馮宗偉，張 昌

?

高溫煤礦掘進(jìn)巷道微氣候的數(shù)值計(jì)算

馮宗偉，張 昌*

(武漢紡織大學(xué) 環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430073)

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)原理，針對(duì)礦井掘進(jìn)巷道的高溫情況，選擇射流風(fēng)口至掘進(jìn)斷面15m的范圍作為本文研究局部微環(huán)境對(duì)象，建立在時(shí)間和空間上的描述礦井掘進(jìn)巷道湍流流動(dòng)和溫度分布的微分方程。對(duì)礦井微環(huán)境的空氣流動(dòng)及其熱力過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出不同送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度下的掘進(jìn)巷道微環(huán)境的流速場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化情況。數(shù)值分析的結(jié)果可以用于確定礦井局部降溫設(shè)備的送風(fēng)速度、送風(fēng)溫度、制冷量和風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率。

湍流模型；溫度場(chǎng)；控制方程；流速場(chǎng)；礦井降溫

礦井掘進(jìn)巷道的空氣溫度隨著煤礦資源向地下深部的開采而增高，目前我國(guó)有大量深部開采的礦井遭受熱害影響。礦井熱害造成的高溫作業(yè)環(huán)境嚴(yán)重影響工人的身體健康，工人氣喘、乏力，精力分散，思維和判斷力下降，勞動(dòng)效率下降，作業(yè)事故上升[1]。因此，必須采取措施降低溫度改善工作環(huán)境。但是，礦井掘進(jìn)巷道長(zhǎng)空間大，溫度高，負(fù)荷大，對(duì)整條巷道進(jìn)行降溫，不經(jīng)濟(jì)而且浪費(fèi)能源。為節(jié)約資源一般采用移動(dòng)式裝置在掘進(jìn)巷道工位營(yíng)造一個(gè)微氣候進(jìn)行局部降溫，例如，使用膨脹減焓自力式局部降溫裝置[2]。所以，對(duì)高溫煤礦掘進(jìn)巷道中工位微氣候研究是非常必要的，具有工程應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)礦井掘進(jìn)巷道微氣候的風(fēng)流流場(chǎng)和溫度分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。通過改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)，得出井下掘進(jìn)巷道微氣候的風(fēng)速場(chǎng)、溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，進(jìn)而選擇最優(yōu)礦井降溫空調(diào)送風(fēng)參數(shù)，計(jì)算確定適當(dāng)大小的微氣候區(qū)域范圍。

1 礦井掘進(jìn)巷道計(jì)算空間數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

圖1 模型工作面斷面形狀

1.2 計(jì)算空間的控制微分方程

雷諾時(shí)均動(dòng)量方程：

湍流動(dòng)能方程：

湍流動(dòng)能耗散率方程：

能量方程:

1.3 邊界條件

進(jìn)口湍流動(dòng)能和湍流動(dòng)能耗散率使用文獻(xiàn)上的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[4,5]。

（2）出口邊界條件。出口各變量假定在垂直出口邊界方向梯度上為零，即局部單向化:

（3）固體壁面邊界條件。礦井掘進(jìn)巷道和工作面都是固體壁面，其邊界條件按固壁定律處理，所有固壁處的節(jié)點(diǎn)均采用無(wú)滑移條件，對(duì)于靠近壁面的第一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)使用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)方法。

壁面處網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)速度：

湍流參數(shù)滿足：

2 掘進(jìn)巷道微氣候流場(chǎng)分布的數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算結(jié)果

圖2 不同送風(fēng)速度、送風(fēng)溫度下掘進(jìn)斷面溫度

圖3 不同送風(fēng)速度、送風(fēng)溫度下空調(diào)制冷設(shè)備制冷量變化曲線

根據(jù)模擬結(jié)果計(jì)算出每組送風(fēng)狀態(tài)下的空調(diào)機(jī)組需要提供的制冷量如圖3所示。制冷量的計(jì)算公式為：

從圖4可以看出，同一送風(fēng)速度時(shí)，隨著送風(fēng)溫度的升高設(shè)備制冷量逐漸下降；同一送風(fēng)溫度時(shí)，隨著送風(fēng)速度的增大設(shè)備的制冷量逐漸升高。

為了在掘進(jìn)巷道創(chuàng)造一個(gè)微氣候區(qū)域，射流的送風(fēng)速度必須得到來自風(fēng)機(jī)的動(dòng)力保障。因此，本文根據(jù)送風(fēng)參數(shù)還需考慮保持射流空氣的風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率。風(fēng)機(jī)所需的理論最小驅(qū)動(dòng)功率為：

送風(fēng)速度對(duì)應(yīng)于風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力成3次方變化，因此，送風(fēng)速度增加，風(fēng)機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)功率就會(huì)大大增加。分別將不同的送風(fēng)速度代入上式中，得出不同送風(fēng)速度下風(fēng)機(jī)所需的最小功率，如圖4所示。

圖4 不同送風(fēng)速度下風(fēng)機(jī)所需最小驅(qū)動(dòng)功率

2.2 掘進(jìn)巷道微氣候分析

圖5 速度分布云圖

圖6 溫度分布云圖

3 結(jié)論

對(duì)掘進(jìn)巷道選擇局部降溫空調(diào)方式，在井下建立一個(gè)微環(huán)境來改善工作條件，可以減少制冷設(shè)備的供冷量。只對(duì)巷道工位很小的局部范圍進(jìn)行微氣候控制，相比對(duì)整個(gè)巷道降溫[6]，其制冷量只是整個(gè)巷道降溫所需制冷量的很小一部分，具有很好的節(jié)能降溫效果。

[1] 孫艷玲，桂祥友．礦井熱害及其治理[J]．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，(8):35-37．

[2] 王雪，張昌．用于煤礦井下的空氣膨脹減焓降溫系統(tǒng)的研究[J]．武漢紡織大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，25(6):87-91．

[3] 王偉，李紅陽(yáng)，王長(zhǎng)彬．基于FLUENT模擬的掘進(jìn)工作面風(fēng)流溫度預(yù)測(cè)[J]．煤炭安全，2010，(06):4-5．

[4] 高建良，張生華．壓入式局部通風(fēng)工作面風(fēng)流分布數(shù)值模擬研究[J]．中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，14(1):93-96．

[5] Shinsuke Nakayama，Kenichi Uchino，Masahiro Inoue．Dimensional flow measurement at heading face and application of CFD[J]. The Mining and Materials Processing Institute of Japan，1996，112(9):638-644．

[6] 邵敬民，丁峰，賀軍豪．礦井局部降溫系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J]．中州煤炭，2012，197(5):24-25．

Numerical Calculation of the Micro Climate in High Temperature Coal Mine Laneway

FENG Zong-wei, ZHANG Chang

(School of Environmental Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

Based on the principle of computational fluid dynamics, aiming at high temperature conditions of the mine roadway, we select the range of jet air inlet to excavated section 15m as the research object of local micro environment and built the differential equation that describe roadway turbulent flow and temperature distribution in time and space.Being in progress numerical simulation of air flow and thermal process on the micro environment, we obtain the change of velocity field and temperature field with different air speed and air temperature in tunneling micro environment.The results of numerical analysis can be used to determine the mine’s local cooling equipment’s air velocity, air temperature, cooling capacity and the fan’s driving power.

Turbulence Model; Temperature Field; Equations; Velocity Field; Mine Cooling

張昌（1956-），男，教授，研究方向：建筑環(huán)境與空調(diào)制冷.

TD724

A

2095－414X(2014)03－0082－05