基于CFD矿井通风网络解算

达方 程 ：
』 ＋ｖ －・ ｓ ＝ （ ） 一 ＋ ＋ｉ 。 ５ ｄ ｇ０ ｎ
．
ｌ ／ 一 ｄ ｄ＝ 口
温 度特 征线 方程
Ｐ ：÷（ ＋ ） ．
ｃ
（０ １）
（ １ １）
ｃ
．
（ Ａ—Ｋｓ Ｋ ）・
』 一 寿 Ｉ— （ ｔ ４ 一） ｖ ｏ ｌＫ ３ 【
率等 于单 位 时 间外 界对 系统 所做 的功及传 入 热量 的
２ ０
符
晓 ： 于 Ｃ Ｄ矿 井通风 网络 解 算 基 Ｆ
２ １ 年 ９月第 ９期 ０１
和， 则可 建立 起流 体一 维微 分能量 方 程 ：
警＋ （） ＋ａ＝ 器 Ｔ
一
，
△ ｔ
０， Ｉ ）
Ａ
二 Ⅱ
左特 征线 方程 ｃ ：
Ｊ ＋ －＋ｉ＝． ４ 壶 ＋ ｖｇ００ ｓ ｌｎ
【 ／ ＋ ｄ ｄ： ｎ ｘ
右 特征 线方 程 Ｃ一
式 中去 ， Ｌ
＝
’ｐｃＬ； ｐＡ）＋ Ｌ —Ａｐ ＝ ｐｔＭ （
＋ ．
（ 一 ）
联 立方程 （ ） （ ） （ ） 可得 、 ７ 、８ 和 ９ ， Ｐ 和 的表
△
０
Ｉ
１
… …
ｉ
ｉ ＋１
Ｍ
管 道，
。
２ 特 征 线 法
联立 方程 （ ） （ ） （ ） 写 出特 征矩 阵形 式得 ： １ 、２ 、３ ，
ｐａ
图 ２ ， 面 中 的特 征 线 平
１ Ａ ＝
Ｐ
ｒ ＋ ＋ 壶
【 ｘ ｄｔ＝ 一 ０ ｄ／
如果 阀 门位 于 管道某 处 。在 管 １ 通 过 已知 Ｋ ， ， 和 ， 可得 Ｐ 的 函数表 示式 为 ：
Ｐｃ ： ＫＡ —ｐ １ｃ． ｌ ｌ ａ １
计算得 ＫＡ 。相反 ， 过方 程 （ ０ 可计 算 虚拟 Ｋ ： 通 １） 可 以根 据 方 程 （ １ 计 算 入 口的 速 度 。右 边 界 １）
摘
要
传 统 的通风 网络解 算方 法分析 网络 中风流 状 态时 ， 将风 流视 为 定常流 动 ， 都 不能模 拟
网络 中的动 态变化过 程 。 实际上 ， 通 风 网络发 生 灾变的 情 况 下 经常 会遇 到 非 定 常 流动 。通 过 分 在 析 矿 井 灾变时期 通风 网络 中一 维非定 常 可 压 缩流 体 的 空 气流 动 规律 ， 用 Ｃ Ｄ分 析 方 法 ， 出新 应 Ｆ 提 的矿 井通风 网络 解 算方 法 ， 即特征 线 法 ， 高矿 井通 风 管理 的质量 ， 强矿 井的抗 灾能力 ， 保 煤矿 提 增 确
：０
，
ｄ 时 间内对 微元 体运 用质 量 守恒定 律 ， ： 有
１
—
ｉ 业 ＋业 ） ＋ （
ｄ ｄ ￡ ａ
Ｄ０。
（） １
式 中 ， 流体音 速 ， ／ ； 气 体密 度 ，ｇ ｍ ； ａ为 ｍ ｓｐ为 ｋ／ 为 流 体流 速 ， ／ ； 为 时间变 量 ， ； ｍ ｓｔ ｓｐ为流 体 平 均压 力 ，
根 据方 程 （ ） （ ） （ ） 可 以得 到特 征线 方程 ４ 、５ 和 ６ ，
的 中心 差商 方程 ：
假设 在入 口有 恒定 的压 力 Ｐ （ 单 起 见忽 视 了 。简 进 口损失 和 减 少 伯 努 利 压 力 ） 在 管 道 出 口关 闭 阀 ， 在入 口端 ， 过方程 （ ４ 可 以较 容 易 的计 算 得 通 １）
式 中 ， 达 西摩 阻系数 ； 当地 重 力加 速 度 ； Ａ为 ｇ为 ０为 微元 段 与水平 轴 的夹 角 ； 管道 的平 均直 径 ， ｄ为 ｍ。
１ ３ 能 量方 程 ．
符
４ 号 ７
晓 （９ ５ ） 女 ， １８ 一 ， 硕士研究生 ，２０ ０辽宁省阜新市 中华 路 １ ３０
依 据 能量 方 程 ， 即微元 体 系统 能量 的 时 间变 化
安 全 生产 。
关键 词
Ｃ Ｄ 矿 井通 风 Ｆ
网络 解算
特征 线 法
Ｒｅ ｅ ｃ ｎ ｎ ｉ ｉ ｎ ｔ ｒ Ｓ ｌ ｉ ｎ ｏｆＭ ｉ ｓ ｄ ｏ ｓ ａｒ ｈ ｏ Ｖｅ ｔｌ ｏ Ｎｅ ｗｏ ｋ ｏ ｕｔｏ ｎｅ ｂａ ｅ ｎ ＣＦＤ ａｔ
Ｆｕ Ｘｉ ｏ ａ
Ｐ； ａ 为管 道位 置变量 ， ｍ。
微 元 流体在 管道 中的运动 状态 见 图 １ 。
与通 风有 直接 的关 系 。通 风状况 的好坏 直接 影 响工
人 的安全 、 康 和劳动 效率 ， 直接 关 系到煤 矿 的安 健 也 全生 产 、 经济 效益 和可 持续 发展 Ｊ 。
图 １ 可 压 缩 单 相 流体 流 经 管 道
一
ｐａ ｃ
，
（） ３
善卫 ，
１
ｉ １ －【 （ 一 ） （ １ 一 — Ｊ－） ｆ 】 Ｊ １ — １ ＋ ）
式 中 ， 为 管道 内流体 比热容 ，／ ｋ Ｋ） Ｔ为管 道 Ｃ Ｊ （ ｇ・ ； 内流体 温度 ， Ｔ 为 管 道埋 深 处 土壤 温度 ， Ｋ为 Ｋ； ｏ Ｋ； 管道 总传 热 系数 ， （ ・ ） Ｗ／ ｍ Ｋ 。
速度 为零 ， 从方 程 （ １ 可解虚 拟 有 ： １）
Ｋ Ｂ＝Ｋ Ａ （ ６ １）
来自百度文库
（ ８ １） （ ９ １）
同理 ， 管 ２ 在 ：
Ｐｃ ＝ ＫＢ ２ ２一ｐ ２ｃ． ａｖ２
（ ｏ ｅｅｏ ａｅ ｃ ｎｅａｄＥ ｇ ｅｒ ｇ ｉｏｉｇＴ ｃｎｃｌ ｎｖｒ ｔ） Ｃ ｌ ｇ ｆ ｆ ｙＳ ｉ ｃ ｎ ｎ ｉ ｅｉ ，Ｌａｎｎ ｅｈ ｉ ｉｅ ｉ ｌ Ｓ ｔ ｅ ｎ ｎ ａＵ ｓｙ
Ａｂｓｒ ｃ Ｉ ｔ ｎ ｌ ｓｓ ｆ ａ ｒｌｗ ｓａ ｕ ｉ ｎ ｔ ｒ ｂ ｔａ ｉ ｏ ａ ｅ ｔｌｔｏ ｎ ｔ ｒ ｓ ｌ ｔｏ ｔａ ｔ ｎ ｈｅ ａ ａｙ ｉ ｏ ｉｆｏ ｔ ｔ ｓ ｎ ｅｗｏ ｋ ｙ ｒ ｄｔ ｎ ｌ ｖ ｎ ｉａｉ ｎ ｅｗｏ ｋ ｏｕ ｉ ｎ ｉ ｍｅ ｈ ｄ，ａｒｌｗ ｓａ ｗａ ｓ ｃ ｎ ｉ ｅ ｅ ｓｓｅ ｄ ｏ ｔｏ ｉｆｏ ｗａ ｌ ｙ ｏ ｓｄ ｒ ｄ ａ ｔ ａ ｙ ｆ ｗ，ｄ ｎ ｍｉ ｈ ｎ ｉ ｏ ｅ ｓｉ ｔ ｒ ｏ ｌ ｏ ｅ ｌ ｙ ａ ｃ ｃ ａ ｇｎｇｐｒ ｃ ｓ ｎ ｎｅｗｏ ｋ ｃ ｕ ｄ ｎ ｔｂ ｓｍｕ ａ ｅ ｉ ｌ ｔｄ． Ａｃｕａｌ ｔ ｌｙ，ｉ ｈ ａ ｅ ｏ ｅ ｔ ａ ｉｎ ｎ ｔ ｒ ｉａ ｔｒａｒｌｗ ｌ ｙ ｓｕｎ ｔａ ｙ ｆｏ ｎ ｔ ｅ ｃ ｓ ｆｖ ｎ ｉ ｔ ｅｗｏ ｋ ｄ ｓ ｓｅ ｉｆｏ ａｗａ ｓｗａ ｓｅ ｄ ｗ．Ｔｈ ｏ ｇ ｌ ｏ ｌ ｒｕ ｈ ｔｅ ａ ａｙ ｉ ｆａｒｆ ｗ ａ ｏ ｎ — ｉ ｎｓｏ ａ ｓｅ ｄ ｏ ｒ ｓ ｉ ｌ ｏ ａ ｒｉ ｅ ｔ ａ ｉｎ ｎｅｗｏ ｋ ｄ ｒｎ ｈ ｎ ｌｓｓｏ ｉ ｏ ｌｗ ｆｏ ｅ ｄ ｍｅ ｉ ｎ ｌｕｎ ｔａ ｙ ｃ ｍｐ ｅ ｓｂ ｅｆ ｗ ｉ ｎ ｖ ｎｉ ｔ ｔ ｒ ｕ ｉ ｇ ｌ ｌ ｌ ｏ ｍｉ ｅ ｄｓ ｓｅ ｅ ｉｄ，ｎ ｗ ｎ ｅ ｔｌｔｏ ｅｗｏ ｋ ｏ ｕ ｉｎ ｍｅｈ ｄ－ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｍｅ ｈ ｄ ｗａ ｒ ｐ ｓ ｄ ｎ ｉａ ｔｒ ｐ ｒｏ ｅ ｍｉ ｅ ｖ ｎ ｉａｉｎ ｎ ｔ ｒ ｓ ｌ ｔ ｔｏ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ｔ ｏ ｓ ｐ ｏ ｏ ｅ ｏ ｂｙ ｕ ｉ ｇ ＣＦＤ ｎ ｌ ｓｓｍｅｈ ｄ，ｔ ｍｐｒ ｖ ｈ ｕａｉ ｆｍｉ ｅ ｉａｉ ｎ ｍａ ａ ｅ ｎｔ ｎ ａ ｃ ｈ ａ ｓｎ ａ ａ ｙ ｉ ｔ ｏ ｏｉ ｏ ｅ ｔ ｅ ｑ ｌｔ ｏ ｎｅ ｖ ｎｔ ｔ ｎ ｇ ｍｅ ，ｅ ｈ ｎ ｅ ｔ ｅ ｃ — ｙ ｌ ｏ ｐ ｃ ｔ ｏ ｅ ｉｔｎ ｔ ｒ ｌｄ ｓ ｓｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｉ ｆｒ ｒ ｓｓｉ ｇ ｎａｕ ａ ｉａ ｔ ｒ ｆｍｉ ｅ，ｅ ｓ ｅ ｔｅ ｓ ｆ ｔ ｒ ｄ ｃ ｉｎ ｏ ｏ ｌｍｉ ｅ ｙ ｎ ｕｒ ｈ ａｅｙ ｐ ｏ ｕ ｔｏ ｆｃ ａ ｎ ． Ｋｅ ｗｏ ｄｓ ＣＦ ，Ｍｉ ｅ ｖ ｎｉａｉ ｎ，Ｎｅｗｏ ｋ ｓ ｌ ｔｏ ｙ ｒ Ｄ ｎ ｅ ｔ ｔ ｌ ｏ ｔ ｒ ｏｕ ｉｎ，Ｃｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｔ ｏ ａ ａ ｔ ｒｓｉ ｍｅｈ ｄ ｃ
．
（） ６
。 一
（ 一 ｐ ｐ
．
Ａ ） ２ （ 一２ （ｃ＋ Ｋ ）
１ｄ ６
ｃ ２ Ｋ
＋
ｄ ｄ ／ ＝
口Ａ ｔ 。
ｐ ｄ
。 Ａ ｔ
’
为保 证差 分 方 程 的 稳 定 性 ， 道 步 长 Ａ 管 ｘ和 时 间步 长 △ 之 间必须 满足 下列 关 系 ：
Ａｘ ＝ ｌ Ｎｘ ／
ｐ— ｔｓ ３＋ｉ） ｅＰ ＡＡ Ｂ ｇ ． ＋ （ １ ｓ ｎ ｌ
（４ １）
２ ２ 特征 线法 的边 界条 件 ． ２ ２ １ 入 口定 压 ， 闭出 口 ．． 封
在 模拟 管 时 ， 同样 需 要划 分时 间段 ， 图 ２ 见 。
Ａｔ＝ Ａｘ ／ａ
－（ －８ －） ．
０
ｐ ｃ
（ １ ｄ
７ １ ｃ—
。 一
（ 一ｐ ） ｐ
该矩 阵 的特 征值 Ａ： Ａ ＝ （ １Ａ ， ＝ （ Ａ ， ２Ａ ） ３ ＋０ 一０ ， ，） 对应 的描 述管 道 瞬变流 的特 征方 程组 为 ：
＝Ａ ＾—
～ 一 （ ｃ＋ Ｌ— ｔ ） ， （ Ｊ 一２ ｏ ９ ）
我 国矿 山 为 我 国经 济 的发 展 做 出 了 巨大 的 贡 献 。矿井 通风 是 矿 山生 产 的一 个 重 要 环 节 ， 个 安 一 全、 可靠 、 经济 、 用 的矿井 通风 系统 ， 实 对保 证 井下 安 全生 产有 重要 意 义 。煤 矿 生 产 过 程 中的 瓦 斯爆 炸 、 煤 尘 爆炸 、 井火 灾 、 毒 气体 窒息 等灾 害 的发生 都 矿 有
１ ２ 动量 方程 ．
１ 基 本 控 制 方 程
１ １ 连续 性 方程 ．
运 动方 程称 为 欧拉微 分方 程 。它是 以基 本假 设
为前提 ， 瞬变 流动 的管 内流体 中选 取长 度 为 微 从 元段 流 体 ， 用 牛顿第 二定 律推 导 ： 应
ａ ＋ Ｏ ＋ Ｐ 业 ｓｎ ＋２ Ｉ １＝ ０ ，、 ） ｔ ｘ＋ｇ ｉ ｄ Ｏ （ ２
Ｊ ＋ ＋ ｇ ～ ㈩ 门 ， 定边 界条 件 。 ｏｆ 制 壶 吼 ．） 删 ７
【 ／ ２ ｎ ｄ ｄ：， ｘ ＋
总第 ５ ９期 ０
。
现代 矿 业
２１ ０ １年 ９月第 ９期
由于在 其左 侧没 有 Ａ点 ， 方程 （ ３ 不 能 直接 从 １）
Ｋ Ａ＝２ ０一 ｐ （ ５ １）
式中，
（２ １）
△≤ ｔ
个部分 ：
＝ｉ ｍ（ ｎ
，
， ） ．
２ １ 特 征线 法求解 方 程 ．
Ｐ Ｐ ｐｔ ｌＩｓ｝． 一Ａ ＋ｉ） ＋ 。（ Ｖ ｇ６ Ａ ｎ Ａ
（３ １）
如果 管 道 长 为 Ｚ可 以将 管 道 分 为 等 长度 的 Ⅳ ，
Ｓｅｉ ｌＮｏ ５０ ｒａ ． ９
现
代
矿
业
２ ０
… … ，
总 第 ５ ９期 ０
Ｓｐ ｍ ｅ ２ １ ｅｔ ｂｒ ０ ｌ ｅ ．
Ｍ ＯＤＥＲＮ ｌ ＮＧ Ｍ ＮＩ
１ １ 月箩９ 午９ 塑
基 于 Ｃ Ｄ矿 井 通风 网络 解算 Ｆ
符 晓
（ 宁工 程 技 术 大 学安 全 科 学 与 工 程 学 院 ） 辽