鄔長福，鄧權(quán)龍，李樂農(nóng)

(1.江西理工大學(xué)江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000；2.江西通安安全評價有限公司，江西 贛州 341000)

基于動網(wǎng)格井巷活塞風(fēng)影響因素的數(shù)值模擬研究

鄔長福1，鄧權(quán)龍1，李樂農(nóng)2

(1.江西理工大學(xué)江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000；2.江西通安安全評價有限公司，江西 贛州 341000)

為了研究不同因素對井巷活塞風(fēng)的影響，運(yùn)用控制變量法，選取了礦車速度Vc、巷道風(fēng)速V0、阻塞比а三種影響因素，采用基于動網(wǎng)格技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型對巷內(nèi)氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了不同因素對巷內(nèi)氣流組織影響的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：隨著車速的提高，巷內(nèi)活塞風(fēng)效應(yīng)和影響效力和范圍增大；當(dāng)風(fēng)流與礦車同向時，隨著風(fēng)速增大活塞風(fēng)效應(yīng)越不明顯，對礦井通風(fēng)影響越??；當(dāng)風(fēng)流與礦車反向時，隨著風(fēng)速增加車頭與車尾壓差、風(fēng)流紊亂程度、通風(fēng)阻力均變大，對通風(fēng)效果影響較大；活塞風(fēng)效應(yīng)隨著阻塞比的提高越來越明顯，對巷內(nèi)通風(fēng)干擾變大。

安全工程；礦井通風(fēng)；活塞風(fēng)；數(shù)值模擬；動網(wǎng)格

運(yùn)輸設(shè)備在運(yùn)輸過程中，巷道內(nèi)風(fēng)流受限于巷道壁面產(chǎn)生活塞風(fēng)效應(yīng)，致使風(fēng)流流場發(fā)生變化，影響預(yù)期通風(fēng)效果。隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，礦產(chǎn)需求大量化，礦山最直接有效的辦法便是提高運(yùn)輸設(shè)備的速度，卻使井巷活塞風(fēng)效應(yīng)更明顯。傳統(tǒng)礦井通風(fēng)方面的研究并未對活塞風(fēng)效應(yīng)做深入探究，因此研究活塞風(fēng)效應(yīng)的影響因素具有重要意義，為減弱井巷活塞風(fēng)效應(yīng)提供理論指導(dǎo)。

關(guān)于活塞風(fēng)的研究最早源于車輛通過隧道引起的空氣動力學(xué)問題，在公路、鐵路隧道、地鐵空調(diào)等工程中研究得較多，而在礦井通風(fēng)領(lǐng)域研究較少。國內(nèi)，學(xué)者王海橋、田鋒等對礦井井筒提升設(shè)備繞流進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬[1]；吳超、王從陸等應(yīng)用Fluent軟件對礦井巷道運(yùn)輸工具的活塞風(fēng)進(jìn)行了模擬分析[2]。本文選用尺寸近似于實(shí)際井巷礦車運(yùn)輸?shù)亩S模型，用Gambit前處理器建立模型并劃分網(wǎng)格，然后導(dǎo)入Fluent 6.3.26軟件中設(shè)定計算參數(shù)，主要對巷內(nèi)風(fēng)流組織速度場和壓力場進(jìn)行模擬[3-5]。本文選擇了礦車速度Vc、巷道風(fēng)速V0和阻塞比а這三種影響因素，運(yùn)用控制變量法確定三組方案，分別模擬單一因素對井巷活塞風(fēng)的影響。

1 井巷活塞風(fēng)效應(yīng)的計算模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

由于礦車在井巷中運(yùn)行使流場發(fā)生復(fù)雜變化，為合理簡化計算模型，現(xiàn)做如下假設(shè)：①巷內(nèi)風(fēng)流流動為不可壓流動；②假定巷內(nèi)壁面絕熱、風(fēng)流等溫流動；③流體的紊流粘性具有同向性，紊流粘性系數(shù)可作為標(biāo)量處理，且滿足Boussinesq假設(shè)。紊流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型[6-10]。連續(xù)方程見式(1)，動量方程見式(2)，k方程見式(3)，ε方程見式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

1.2 幾何模型

根據(jù)礦山井巷和礦車的實(shí)際尺寸，結(jié)合本論文的主要研究對象為井巷設(shè)備運(yùn)輸活塞風(fēng)效應(yīng)的影響因素，研究對象簡化為一段長度為50m的運(yùn)輸巷道，其斷面為矩形，寬3.0m，高2.4m；礦車尺寸為長6.0m，高1.6m，寬度根據(jù)各方案而定，其中方案一、方案二均取1.6m，方案三則分別取1.2m、1.6m、2.0m。如圖1所示，將礦車和運(yùn)輸巷道分別簡化為矩形，建立二維幾何模型。

圖1 井巷礦車運(yùn)輸幾何模型

2 條件設(shè)置和動網(wǎng)格技術(shù)

2.1 網(wǎng)格劃分

利用前置模型處理軟件Gambit，根據(jù)各方案需要，建立相應(yīng)尺寸的二維幾何模型，經(jīng)過布爾Subtract運(yùn)算后，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對巷道兩長邊進(jìn)行0.2 m等間距劃分，其余邊進(jìn)行0.1 m等間距劃分，最后對總體面網(wǎng)格進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化三角形劃分。

2.2 邊界條件

如上圖1所示，設(shè)巷道左側(cè)邊界為巷道入口，根據(jù)不同方案選擇壓力進(jìn)口(pressure-inlet)或速度進(jìn)口(velocity-inlet)；巷道右側(cè)邊界為巷道出口，設(shè)為壓力出口(pressure-outlet)。礦車的四邊設(shè)為固壁邊界(wall)，其余邊界默認(rèn)。

2.3 動網(wǎng)格設(shè)定

礦車在井巷中運(yùn)行屬于移動與變形區(qū)域流動問題，本文模擬選用動網(wǎng)格模型(Dynamic Mesh)，先指定區(qū)域中的剛性體和流體區(qū)域，再將Profile文件導(dǎo)入Fluent 6.3.26軟件對礦車運(yùn)動方向和速度進(jìn)行控制，通過選定彈性光順法(spring-base smoothing)和局部網(wǎng)格重劃法(local remeshing),前者設(shè)定彈簧因子(spring constant factor)為0.3，后者設(shè)定最小合并尺寸(Minimum Length Scale)為0.1 m，最大分裂尺寸(Maximum Length Scale)為0.3 m，其他參數(shù)保持默認(rèn)[6]。

2.4 求解方法

采用基于壓力隱式分離的解算器，選擇二維非恒定流動(一階隱式)，速度為絕對速度，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，流場求解計算方法選擇Simple算法。

3 模擬方案及結(jié)果分析

擬分析礦車速度Vc、巷內(nèi)風(fēng)速V0、阻塞比а對活塞風(fēng)效應(yīng)的影響，采用控制變量法，模擬這三種因素分別對井巷活塞風(fēng)速度和壓力分布的影響。此外，為了便于分析，取巷道中心線AB作為監(jiān)測對象，如圖1所示，其中A坐標(biāo)(0，0)、B坐標(biāo)(50,0)，取巷道長度為橫坐標(biāo)，取不同因素下的速度、壓力分別為縱坐標(biāo)，便得到不同影響因素巷道中心線AB速度和壓力分布曲線。

3.1 方案一：礦車速度Vc對井巷活塞風(fēng)的影響

本方案是保持礦車巷內(nèi)風(fēng)速V0、阻塞比a不變，通過改變礦車速度Vc,模擬巷內(nèi)風(fēng)流速度場和壓力場。設(shè)定巷道風(fēng)流速度V0為0m/s，阻塞比a等于礦車斷面面積(1.6m×1.6m)與巷道斷面面積(3.0m×2.4m)之比為0.36，礦車從橫坐標(biāo)x=0處開始運(yùn)行，選取車速Vc分別為3m/s、6m/s、9m/s 三種情況，模擬巷道活塞風(fēng)速度場(如圖2)和壓力場云圖(圖4)。在巷道中心線AB監(jiān)測不同車速情況運(yùn)行相同路程時的速度和壓力的大小，便得到不同車速時巷道中心線AB速度分布曲線(圖3)和壓力分布曲線(圖5)。

圖2 不同車速時活塞風(fēng)速度場云圖

圖3 不同車速時巷道中心線AB速度分布曲線

圖4 不同車速時活塞風(fēng)壓力場云圖

圖5 不同車速時巷道中心線AB壓力分布曲線

如圖2所示，為礦車車速在3m/s、6m/s、9m/s三種情況下巷內(nèi)風(fēng)流速度流場的云圖，通過三者比較而知，車速為3m/s時，巷內(nèi)活塞風(fēng)效應(yīng)不明顯，影響范圍較小；當(dāng)車速達(dá)到6m/s時，巷內(nèi)風(fēng)流場有較大的變化，活塞風(fēng)效應(yīng)較明顯，影響的流域范圍增大；當(dāng)車速升至9m/s時，活塞風(fēng)效應(yīng)非常明顯，巷內(nèi)流場區(qū)域的流速明顯增大。

如圖3所示，為不同車速時巷道中心線AB上速度分布曲線，當(dāng)車速為3m/s時，車頭處風(fēng)流最大速度約3m/s，車尾部最大流速約為3.75m/s，兩者之差為0.75m/s，巷內(nèi)產(chǎn)生活塞風(fēng)風(fēng)速約為1.25m/s。當(dāng)車速為6m/s時，車頭處風(fēng)流最大速度約6m/s，車尾部最大流速約為7.25m/s，兩者之差為1.25m/s，巷內(nèi)產(chǎn)生活塞風(fēng)風(fēng)速約為2.50m/s。當(dāng)車速為9m/s時，車頭處風(fēng)流最大速度約9m/s，車尾部最大流速約為10.25m/s，兩者之差為1.25m/s，巷內(nèi)產(chǎn)生活塞風(fēng)風(fēng)速約為3.60m/s。

如圖4所示，通過三者比較可知，車速為3m/s時，巷內(nèi)壓力變化不明顯，車頭與車尾壓差較?。划?dāng)車速達(dá)到6m/s時，巷內(nèi)壓力有較大的變化，車頭前部區(qū)域的壓力(正值)有所升高，車頭后部的壓力(負(fù)值)明顯降低，車頭與車尾壓差增大；當(dāng)車速為9m/s時，巷內(nèi)流場區(qū)域的壓力變化較為顯著，且車頭與車尾壓差明顯變大。

如圖5所示，當(dāng)車速為3m/s時，車頭部壓力約7.5Pa，車尾部壓力約為-7.5Pa，兩者之差為15.0Pa。當(dāng)車速為6m/s時，車頭部壓力約19.8Pa，車尾部壓力約為-29.5Pa，兩者之差為49.3Pa。當(dāng)車速為9m/s時，車頭部壓力約42.0Pa，車尾部壓力約為-62.5Pa，兩者之差為104.5Pa。

經(jīng)過對不同車速下活塞風(fēng)效應(yīng)影響模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析，可得出：隨著車速的提高，巷內(nèi)活塞風(fēng)效應(yīng)越來越明顯，影響效力和范圍增大，巷內(nèi)流場流速和壓力變化變大，產(chǎn)生的活塞風(fēng)風(fēng)速逐漸升高，車頭部與車尾部壓差變大。

3.2 方案二：巷內(nèi)風(fēng)速V0對井巷活塞風(fēng)的影響

本模擬方案是保持礦車車速Vc、阻塞比a不變，通過改變巷內(nèi)風(fēng)速V0，得到巷內(nèi)風(fēng)流速度場和壓力場。設(shè)定礦車速度Vc為5m/s，運(yùn)行4s即運(yùn)行路程為20m，阻塞比a等于礦車斷面面積(1.6m×1.6m)與巷道斷面面積(3.0m×2.4m)之比為0.36，礦車從橫坐標(biāo)x=0處開始向x正方向運(yùn)行，選取風(fēng)速V0分別為+4m/s、+2m/s、0m/s、-2m/s、-4m/s五種情況，模擬巷道活塞風(fēng)速度云圖(圖6)和壓力云圖(圖7)。在巷道中心線AB監(jiān)測4s時刻不同風(fēng)速的速度和壓力的大小，便得到不同風(fēng)速時巷道中心線AB速度分布曲線(圖8)和壓力分布曲線(圖9)。

圖6 不同風(fēng)速時活塞風(fēng)速度場云圖

圖7 不同風(fēng)速時活塞風(fēng)壓力場云圖

圖8 不同風(fēng)速時巷道中心線AB速度分布曲線

圖9 不同風(fēng)速時巷道中心線AB壓力分布曲線

如圖6、圖7所示，共設(shè)置了風(fēng)速為+4m/s、+2m/s、0m/s、-2m/s、-4m/s 五組模擬試驗(yàn)，包括風(fēng)流方向與車速方向相同、方向相反和風(fēng)速大小為0三種情況，其中風(fēng)速大小為0的情況作為參照。通過比較風(fēng)速為+4m/s、+2m/s、0m/s三種情況(風(fēng)速方向與車速方向相同時)的模擬結(jié)果，可以看出：當(dāng)風(fēng)速為+4m/s時，車尾處速度峰值約為5.25m/s，巷內(nèi)活塞風(fēng)效應(yīng)現(xiàn)象不明顯；當(dāng)風(fēng)速為+2m/s時，車尾處速度峰值約為6.15m/s，巷內(nèi)活塞風(fēng)效應(yīng)現(xiàn)象較為明顯；當(dāng)風(fēng)速為0m/s時，車尾處速度峰值約為7.25m/s,巷內(nèi)活塞風(fēng)效應(yīng)現(xiàn)象非常明顯。當(dāng)風(fēng)速與車速方向相反時，即風(fēng)速為-2m/s、-4m/s時，巷道內(nèi)原來的風(fēng)速方向與活塞風(fēng)風(fēng)速方向相反，在車頭前部的風(fēng)流速度場比較穩(wěn)定；但是在車身與巷道之間的環(huán)隙空間的流速經(jīng)過疊加，速度大小急劇變大；車尾后部流場速度場出現(xiàn)紊亂，靠近巷道壁面的速度較大，巷道中心線附近的風(fēng)速較小。

如圖7、圖9所示，當(dāng)風(fēng)速與車速方向相同時，巷道內(nèi)的壓力場變化不大，當(dāng)風(fēng)速為+4m/s時，車頭與車尾的壓差約為6Pa；當(dāng)風(fēng)速為+2m/s時，車頭與車尾的壓差約為22Pa。當(dāng)風(fēng)速為0時，車頭部的壓力約為15Pa，車尾部的壓力約為-95Pa，兩者壓差為110Pa。當(dāng)風(fēng)速與車速方向相反時，巷內(nèi)流域的壓力變化較大，當(dāng)風(fēng)速為-2m/s時，車頭部的壓力約為150Pa，車尾部的壓力約為-75Pa，兩者壓差為225Pa；當(dāng)風(fēng)速為-4m/s時，車頭部的壓力約為246Pa，車尾部的壓力約為-125Pa，兩者壓差為371Pa。

綜合分析方案二的模擬結(jié)果可得出：當(dāng)風(fēng)流與車速方向相同時，隨著風(fēng)速增大，活塞風(fēng)風(fēng)速越小，活塞風(fēng)效應(yīng)越不明顯，對礦井通風(fēng)影響越小。當(dāng)風(fēng)速與車速方向相反時，隨著風(fēng)速增加，車頭與車尾壓差增大，通風(fēng)紊亂程度大，對通風(fēng)效果影響較大。

3.3 方案三：阻塞比a對井巷活塞風(fēng)的影響

本方案是保持礦車車速Vc、巷內(nèi)風(fēng)速V0不變，通過改變阻塞比a模擬得到巷內(nèi)風(fēng)流速度場和壓力場。設(shè)定礦車速度Vc為5m/s，運(yùn)行4 s即運(yùn)行路程為20 m，巷內(nèi)風(fēng)速V0為0m/s，阻塞比a即為礦車斷面面積/巷道斷面面積，通過使用不同型號的礦車，其斷面不同，分別選取B×H為1.2m×1.6m、1.6m×1.6m、2m×1.6m，保持巷道斷面B×H=3m×2.4m不變，從而得到阻塞比a分別為0.27、0.36、0.44，模擬巷道活塞風(fēng)速度場云圖(圖10)和壓力場云圖(圖11)。在巷道中心線AB監(jiān)測運(yùn)行4s時刻不同阻塞比a情況下的速度和壓力的大小，便得到不同阻塞比時巷道中心線AB速度分布曲線(圖12)和壓力分布曲線(圖13)。

如圖10、圖12所示，當(dāng)阻塞比a為0.27時，巷內(nèi)活塞風(fēng)速度流場云圖較為明顯，巷道中心線AB上監(jiān)測的活塞風(fēng)風(fēng)速達(dá)到了1.45m/s；當(dāng)阻塞比a為0.36時，巷內(nèi)活塞風(fēng)速度流場云圖非常明顯，巷道中心線AB上監(jiān)測的活塞風(fēng)風(fēng)速達(dá)到了2.20m/s；當(dāng)阻塞比a為0.44時，巷內(nèi)活塞風(fēng)速度流場云圖最為明顯，巷道中心線AB上監(jiān)測的活塞風(fēng)風(fēng)速達(dá)到了3.15m/s。

圖10 不同阻塞比時活塞風(fēng)速度云圖

圖11 不同阻塞比時活塞風(fēng)壓力云圖

圖12 不同阻塞比時巷道中心線AB速度分布曲線

圖13 不同阻塞比時巷道中心線`壓力分布曲線

如圖11所示，三組不同阻塞比a情況下，巷內(nèi)流場壓力云圖均比較明顯，但是相比較而言，a=0.44時最為明顯，a=0.36時次之，a=0.27時最不明顯。如圖13所示，為巷道中心線AB上監(jiān)測的活塞風(fēng)壓力大小，三種阻塞比情況下車頭前部的壓力(為正值)大小分布曲線基本重合，區(qū)別不明顯；車尾后部的壓力(為負(fù)值)大小分布情況：a=0.44時壓力值最大，a=0.36時次之，a=0.27時壓力值最小。

通過對本方案的模擬結(jié)果進(jìn)行分析而知：隨著阻塞比的增大，活塞風(fēng)效應(yīng)現(xiàn)象越明顯，活塞風(fēng)風(fēng)速隨之增大，巷內(nèi)壓差增大。

4 結(jié)論

1)礦車速度的提高導(dǎo)致活塞風(fēng)效應(yīng)越來越明顯：活塞風(fēng)風(fēng)速升高，車頭與車尾壓差變大，流場內(nèi)流速和壓力變化幅度變大，影響效力和范圍增大。所以，適當(dāng)?shù)乜刂茰p小礦車速度，能夠減弱活塞風(fēng)對井巷通風(fēng)的干擾。

2)當(dāng)風(fēng)流與礦車同向時，隨著風(fēng)速增大，活塞風(fēng)風(fēng)速越小，活塞風(fēng)效應(yīng)越不明顯，對礦井通風(fēng)影響越小。當(dāng)風(fēng)流與礦車反向時，隨著風(fēng)速增加，車頭與車尾壓差增大，通風(fēng)紊亂程度大，通風(fēng)阻力變大，對通風(fēng)效果影響較大。

3)隨著阻塞比的增大，活塞風(fēng)效應(yīng)現(xiàn)象越明顯，活塞風(fēng)風(fēng)速隨之增大，巷內(nèi)壓差增大，不利于井巷通風(fēng)，應(yīng)適當(dāng)減小阻塞比。

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Numerical simulation of laneway piston pind under different influence factors based on dynamic mesh

WU Chang-fu1，DENG Quan-long1，Li Le-nong2

(1.Jiangxi Key Laboratory of Mining Engineering，Jiangxi University of Science & Technology，Ganzhou 341000，China；2.Jiangxi Tongan Secutity Assessment Co..Ltd.，Ganzhou 341000，China)

This paper is aimed to study the influence of different factors on the laneway piston wind，under the influence factors of tramcar speed，laneway wind speed and blockage ratio，there are four simulation schemes with the application of control variable method，and the numerical simulation of airflow distribution of laneway byk-εturbulence model based on dynamic mesh is proposed.The numerical simulation results show thatk-εturbulence model and dynamic mesh method could properly simulate the airflow distribution and tramcar operation；the piston wind influence range become larger with the increase of tramcar speed；when airflow and tramcar move in the same direction，the piston wind effect is less evident and the influence on laneway ventilation is smaller with the increase of wind speed；when airflow and tramcar move in the opposite direction，the differential pressure between the tramcar front and rear is greater，airflow turbulence is more obvious，ventilation resistance and the influence on laneway ventilation grow larger with the increase of wind speed；the larger blockage ratio，the more obvious the piston wind effect，and the disturbance to laneway ventilation grows larger.

safety engineering；mine ventilation；piston wind；numerical simulation；dynamic mesh

2014-12-20

鄔長福(1963-)，男，江西貴溪人，碩士，現(xiàn)任教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事礦井通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計研究、工業(yè)災(zāi)害事故預(yù)防方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：beyond100001@163.com。

TD 727

A

1004-4051(2015)08-0110-05