彭　云

(化工部長沙設(shè)計研究院,長沙 410116)

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礦井活塞風效應(yīng)數(shù)值模擬

彭云

(化工部長沙設(shè)計研究院,長沙 410116)

為研究活塞風對礦井通風系統(tǒng)的影響,運用Fluent移動參考網(wǎng)格建立數(shù)值分析模型,分析電機車牽引礦車在礦井井巷中運動時的礦井活塞風效應(yīng)。結(jié)果表明:列車行駛前方為增壓減速區(qū),區(qū)內(nèi)壓力隨距離的增大而減小,風速隨距離的增大而增大。列車行駛后方先后存在減壓增速區(qū)和增壓減速區(qū),兩區(qū)內(nèi)風速均隨距離的增大而減小,減壓增速區(qū)內(nèi)壓力隨距離的增大而增大,增壓減速區(qū)內(nèi)壓力隨距離的增大先后存在一個增壓和減壓區(qū)。列車行駛前方和后方,風速和壓力平面影響面積均隨距離的增大而增大。列車中前部礦車活塞風風速較大。礦車內(nèi)尾部、底部活塞風效應(yīng)較強。

活塞風;增壓減速區(qū);減壓增速區(qū);影響范圍;風流跡線

隨著我國高產(chǎn)高效礦山的建設(shè),礦井機械化程度不斷提高,無軌運輸因其機動靈活、所需人員少、工作效率高等優(yōu)勢而得到了廣泛的應(yīng)用,但無軌運輸對礦井斷面和坡度等條件要求苛刻,因此,目前我國礦井的輔助運輸仍以軌道運輸居多[1-4]。軌道運輸具有投資少、運輸能力大的優(yōu)勢,但也存在運輸環(huán)節(jié)多、維護量大,用工多、效率低等缺點,要實現(xiàn)高產(chǎn)高效,就必須提高電機車運行速度和工作效率。地下礦山是一個復(fù)雜的工程系統(tǒng),僅有通風口,人員、設(shè)備出入口與地表連通,其他部分基本與大氣隔絕,電機車牽引礦車在礦井井巷中運動時,礦井活塞風效應(yīng)致使巷道中的空氣分布不斷變化,呈現(xiàn)出極強的瞬態(tài)性,對通風系統(tǒng)具有一定影響[5]。為研究活塞風對礦井通風系統(tǒng)的影響,筆者運用Fluent軟件,建立礦井活塞風數(shù)值模型,分析礦井活塞風效應(yīng)。

1　活塞風風壓效應(yīng)分析

礦車與巷壁間環(huán)隙流段流動分析模型如圖1所示。

圖1　礦車與巷壁間環(huán)隙流段流動分析模型

結(jié)合圖1分析活塞風風壓效應(yīng)。

(1)列車頭部

能量方程和連續(xù)性方程:

(1)

式中:α——阻塞比,α=A0/At;

A0、At——列車、隧道的截面積；

p1、p2——斷面1—1、2—2處風流靜壓;

pin——環(huán)狀空間進口流動的局部阻力壓降;

v0、v1、v2——列車速度、活塞風速度、環(huán)狀空間內(nèi)風流速度。

整理后可得環(huán)隙進口1—2流段的靜壓差:

(2)

由于車頭相對很短,可以不考慮環(huán)隙表面對流動的剪切力,建立控制體的動量方程[6-8],即

ρ(v0+v2)2(At-A0)-ρ(v0-v1)2At=p1At-p2At-FD,

(3)

CDN——隧道氣流相對于列車的受限繞流阻力系數(shù)。

聯(lián)立解方程式(1)～(3)得環(huán)隙入口段的牽引力增壓表達式:

(4)

式中:CDt——繞流阻力系數(shù)。

(2)列車尾部

環(huán)隙出口3—4流段的靜壓差為

(5)

式中:pout——環(huán)狀空間出口流動牽引力增壓;

p3、p4——斷面3～3、4～4處風流靜壓。

在控制體上建立動量方程,即

ρ(v0-v1)2At-ρ(v0+v2)2(At-A0)=p3At-p4At。

(6)

聯(lián)立解方程式(5)、(6)得環(huán)隙出口段的牽引力增壓表達式:

(7)

2　數(shù)值模擬

2.1數(shù)值模型

為了方便計算及分析,將礦車在井巷中運行情況進行適當簡化[9-10],建立模型,如圖2所示。巷道斷面為半圓拱巷道,巷寬取3 m,巷道直墻高取1.2 m,巷道長度取100 m;礦車寬度1 m,高度1.2 m,列車長度取20 m。列車劃分為10輛礦車,礦車長度為2 m,礦車容量尺寸為寬0.8 m、長1.8 m、高1.1 m。對礦車間連接進行簡化,礦車間沒有空隙,礦車模型如圖2c所示。

導(dǎo)入Fluent中,入口設(shè)置為風速入口,入口風速為2 m/s,Turbulence選擇Intensity and Hydraulic Diameter,其中Turbulence Intensity設(shè)置成5%，Hydraulic Diameter取1 m;出口設(shè)置為壓力出口,Gauge Total Pressure 設(shè)置為0,Turbulence Intensity設(shè)置為5%，Hydraulic Diameter取1 m。求解使用定常流、Implicit、k-epsilon Model(2epn),其他參數(shù)保持默認。為了分析礦車在巷道中運行產(chǎn)生的活塞風,將礦車區(qū)域設(shè)置為Moving reference frame(移動參考網(wǎng)格),運動方向為逆風方向,即從模型的出口向入口方向運行,運行速度為8 m/s。

圖2　模型示意

2.2結(jié)果分析

經(jīng)過Fluent解算,分析其壓力、速度分布結(jié)果。為了便于分析,特選取平行于巷道底板、垂直于巷道底板(非巷道橫截面)及巷道橫截面三種平面場及平面、三維跡線圖進行分析。

2.2.1巷道風流壓力

為了分析活塞風對巷道風流壓力的影響,分別對距離列車行駛前方、尾后方不同距離的巷道橫截面,距離巷道底板不同距離的巷道水平面進行壓力場分析。距離列車頭部、尾部不同距離的巷道橫截面平面靜壓場如圖3所示,距離底板不同距離平面靜壓場如圖4所示。

圖3　礦車行使前后方不同距離平面靜壓場(橫截面)

圖4　平行巷道底板不同水平平面靜壓場(水平面)

分析圖3、4所示壓力平面靜壓場可知,在列車行駛前方距列車頭部一定距離范圍巷道內(nèi),風流存在一個增壓區(qū),增壓區(qū)壓力隨著距列車頭部距離的增大而減小,直至等于截面平均風壓；增壓區(qū)的面積隨著距列車頭部距離的增大而增大,直至等于巷道截面積,增壓區(qū)影響距離為3.1 m。

在列車行駛后方距列車尾部一定距離范圍巷道內(nèi)風流先后存在一個減壓區(qū)和增壓區(qū),兩區(qū)之間存在一定間隔,減壓區(qū)壓力隨著距列車頭部距離的增大而增大,直至等于截面平均風壓；減壓區(qū)的面積隨著距列車尾部距離的增大而減小,直至為零,減壓區(qū)影響距離為0.7 m。增壓區(qū)大小先后隨著距列車尾部距離的增大而增大、減小,最后減小至0,其影響范圍為距車尾距離1.3～3.1 m。

隨著距巷道底板距離的增加，列車頭部增壓區(qū)壓力和影響范圍越來越小,列車尾部減壓區(qū)和增壓區(qū)影響范圍越來越小,兩區(qū)之間間隔越來越長。

2.2.2巷道風流速度

同樣選取距離列車頭部、尾部不同距離的巷道橫截面及距離巷道底板不同距離的巷道水平面進行速度場分析。距離列車頭部、尾部不同距離的巷道橫截面平面速度場如圖5所示,距離底板不同距離平面速度場如圖6所示。

圖5　礦車行使前后方不同距離平面速度場(橫截面)

分析圖5、6所示的平面速度場可知,在列車行駛前方距列車頭部一定距離范圍巷道內(nèi),風流存在一個減速區(qū),減速區(qū)風速隨著距列車頭部距離的增大而增大,直至等于截面平均風速；減速區(qū)的面積隨著距列車頭部距離的增大而增大,直至等于巷道截面積,減速區(qū)影響距離為2.9 m。

圖6　平行底板不同水平平面速度場(平行底板)

在列車行駛后方距列車尾部一定距離范圍巷道內(nèi)，風流先后存在一個增速區(qū)和減速區(qū),增速區(qū)和減速區(qū)內(nèi)風速隨著距列車頭部距離的增大而減小,直至等于截面平均風速,其影響范圍為距車尾距離12 m。

隨著距巷道底板距離的增加列車頭部減速區(qū)風速越來越大,影響范圍越來越小,列車尾部增速區(qū)和減速區(qū)影響范圍越來越小,增速區(qū)風速越來越小。

圖7　礦車與巷壁間環(huán)隙流段不同位置平面速度場(橫截面)

綜合分析空載情況下不同位置平行底板平面和巷道橫截面平面速度場可知,列車與巷壁環(huán)隙流段速度最大,列車上部均存在一個減速區(qū),列車前端周圍存在一個環(huán)形減速區(qū);列車中前面礦車內(nèi)產(chǎn)生的活塞風風速大于后面礦車內(nèi)風速;同一輛車礦車內(nèi)后下部產(chǎn)生的活塞風風速大于前上部風速;礦車內(nèi)風速隨著列車高度增加而減小。

2.2.3巷道風流跡線

圖8顯示了巷道風流跡線。由圖8可知,礦車內(nèi)部有風流灌入及流出,風流分布比較復(fù)雜，礦車上部環(huán)流、活塞風效應(yīng)非常明顯,礦井風流在礦車頭部前方開始繞流,礦車及其前后存在一個明顯的活塞環(huán)。

圖8　風流跡線

3　結(jié)　論

(1)在列車行駛前方距列車頭部一定距離范圍巷道內(nèi)，風流存在一個增壓減速區(qū),此區(qū)內(nèi)壓力隨著距列車頭部距離的增大而減小,風速隨著距列車頭部距離的增大而增大；面積隨著距列車頭部距離的增大而增大,直至等于巷道截面積。

(2)在列車行駛后方先后存在一個減壓增速區(qū)、增壓減速區(qū),減壓增速區(qū)內(nèi)壓力隨著距列車距離

的增大而增大；風速隨著距列車距離的增大而減小。增壓減速區(qū)內(nèi)壓力隨著距列車距離的增大先后存在一個增壓和減壓區(qū);風速隨著距列車距離的增大而減小。

(3)列車中前面礦車內(nèi)產(chǎn)生的活塞風風速大于后面礦車內(nèi)風速;同一輛礦車內(nèi)尾部產(chǎn)生的活塞風風速大于頭部風速,礦車內(nèi)風速隨著列車高度增加而減小,礦車底部、尾部活塞風效應(yīng)最強;礦車與巷壁間環(huán)隙流段速度最大,列車上部均存在一個減速區(qū),列車前端周圍存在一個環(huán)形減速區(qū)。

(4)隨著距巷道底板距離的增加，列車頭部增壓減速區(qū)壓力和影響范圍越來越小，風速越來越大；列車尾部減壓增速區(qū)和增壓減速區(qū)風速和影響范圍越來越小,兩區(qū)之間(壓力)間隔越來越大。

(5)礦井風流在礦車頭部前方開始繞流,礦車及其前后存在一個明顯的活塞環(huán)。

[1]彭云,趙伏軍,黃壽元,等.不同裝載情況下礦井活塞風效應(yīng)數(shù)值模擬研究[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報,2014,24(1):30-33.

[2]王從陸,吳超,王衛(wèi)軍.Lyapounov理論在礦井通風系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2005(4):46-49.

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[10]彭云,童陽春.不同運行狀態(tài)下礦井活塞風效應(yīng)對比研究[C]//第三屆全國數(shù)字礦山高新技術(shù)成果交流會論文集.丹東:中國金屬學(xué)會采礦分會,2014:28-33.

(編輯荀海鑫)

Research on numerical simulation on mine piston wind effect

PENG Yun

(Changsha Design &Research Institute of Chemical Industry Ministry,Changsha 410116,China)

This paper is devoted to studying the influence of piston wind on the mine ventilation system.The study uses Fluent mobile reference grid to develop numerical analytical model and analyzes the impact of mine piston wind due to the electric locomotive tow harvesters moving in the mine tunnel.The results shows that in front of the trains there occurs a booster deceleration zone where the greater distance means the smaller pressure and the greater wind speed;behind trains are the decompression growth area and booster deceleration area,in both of which the wind velocity decreases with increasing distance;the decompression growth area involves pressure increasing with increasing distance and booster deceleration area is associated with pressure accompanied by both pressurization and decompression zone due to increasing distance one after another;before and behind the trains are wind speed and pressure affecting the area(cross section) which increases with longer distance;in the front portion of trains is the larger speed of piston wind;and the tail and bottom of harvesters are subjected to the strong impact of piston wind.

piston wind;wind pressure increase and wind speed decrease region;wind pressure decrease and wind speed increase region;influence scope;wind trace

2015-03-13

彭云(1987-),男，湖南省益陽人,助理工程師,碩士,研究方向:礦井通風與安全,E-mail:pyj791@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.02.006

TD721

2095-7262(2015)02-0143-05

A