付建濤

(中煤科工集團重慶研究院，重慶 沙坪壩 400037)

0 引言

目前，我國煤礦安全生產(chǎn)形勢嚴(yán)峻[1]、重特大事故頻發(fā)，專家在對大量事故進行調(diào)查分析中發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)瓦斯爆炸[2]的原因都涉及礦井通風(fēng)[3]問題。礦井通風(fēng)是煤礦生產(chǎn)中治理瓦斯、火災(zāi)、粉塵災(zāi)害的常用有效手段，是礦井安全生產(chǎn)的基本保障。通風(fēng)一方面能向井下各用風(fēng)點連續(xù)輸送足夠的新鮮空氣，保證井下作業(yè)人員的人身安全、改善勞動環(huán)境;另一方面還能夠稀釋并排出各種有害氣體和浮塵，降低環(huán)境溫度，創(chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境，并能夠在發(fā)生災(zāi)變時，配合其他措施，根據(jù)撤人救災(zāi)的需要調(diào)節(jié)和控制風(fēng)向及風(fēng)量，防止災(zāi)害的擴大。國家在2002年提出了“先抽后采、監(jiān)測監(jiān)控、以風(fēng)定產(chǎn)”的瓦斯治理十二字方針[4]。其中“以風(fēng)定產(chǎn)”[4]是指在通風(fēng)能力允許的情況下生產(chǎn)，這是防治瓦斯最重要的管理措施，也是防止井下瓦斯積聚的先決條件。掌握煤礦井下風(fēng)速、風(fēng)量的變化情況，對礦井的安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。礦用低速風(fēng)洞[5]作為檢定和檢測礦用風(fēng)速儀表的標(biāo)準(zhǔn)裝置，其準(zhǔn)確性尤為重要。本文通過詳細(xì)介紹目前我國煤礦行業(yè)使用的礦用低速風(fēng)洞，分析其各自優(yōu)缺點，以便更好地使用和提供檢測檢驗技術(shù)。

1 礦用低速風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)

能造成氣流流動并能在其中進行空氣動力學(xué)試驗的裝置叫風(fēng)洞，它是從航空部門引進的。風(fēng)洞應(yīng)用廣泛，按氣流速度分類，可分為六大類，如表1所示[6]。表1中，M為馬赫數(shù)，即流體的相對速度與音速之比。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，當(dāng)溫度為15℃時，音速為340.8 m/s。

表1 風(fēng)洞類型與氣流速度Tab.1 Types of wind tunnels and airflow velocity

通常，用于礦用風(fēng)速儀表檢測等工程流體力學(xué)試驗的低速風(fēng)洞稱為礦用低速風(fēng)洞。它是當(dāng)前世界各國檢定風(fēng)速表、風(fēng)速傳感器和皮托管的主要裝置。這里著重介紹當(dāng)前我國用于風(fēng)速儀表檢測的幾種風(fēng)洞。

1.1 閉口直路式風(fēng)洞

閉口直路或風(fēng)洞分為單工作段和雙工作段兩種。為了提高低速風(fēng)表檢定結(jié)果的準(zhǔn)確度，我國目前普遍采用雙工作段風(fēng)洞，其組成如圖1所示。

圖1 閉口直路式風(fēng)洞示意圖Fig.1 Schematic diagram of the closed circuit straight line wind tunnel

雙工作段風(fēng)洞各組成部分的作用如下。

①集風(fēng)口:氣流匯集流入風(fēng)洞的入風(fēng)口。

②穩(wěn)定段:它通常是一個等截面段，內(nèi)設(shè)有蜂窩器和阻尼網(wǎng)。氣流流經(jīng)蜂窩器，引導(dǎo)直氣流的方向，使它的流向與風(fēng)洞軸線一致。阻尼網(wǎng)是目數(shù)較小的銅絲網(wǎng)，氣流通過阻尼網(wǎng)，清除流動中產(chǎn)生的旋渦。氣流經(jīng)過穩(wěn)定段后，沿風(fēng)洞軸線平直、均勻、穩(wěn)定地向前流動。

③收縮段:其作用是將由穩(wěn)定段流來的氣流加速，使流入工作段的氣流達到試驗所需要的速度。

④工作段:它是檢測風(fēng)速儀表、皮托管和進行其他空氣動力學(xué)試驗的場所。因此，要求工作段的氣流以分布均勻、穩(wěn)定并沿風(fēng)洞軸向的速度流動。工作段氣流的軸向靜壓梯度、紊(喘)流度等也必須根據(jù)風(fēng)洞的用途加以設(shè)計、計算。

⑤擴壓段:亦稱擴散段，斷面尺寸以一定擴散錐角擴大，逐漸降低從工作段流出的氣流速度，使氣流的一部分動壓轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓，減少風(fēng)洞的能量損失。風(fēng)洞的能量損失與氣流速度的三次方成正比，所以氣流流經(jīng)工作段后，應(yīng)盡可能降低其流速。

⑥風(fēng)機:它由圓形管道、葉輪、電機、調(diào)速系統(tǒng)和支護腳架組成。在風(fēng)機的作用下，氣流在風(fēng)洞的進出口造成壓差促使其流動。在風(fēng)洞內(nèi)流動的氣流由于摩擦、斷面積的擴大或縮小等原因，會造成一定的能量損失，因此為了保證工作段在檢測或進行其他試驗時達到所要求的氣流速度，必須通過動力系統(tǒng)對損失的能量加以調(diào)節(jié)和補充。

1.2 閉口單回流式風(fēng)洞

閉口單回流式風(fēng)洞[7]同樣分單工作段和雙工作段兩種。用于風(fēng)速表、皮托管檢定的風(fēng)洞是閉口單回流式雙工作段風(fēng)洞。

閉口單回流式風(fēng)洞的組成如圖2所示。

圖2 閉口單回流式風(fēng)洞示意圖Fig.2 Schematic diagram of the closed circuit single return flow wind tunnel

當(dāng)檢定風(fēng)表、皮托管時，被檢儀表、檢測儀表的安裝位置與閉口直路式雙工作段風(fēng)洞相同。

閉口單回流式雙工作段風(fēng)洞主要組成部分與閉口直路式雙工作段風(fēng)洞基本相同，工作面都是封閉的，不同點在于回流式是環(huán)形，氣流在風(fēng)洞內(nèi)循環(huán);直路式是流入實驗室，實驗室是一個不很規(guī)則的回流道。

1.3 開式風(fēng)洞

開式風(fēng)洞的組成如圖3所示。

圖3 開式風(fēng)洞示意圖Fig.3 Schematic diagram of the open circuit wind tunnel

開式風(fēng)洞的風(fēng)機即動力段(包括風(fēng)機、電機、調(diào)整裝置和支護腳架)。開式風(fēng)洞的動力段所用風(fēng)機為離心式風(fēng)機，以壓風(fēng)的形式將氣流壓入風(fēng)洞內(nèi)，然后由噴口以自由射流的形式噴出。

開式風(fēng)洞的收縮段、擴壓段、穩(wěn)定段的作用與閉口直路式或閉口單回流式風(fēng)洞的作用相同，其余組成部分作用介紹如下。

①噴口:作用是使噴出的氣流加速，以達到試驗所需的風(fēng)速要求。噴口進出口斷面比不應(yīng)小于4，否則難以保證噴出的自由射流能形成均勻、穩(wěn)定的風(fēng)速區(qū)。

②節(jié)流裝置:習(xí)慣稱為孔板流量計。它是通過補償微壓差計測取孔板前后壓差來計算實際風(fēng)速的計量裝置?？装灞仨毎磭覙?biāo)準(zhǔn)加工制造，孔板直徑和安裝孔板管道直徑之比應(yīng)在0.2～0.8之間。

③開式風(fēng)洞的工作段，亦即噴口外的自由射流區(qū):當(dāng)風(fēng)速為0.2～5 m/s時，工作區(qū)域應(yīng)在噴口出口的倍噴口直徑處;當(dāng)風(fēng)速大于5 m/s時，工作區(qū)域應(yīng)在噴口直徑處。

2 礦用低速風(fēng)洞的要求

2.1 性能要求

①外觀要求

風(fēng)洞的外觀應(yīng)整潔、美觀;內(nèi)壁應(yīng)光滑、無凹凸不平;觀察窗、孔及各段連接處應(yīng)封閉嚴(yán)密、不漏氣[8]。

②主工作段直徑要求

閉口直路式和閉口單回流式風(fēng)洞的主工作段(雙工作段風(fēng)洞第一工作段)斷面直徑要求應(yīng)不小于250 mm;開式風(fēng)洞的噴口直徑應(yīng)不小于150 mm。

③工作段風(fēng)速性能要求

礦用低速風(fēng)洞的風(fēng)速范圍應(yīng)大于風(fēng)表的測量范圍，氣流均勻性不大于1.50%，氣流穩(wěn)定性不大于0.50%。

④工作段阻塞比及收縮比要求

閉口直路式或閉口單回流式單、雙工作段風(fēng)洞，風(fēng)表在工作段內(nèi)的阻塞比應(yīng)不大于5%，其工作段直徑應(yīng)不小于250 mm。雙工作段風(fēng)洞總收縮比應(yīng)不小于10;單工作段風(fēng)洞收縮比應(yīng)不小于4;開式風(fēng)洞的噴口直徑應(yīng)不小于150 mm，收縮比應(yīng)不小于4，風(fēng)表直徑不大于噴口直徑的60%。

⑤工作環(huán)境溫度要求

礦用低速風(fēng)洞工作的環(huán)境溫度應(yīng)為5～35℃。

2.2 安裝要求

礦用風(fēng)速儀表檢定裝置應(yīng)安裝在實驗室內(nèi)。閉口單回流式風(fēng)洞與四周墻壁的距離應(yīng)不小于1 m;閉口直路式風(fēng)洞進出風(fēng)口與前后墻壁的距離應(yīng)不小于集風(fēng)口直徑，兩側(cè)與墻壁的距離應(yīng)不小于1 m;開式風(fēng)洞噴口、出口與墻壁的距離應(yīng)不小于1.5 m，兩側(cè)與墻壁的距離應(yīng)不小于1 m。在上述距離范圍內(nèi)應(yīng)無障礙物，進行風(fēng)表檢定或檢驗時，應(yīng)關(guān)閉好門窗，避免外界氣流的干擾。

3 優(yōu)缺點分析

3.1 閉口直路式風(fēng)洞

①優(yōu)點

相比閉口單回流式風(fēng)洞，閉口直路式風(fēng)洞占地面積較小，工作段風(fēng)速均勻、穩(wěn)定，使用皮托管和數(shù)字精密微差壓計做標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速采樣裝置時可通過計算機軟件實現(xiàn)自動檢驗。

②缺點

由于閉口直路式風(fēng)洞的動力段采用軸流式風(fēng)機，以抽風(fēng)的形式將氣流經(jīng)集風(fēng)口抽入風(fēng)洞內(nèi)，在工作段形成均勻、穩(wěn)定的氣流，然后由擴壓段排放在實驗室內(nèi)。氣流在實驗室內(nèi)往復(fù)循環(huán)，因此易受外界氣流干擾，試驗時需關(guān)閉門窗，試驗人員不能來回走動。另外，該結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞采用皮托管和補償式微差壓計做標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速采樣裝置時，無法準(zhǔn)確測量0.5 m/s以下的風(fēng)速值，基本靠試驗人員的經(jīng)驗估讀。

3.2 閉口單回流式風(fēng)洞

①優(yōu)點

閉口單回流式風(fēng)洞采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，風(fēng)流在風(fēng)洞內(nèi)往復(fù)循環(huán)，不易受外界氣流干擾，使用皮托管和數(shù)字精密微差壓計做標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速采樣裝置時可通過計算機軟件實現(xiàn)自動檢驗。

②缺點

由于閉口單回流式風(fēng)洞采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，風(fēng)流在風(fēng)洞內(nèi)循環(huán)，長時間工作時，風(fēng)流受風(fēng)洞內(nèi)壁的摩擦，風(fēng)洞內(nèi)部溫度會不斷升高，而規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)中要求檢定或檢驗一臺風(fēng)速表前后溫差不能超過1 K。

3.3 開式風(fēng)洞

①優(yōu)點

開式風(fēng)洞在三種風(fēng)洞中占地面積最小，由于采用標(biāo)準(zhǔn)孔板組和差壓計作為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速采樣裝置，該結(jié)構(gòu)風(fēng)洞測量微風(fēng)速比前兩種結(jié)構(gòu)風(fēng)洞更準(zhǔn)確。

②缺點

開式風(fēng)洞的工作段在噴口外的自由射流區(qū)，比閉口直流式風(fēng)洞更易受外界氣流干擾，測量一臺風(fēng)速儀表需要多次更換孔板，更易發(fā)生老化漏氣的現(xiàn)象，也因為該原因，開式風(fēng)洞不能完全實現(xiàn)自動檢測。

4 結(jié)束語

礦用低速風(fēng)洞是當(dāng)前煤礦行業(yè)用于風(fēng)速儀表的標(biāo)準(zhǔn)裝置，作為從事風(fēng)速儀表計量檢定或檢驗的人員應(yīng)了解日常使用的標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點，以便更好地使用和提供檢測檢驗技術(shù)。

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