價指標即采用問卷調查方式通過工人們的主觀意識對礦井熱環境進行評價。客觀評價指標則包括空氣齡、換氣效率、能量利用系數、PMV-PPD等［8］。

PMV（Predicted Mean Vote）綜合反映了穩態熱環境下人的活動、衣著、環境的空氣溫度、相對濕度、風速與輻射溫度等因素的關系及其綜合影響，是表征人體熱舒適的一個較客觀的指標［9］。其計算公式為

式中，M為人體代謝率，W/m2；W為人體所作機械功，W/m2；Pa為空氣中水蒸氣分壓力，pa；ta為人體周圍空氣溫度，℃；tr為平均輻射溫度，℃；fcl為服裝面積系數，tcl為服裝外表面溫度，℃；hc為表面傳熱系數，W/（m2℃）。

PMV對應的熱感覺等級劃分見表1。

2 數值模擬

2.1 物理模型

模擬計算對象為深井獨頭巷道，其幾何尺寸為12 m×2.6 m×2.8 m（長×寬×高）。風筒軸心距巷道頂端0.5 m，距巷道側壁0.5 m。將幾何尺寸為3 m×2.4 m×1.5 m（長×寬×高）的立方體區域作為舒適度控制區域并對其重點分析。控制區域距巷道掘進面0.3 m，距巷道底部0.3 m，距兩側壁面0.1 m（圖1）。

2.2 數學模型

2.2.1 基本假設

巷道中風流呈高雷諾數的紊態流動，為簡化問題，對風流做出合理假設如下：

（1）巷道內風流為三維穩態流體，流體的紊流黏性具有各向同性。

（2）巷道內風流為不可壓縮流體且滿足Boussinesq假設，即認為流體的密度變化僅對浮力產生影響。

（3）壁面為定溫邊界條件。

（4）忽略巷道內除圍巖以外的其他散熱及流體黏性力做功引起的耗散熱。

2.2.2 控制方程

基于以上假設，巷道內風流的質量方程、能量方程、動量方程等采用通用形式：

式中，ρ為空氣密度；?為通用變量；V為速度矢量；S?為源項；Γ?為擴散項系數。

2.3 邊界條件與參數設定

該物理模型以風筒出口為入口邊界條件，以風筒出口處的巷道截面為出口邊界條件。入口邊界條件設為速度入口，出口邊界條件設為自由出流，壁面條件設為無滑移邊界條件，壁溫30℃，巷道相對濕度85%。

2.4 研究案例

固定送風量6 104 m3/h，研究不同風筒直徑、送風溫度和相對濕度條件下的獨頭巷道內的溫度、濕度、速度和PMV場的分布特性。案例情況見表2。

3 結果分析

3.1 風筒直徑

為探究風筒直徑對通風降溫效果的影響，選取案例1～案例3并截取過風筒中心軸線垂直剖面進行分析。

過風筒中心軸線垂直剖面溫度分布如圖2所示，風流從送風風筒射出后形成低溫區域。隨著送風射流的發展，風流與巷道高溫壁面之間發生對流換熱，沿巷道軸向方向溫度逐漸增大。沿巷道垂直方向，由于底部巖壁溫度較高且距離低溫風流較遠，換熱效果較差，因此巷道底部風流溫度偏高。對比案例1～案例3可知，600 mm直徑送風風筒的降溫效果要優于其他2種風筒。

過風筒中心軸線垂直剖面風速分布如圖3所示，巷道風流流場分為附壁射流區、沖擊射流區、回流區、渦流區［11］。風流從送風風筒射出后，不斷卷吸周圍空氣并得到發展，且在經過一段距離后形成貼附射流。在巷道末端，射流體開始析出氣體。射流體到達掘進工作面后形成沖擊射流，沖擊射流受到掘進面限制后折返并形成回流。回流區的一部分氣體由于射流體的卷吸作用進入射流區，另一部分氣體排出巷道外。射流區與回流區的交界處為渦流區。射流軸心速度隨著射流的發展逐漸降低。對比案例1～案例3可知，600 mm直徑風筒邊緣更接近巷道巖壁，貼附效果更明顯。

過風筒中心軸線垂直剖面水蒸氣質量分數分布如圖4所示，風筒出口射出的低濕風流與巷道內的高濕環境進行水蒸氣交換后，高濕空氣被帶出巷道，進而巷道內水蒸氣質量分數下降。隨著風筒直徑的增加，沿巷道垂直方向水蒸氣分布梯度增大。對比圖2與圖4可知，巷道溫度與水蒸氣質量分數的分布具有相似性。

過風筒中心軸線垂直剖面PMV分布如圖5所示，風流從風筒出口射出后PMV值不斷升高。PMV值最高處為射流區與回流區交界處的渦流區，這是由于渦流區風速較低，無法帶出熱量。結合溫度場分布來看，PMV和溫度關系密切。溫度越高的區域，PMV值越大。對比案例1～案例3可知，在相同位置，600 mm直徑送風風筒下的PMV值相對其他2種風筒更低。

3.2 送風參數

為探究送風溫度對通風降溫效果的影響，選取案例4并截取過風筒中心軸線垂直截面Y=2.1 m進行分析，結果如圖6所示。

送風溫度降低而濕度不變時，通過圖6（a）與圖2（c）對比表明：相同位置的氣流溫度隨之降低，巷道垂直方向上的溫度梯度變大。通過圖6（c）與圖5（c）對比表明：PMV場受到溫度及濕度變化的影響，相同位置處的PMV下降明顯。

為探究送風濕度對通風降溫效果的影響，選取案例5并截取過風筒中心軸線垂直截面Y=2.1 m進行分析，結果如圖7所示。

通過圖6與圖7對比表明，當送風濕度降低而溫度不變時，由于風流與壁面的濕度差增大，巷道的濕度分布發生了變化，沿巷道垂直方向的濕度梯度增大。受到濕度變化的影響，相同位置處的PMV下降，但下降幅度較小。

4 制冷方案優化

沿垂直方向每隔0.3 m將控制區域切割為共6個平面，記錄各平面上的最大與最小PMV值，整理并得到圖8所示PMV散點圖。

由圖8可知，不同案例下控制區域PMV分布的趨勢近似。案例1控制區域的PMV范圍為1.24～1.73；案例2控制區域的PMV范圍為1.19～1.70；案例3控制區域的PMV范圍為1.12～1.66；案例4控制區域的PMV范圍為0.53～1.26；案例5控制區域的PMV范圍為0.46～1.18；案例6控制區域的PMV范圍為-0.07～0.86；案例7控制區域的PMV范圍為-0.16～0.80。由案例1～案例3的PMV分布可知：隨著風筒直徑的增加，控制區域內PMV整體下降。綜上，較大直徑風筒和較低風速的通風方式更適合獨頭巷道降溫。平面1的PMV分布較低，這是因為平面1靠近巷道頂端，與低溫送風風流接近，溫度較低。平面4與平面5的PMV分布較高，這是因為平面4與平面5靠近巷道底部渦流區，風速較低且溫度較高。

根據PMV對應熱感覺等級可知：案例1～案例3下的控制區域最大PMV值均大于1，級別在Ⅴ（稍暖）—Ⅵ（暖），不滿足舒適度控制需求。降低送風風流溫濕度后，控制區域的PMV值隨之降低，且溫度變化對PMV影響更大。在案例6及案例7條件下，控制區域內PMV分布范圍在-1～1，熱舒適度評價為Ⅲ（稍涼）—Ⅴ（稍暖），基本滿足舒適度控制需求。

各案例所需制冷量可按式（3）計算：

式中，Q為制冷量，kW；G為送風質量流量，kg/s；hw為巷道內風流焓值，kJ/kg；ho為送風風流焓值，kJ/kg。

由此得出各案例制冷量如圖9所示。

由圖8～圖9可知，案例1～案例4的制冷量較低，不能滿足巷道降溫需求。案例5不僅不滿足降溫需求，且制冷量較高。而案例6、7可以滿足巷道降溫需求。比較案例6、7制冷量大小可知：案例6是巷道壁面溫度30℃，相對濕度85%條件下的最佳制冷方案。

5 結論

（1）獨頭巷道壓入式通風的風流流場分為貼附射流區、沖擊射流區、回流區和渦流區。隨著射流的發展，其貼附過程逐漸明顯；風流從風筒出口流出后，經過與高溫巷道巖壁的對流換熱，其溫度不斷升高并在巷道末端趨于穩定；巷道風流的溫度分布與水蒸氣質量分數分布具有相似性。

（2）對于控制區域熱舒適度而言，大直徑風筒低風速條件下的PMV值更低；降低送風溫度與相對濕度都會導致控制區域PMV值的下降，且溫度改變對PMV的影響更大。因此綜合送風所需的制冷量考慮，應采用較低溫度較高相對濕度的送風風流。

（3）針對本文的獨頭巷道條件給出最佳方案：壁面溫度30℃，相對濕度85%條件下，采取600 mm直徑風筒通入v=6 m/s、t=20℃、相對濕度70%的送風風流。