矿井运输巷道内活塞风流的数值模拟

矿井运输巷道内活塞风流的数值模拟
李立峰;夏辉
【摘要】为了全面深入地了解矿井活塞风,采用FLUENT建立运数值分析模型,得出在运输设备不同运动状态下巷道内的速度场与压力场变化,分析研究活塞风流对矿井通风系统稳定性的影响作用.研究结果对保持通风系统的稳定性,保证矿井安全生产具有参考意义.
【期刊名称】《河南科技》
【年(卷),期】2016(000)017
【总页数】3页(P111-113)
【关键词】活塞风;风流状态;数值模拟;通风系统
【作者】李立峰;夏辉
【作者单位】山东工商学院,山东烟台264005;烟台市环保工程咨询设计院,山东烟台264000
【正文语种】中文
【中图分类】TD724
随着矿井生产能力和矿井机械化程度的提高，矿井运输和提升设备工作时导致的活塞风问题愈加突出。

井下活塞风会对矿井通风系统的稳定性造成扰动，而其变化没有规律，且是经常性的。

所以，要加强对矿井活塞风的控制，确保矿井通风系统的稳定性［1］。

中段运输是矿山一项经常性工作，且速度较大。

由此产生的活塞风对该中段区域的
矿井通风稳定性影响很大。

此时处于运输巷道内的矿内大气湍流流动是一个复杂的三维流动体系，以该体系作为模拟对象，采用FLU⁃ENT软件对其速度场、压力场等进行模拟［2，3］。

1.1 模型几何及网格划分
在运输设备在巷道内产生活塞风的实际情况的基础上，为了方便计算和分析，将运输巷道简化，取巷道断面为矩形，其尺寸为50m×3.2m×3m；运输设备尺寸为
8m× 2m×2m，模型的计算域为巷道内气流空间，如图1所示。

采用GAMBIT软件来构建矿井活塞风模拟的几何模型［4］，见图2。

为了详细了解细小部位的风流，对局部网格进行加密，网格单元尺寸为0.1m，共得到402 820个体积单元。

1.2 模型边界与计算方法
模型边界出入口采用系统中的风流出入口，入口风速设定为2m/s，假设风速均匀分布，以巷道壁面作为固定边界。

出口类型为充分发展流，即outflow。

求解流速和压力耦合时采用SIMPLEC算法；接口黏度系数与密度按照相邻节点的算术平均值计算；采用标准k-ξ湍流模型NS时均方程；压力场采用标准离散方式，其他采用二阶迎风格式离散［5］。

经过FLUENT解算，得到中段运输时产生的活塞风的流场及速度分布［6，7］。

为了便于分析活塞风效应，对以下3种情况的活塞风气流进行了三维模拟：运输
设备速度分别为0、8、-8m/s时产生的活塞风，其中0风速的数据用于对比。

为了便于分析巷道内各部分的风流状态，将其划分为多个子平面，即：平行于巷道底面的Z=0、1.0、1.9、2.8m子平面；垂直于中轴线的X=-4、0、4、8m子平面；平行于侧壁的Y=0、0.4、0.8、1.2m子平面。

2.1 v=0m/s时各子平面速度分布
其速度流场如图3、4、5所示。

分析可得，对巷道风流来说，静止的运输设备就
是一个正面障碍物，当巷道风流逐渐接近时，在运输设备的正前方有一个加压减速
区；在运输设备与巷道之间的环状空间内，由于风流通过截面的缩小，风流速度急剧增大。

绕过运输设备后，再次出现加压减速区，并在运输设备的后部出现小速度尾流，并有反向的回流形成漩涡。

2.2 v=-8m/s时各子平面速度分布
运输设备以速度-8m/s运行，与原风流方向相反。

巷道内风流分布具体见图6、7、8。

从图6、7、8中可以看出，原本分布均匀的风流速度流场在逐渐靠近运输设备时，风流分布变得不规则，随着距离的缩小，平行于底面的子平面上风流速度出现一个条带状低速区。

由于运输设备的阻碍作用，在运输设备的正前方，有一个该方向速度为0的分界面，为保持流体的连续性，风流在另外2个方向流动。

在巷道与运
输设备间形成的环状空间内，风流速度出现局部急剧增大的现象，在运输设备的前方上角部位出现风速最大值。

绕过运输设备后，由于边界层分离，各种漩涡发展充分，风流速度减小。

2.3 v=8m/s时各子平面速度分布
运输设备以速度8m/s运行，与原风流方向一致。

巷道内风流分布具体见图9、10、11。

由于速度一致，此时对于巷道内风流来说，运输设备已经不作为障碍物存在。

从图9、10、11中可得出：在风流的入口段，风流流场结构较为简单，基本接近均匀
分布。

由于运输设备运行产生的速度流场作用，在运输设备前后出现风流高速区，在环状空间内的风流速度反而出现了速度降低的情况。

平行于底面的子平面上，运输设备前方，风流速度较高，在运输设备通过后，速度迅速下降。

垂直于底面的子平面上，在运输设备后方临近处出现风流高速区，在运输设备后方的中间区域出现最大速度。

为分析运输设备不同运动状态情况下巷道内沿程速度分布与压力分布的详细情况，
选取巷道底板中轴线上方Z=2.1m处的沿程速度与压力分布曲线，如图12、13
所示。

从图12、13中可以看出：运输设备在巷道风流相向运行时，运输设备前端会有一个高压带，冲击巷道原有的速度场；而在环形区域内速度场将剧烈震荡，在接近运输设备时速度达到最大值，随之锐减，复又增加，至设备末端；其总体速度也高于其他2种情况；在相向运行时，沿程压力变化不大，未出现明显的震荡情况。

当活塞风方向与矿井通风系统的风流方向相同时，对矿井通风是有利的；当活塞风方向与矿井通风系统的风流方向相反时，通风区域内风量会随之减少，减少的幅度随活塞风的大小变化，甚至可能出现局部时段的反风。

从通风系统稳定性的角度来看，这是对原通风状态的扰动，巷道断面上的风流速度会随之发生很大变化，是不希望发生的。

因此，在确定和测定矿井通风风流的风量时和通风网络构建过程中，要考虑活塞风的存在，必要时对矿井活塞风进行有效控制。

【相关文献】
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