聶曉鄴

(湖南新龍礦業(yè)有限責任公司， 湖南邵陽市 422000)

基于FLUENT的掘進作業(yè)面通風降溫數(shù)值模擬研究

聶曉鄴

(湖南新龍礦業(yè)有限責任公司， 湖南邵陽市 422000)

掘進作業(yè)面是礦山開采的主要工作面之一，研究高溫礦井掘進作業(yè)面通風降溫，可為井下深部開采通風系統(tǒng)的設計提出理論依據(jù)。根據(jù)空氣動力學、流體力學和傳熱學等理論，利用FLUENT軟件，在不同送風風速下對巷道內的溫度場的分布進行數(shù)值模擬研究。結果表明，送風風速是影響巷道內溫度場分布的重要因素之一，巷道圍巖溫度為35℃，在入口風溫為20℃，風速為6m/s，模擬得到掘進迎頭處的溫度在26℃左右，在距離掘進2m的區(qū)域內的溫度都在28℃以下，基本滿足安全規(guī)程要求，當風速增加到10m/s時，可更有效的帶走迎頭巖壁的熱量，通風降溫效果越好。

通風降溫；掘進面；高溫礦井；數(shù)值模擬；溫度場

0 引 言

隨著我國礦井開采深度逐漸增加和采掘機械化水平不斷提高，礦井熱害問題日益凸顯，已嚴重影響了礦井的安全生產(chǎn)和井下作業(yè)人員的身體健康[1]。為了保障礦山正常有序的生產(chǎn)，我國礦山安全條例規(guī)定，井下工人作業(yè)地點的空氣溫度，不得超過28℃，超過時應當采取降溫或其他防護措施[2]。目前，我國金屬礦井已逐漸進入千米開采時代，井下原巖溫度在40℃左右，有些礦井甚至高達50℃。據(jù)統(tǒng)計，我國有三分之一的礦井即將進入深部開采[3]，預計在未來20～50 a內，將大量涌現(xiàn)深井礦山，一部分礦山的開采深度可能進入2000m，個別礦山開采深度可能更大[4]。近年來，為改善井下高溫高濕作業(yè)環(huán)境，國內外已有許多專家學者進行了研究，并提出了相應的解決辦法，歸納起來主要有兩大類:一類是通風降溫措施；另一類是人工制冷冷卻風流的措施[5-10]。根據(jù)礦山的生產(chǎn)實踐，當采用隔離熱源、加強通風和冷水噴霧等降溫措施不足以解決井下熱害時，才采用人工制冷降溫措施。本文根據(jù)巷道風流流動特性、空氣動力學、熱力學、流體力學和計算流體動力學等基礎理論[11]，建立高溫礦井掘進作業(yè)面的物理模型和數(shù)學模型，利用FLVENTt軟件[12]研究高溫礦井掘進作業(yè)面在不同送風風速的冷風流下的流場分布規(guī)律及降溫效果。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 物理模型

為了便于分析，選用簡化的長為50m的長方體巷道進行數(shù)值模擬解算。把風筒的出口作為模型入口邊界，風筒位于巷道壁旁，采用直徑為0.6m的單層帆布風筒，風筒出口距掘進迎頭的距離為5m，風筒距離地面高度1m，巷道內巖壁溫度為35℃。模型示意如圖1所示。

圖1 掘進作業(yè)面通風降溫模擬模型示意

1.2 數(shù)學模型

礦井內的風流流動復雜多變，大多數(shù)屬于湍流運動狀態(tài)[13]。在進行數(shù)值模擬計算之前，需要對礦內風流作以下假設:風氣為不可壓縮流體，不考慮空氣重力影響；壁面密閉性好，不漏風；流動的湍流粘性具有各向性，湍流粘性系數(shù)作為標量處理；流動為穩(wěn)態(tài)湍流，滿足Boussinesq假設[14]?；谝陨霞僭O，可采用以下數(shù)學模型[14]:

式中:k為湍流的動能，m2/s2；ε為湍流動能耗散率，m2/s3；t為時間，s；v為層流粘度系數(shù)，Pa·s；p為修正時均壓力，Pa；ρ為空氣的密度，kg/m3；vt為湍流粘度系數(shù)，Pa·s；cp是比熱容，J/(kg·K)；ui為速度分量，m/s；xi為坐標分量，m；fi為質量力，m/s2；ST是流體內熱源和機械能轉換成熱量多余的部分能量；Gk為平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生項。

2 參數(shù)設定

2.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)巷道的結構特點，鑒于非結構化網(wǎng)格對不規(guī)則的幾何邊界的適應性強，能夠很好地處理邊界問題，在使用Gambit繪制物理模型時采用非結構化網(wǎng)格進行離散。劃分網(wǎng)格主要采用四面體網(wǎng)格元素組成，4個物理模型中，計算區(qū)域最少劃分網(wǎng)格191743個，最大網(wǎng)格體積為3.552819×10－3，最小網(wǎng)格體積為1.171481×10－4，網(wǎng)格體積小于0.1m3的數(shù)量占總數(shù)的86.2%，網(wǎng)格的大小能夠滿足計算精度的要求。

2.2 邊界條件

根據(jù)掘進巷道的物理模型，設定風筒的出口速度為模型的入口邊界，以巷道的自由斷面處為模型的出口邊界，巷道及風筒的其他面設定為壁面。

入口的邊界條件為:入口類型為Velocity－inlet，入口溫度為T＝293 K，入口速度v＝15m/s；出口邊界條件:出口的類型為Outflow，沒有相對壓力，k和ε為自由滑動。壁面邊界條件:所有的壁面均采用無滑動邊界條件，溫度為308 K，類型為No Slip，粗糙度厚度為0.05m，粗糙度常數(shù)為0.5。

2.3 數(shù)值模擬參數(shù)

FLVENT軟件選用基于單元的格林－高斯方法的隱式分離三維穩(wěn)定流求解器，湍流模型選用RNG k－ε模型，求解器參數(shù)中的壓力速度耦合方式設置為SMPLEC，壓力離散方式設置為標準格式，收斂標準為0.001。設定材料的屬性為空氣，密度為1.225 kg/m3，定壓比熱為1006.43 J/(kg·K)，動力粘度為1.784×10－5Pa·s，導熱系數(shù)為0.0242 W/(m·K)。

3 模擬結果及分析

3.1 殘差動態(tài)顯示

掘進作業(yè)面流場可以看成是一個穩(wěn)態(tài)的風流流動和換熱過程，采用能量方程求解流體與巖壁的熱量交換，操作環(huán)境在一個標準大氣壓下，不計重力加速度。計算過程中的迭代步數(shù)設置為1000步。當計算迭代運行到第347步之后，各個變量滿足收斂條件，同時停止計算。其中，各個參數(shù)的殘差曲線隨迭代的步數(shù)逐漸趨于平緩，說明由差分方程得出的解與精確的值之間滿足精度要求，可判斷此次模擬迭代收斂。數(shù)值模擬過程中各參數(shù)的殘差動態(tài)圖如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬中殘差動態(tài)

3.2 溫度模擬結果

根據(jù)圖1所示簡化的計算模型和相關參數(shù)的設定，利用FLUENT軟件對高溫礦井掘進作業(yè)面采取壓入式通風方式下的三維流場進行數(shù)值模擬，模擬過程中，選取送風風速分別為6m/s和10m/s，得到的三維溫度場云圖如圖3所示。

圖3 不同送風風速下溫度場分布云圖

為了便于分析，用Tecplot后處理模塊得到2種風速下掘進作業(yè)面風速穩(wěn)定后的溫度場分布圖，如圖4所示。

圖4 不同送風風速下溫度場分布

從圖4可以看出，起始階段，風流從風筒口流出按照自由射流規(guī)律發(fā)展，屬于射流區(qū)，但是，很快就開始有部分氣流從整個射流體中分離折返，向外流出。在氣流射流區(qū)內，溫度低于這個平面的其他部分，越靠近巷道巖壁，風流的溫度就越高，這點和從風筒射出的低溫風流有關，隨著射流的發(fā)展，風筒中送出的風流與巷道內的空氣和巷道巖壁發(fā)生熱濕交換，氣流吸熱，致使溫度升高，在靠近巖壁的位置熱濕交換發(fā)生得最為激烈，氣溫升高的也越大。風從風筒出口流出到掘進迎頭的過程中，因為送風風流與巷道巖壁的壁面進行了熱濕交換，沿著風流的方向溫度逐漸升高，回風回流的溫度隨著回風方向也呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。掘進巷道同一斷面風流中，風筒中心線方向的溫度最低，靠近巷道面的溫度最高，且溫度變化較大。從數(shù)值模擬結果來看，通風降溫效果還是很明顯的，掘進迎頭處的溫度在26℃左右，在距離掘進2m的區(qū)域內的溫度都在28℃以下，基本滿足安全規(guī)程作業(yè)要求。

便于分析距掘進迎頭不同距離通風降溫情況，自左向右選取6個不同截面的溫度分布圖分別表示風筒出口距掘進迎頭的距離Z＝5，4，3，2，1，0.2m時巷道內溫度場分情況，如圖5所示。

圖5 距掘進迎頭不同距離溫度分布云圖

從圖5可以看出，在風筒出口處的平均溫度基本上都在30℃之間，而風筒截面處的溫度最低，在22℃左右，風流吹向掘進迎頭的過程中，風筒截面方向上的溫度逐漸升高，而巷道中的溫度在逐漸下降，這是由于距離風筒出口越遠，掘進作業(yè)面區(qū)域的空氣流動減弱，使得作業(yè)面不易形成渦旋區(qū)，在風筒口附近，送風口送出的氣流具有卷吸作用，卷吸排出的氣流形成渦旋，其作用較弱，對排出氣流影響較?。痪嚯x風筒口距離較遠的區(qū)域，巷道下部區(qū)域空氣流速大于上部區(qū)域空氣流速，這有利于送風氣流與巖壁進行對流換熱作用。掘進作業(yè)面的流場是屬于有限空間的貼附射流物理過程，可分為貼附射流段、沖擊射流段和回流段。提高風速即提高了風筒送風量，可以更有效的帶走迎頭巖壁的熱量，所以送風風速越大，通風降溫效果越好。

4 結 論

針對高溫礦井問題，采用掘進作業(yè)面的壓入式通風降溫技術，利用FLUENT軟件對深井礦業(yè)掘進作業(yè)面的速度場、溫度場進行了數(shù)值模擬分析，得出如下結論:

(1)井下圍巖溫度為35℃，在入口風溫為20℃，風速6m/s下，得到掘進迎頭處的溫度在26℃左右，在距離掘進2m的區(qū)域內的溫度都在28℃以下，基本滿足安全規(guī)程作業(yè)要求；

(2)掘進作業(yè)面壓入式通風降溫的速度場和溫度場有著密切的關系，風速是影響巷道內溫度場分布的一個主要因素，在風速增加到10m/s的情況下，含有一定濕度的冷熱空氣進行熱濕交換的程度更激烈，有利于帶走巷道積聚的熱量，大約能多降低0.5℃～1℃，通風降溫效果越好。

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2015-05-27)