劉　劍，李雪冰，宋　瑩，高　科，鄧立軍

(1．遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新　123000;2．礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點實驗室，遼寧阜新　123000)

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無外部擾動的均直巷道風(fēng)速和風(fēng)壓測不準(zhǔn)機(jī)理實驗研究

劉劍1，2，李雪冰1，2，宋瑩1，2，高科1，2，鄧立軍1，2

(1．遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新123000;2．礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點實驗室，遼寧阜新123000)

摘要:井下風(fēng)速和風(fēng)壓的波動通常被認(rèn)為是由外部擾動引起的，但是，即使在實驗室條件下對可能的外部擾動給予充分的控制，風(fēng)速和風(fēng)壓的示值仍始終呈現(xiàn)不規(guī)則的波動，即測不準(zhǔn)現(xiàn)象。對此，從湍流角度出發(fā)對這一現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究。利用激光多普勒測速儀和數(shù)字式微壓差計測量了中低風(fēng)速下巷道模型風(fēng)速和靜壓的時間序列。結(jié)果顯示，在無外部擾動的均直光滑巷道內(nèi)，風(fēng)速和壓力依然存在波動，其大小和方向均發(fā)生劇烈變化，總體上呈現(xiàn)出在一平均值附近的隨機(jī)脈動;當(dāng)平均風(fēng)速和平均壓力分別為2．57 m/s和17．1 Pa時，風(fēng)速和壓力的最大脈動幅度分別達(dá)到了1．19 m/s和4．9 Pa。風(fēng)速和壓力的脈動信號服從正態(tài)分布，平均脈動幅度分別與速度和速度平方成正比，但測不準(zhǔn)現(xiàn)象與風(fēng)速大小關(guān)系不大僅受湍流強(qiáng)度影響。實驗表明，即使在無外部擾動的條件下，井下風(fēng)速和風(fēng)壓也是測不準(zhǔn)的，測不準(zhǔn)的本質(zhì)是井下湍流隨機(jī)脈動特性所致。而湍流具有規(guī)則的統(tǒng)計平均結(jié)果，是可以精準(zhǔn)測量的。為了獲得井下風(fēng)流的精準(zhǔn)參數(shù)，風(fēng)速及風(fēng)壓等測試儀器應(yīng)基于湍流的統(tǒng)計平均特性來設(shè)計研發(fā)。

關(guān)鍵詞:礦井湍流;測不準(zhǔn);脈動;擾動;風(fēng)速;風(fēng)壓

劉劍，李雪冰，宋瑩，等．無外部擾動的均直巷道風(fēng)速和風(fēng)壓測不準(zhǔn)機(jī)理實驗研究［J］．煤炭學(xué)報，2016，41(6):1447－1453．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1347

Liu Jian，Li Xuebing，Song Ying，et al．Experiment study on uncertainty mechanism of mine air velocity and pressure with non-external disturbances［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1447－1453．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1347

礦井通風(fēng)參數(shù)眾多，但最重要的是風(fēng)速和風(fēng)壓，掌握了這2個基本參數(shù)就可以導(dǎo)出其他參數(shù)(如風(fēng)阻、功率等)，然而實現(xiàn)對兩參數(shù)的精準(zhǔn)測量卻并非易事。筆者所在課題組通過對國內(nèi)近200個煤礦及非煤礦井的通風(fēng)阻力測試，發(fā)現(xiàn)測量風(fēng)速時不管是采用機(jī)械風(fēng)表、電子風(fēng)表還是基于各種感知原理的風(fēng)速傳感器，儀表示值均呈現(xiàn)不同程度的波動。同樣在測壓時，無論采用氣壓計、壓差計，或是基于各種感壓原理的傳感器，壓力示值也呈現(xiàn)不同程度的波動，有時波動幅度甚至大于測試真值。風(fēng)速和壓力的這種波動性在國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)中也均有描述［1－4］，有學(xué)者稱其為測不準(zhǔn)現(xiàn)象。學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為風(fēng)速和風(fēng)壓的波動源于井下各種擾動影響［5－6］，如風(fēng)門開啟、罐籠提升、溜煤眼放空、人員活動、礦車運(yùn)行、爆破氣流、風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等。然而，筆者發(fā)現(xiàn)，即使在實驗條件下對可能的擾動因素給予充分控制，風(fēng)速和壓力的示值依然存在波動。為了探究這一現(xiàn)象的成因，本文設(shè)計制作了無外部擾動的通風(fēng)巷道模型，利用激光多普勒測速儀(LDA)和數(shù)字式微壓計采集巷道模型內(nèi)風(fēng)流速度和相對靜壓的時間序列并進(jìn)行統(tǒng)計分析，試圖從湍流角度出發(fā)對井下風(fēng)速和壓力的測不準(zhǔn)現(xiàn)象給予更為科學(xué)的解釋。

1　實驗裝置和測量方法

(1)無外部擾動實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計。

井下風(fēng)流的擾動因素眾多，總體可分為兩類:一類是動態(tài)擾動，如風(fēng)門開啟、罐籠提升、溜煤眼放空、人員活動、礦車運(yùn)行、爆破氣流、風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等;另一類為靜態(tài)擾動，包括巷道走向、斷面尺寸、壁面粗糙度等流動環(huán)境的變化。兩類擾動會引起風(fēng)流的非定常流動或局部大尺度渦旋的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致測不準(zhǔn)現(xiàn)象，這是學(xué)者普遍接受的觀點。本文設(shè)計的無外部擾動實驗?zāi)Ｐ土η笙鲜鰞深悢_動因素。實驗裝置如圖1所示，其中巷道模型為均直光滑的矩形管道，與原型幾何尺寸之比為1∶10，模型材料為5 mm厚有機(jī)玻璃板，截面尺寸為0.2 m×0.2 m，長為12 m。為消除風(fēng)機(jī)的不均勻運(yùn)轉(zhuǎn)對風(fēng)流造成的擾動，利用空氣壓縮機(jī)和儲氣罐組成的恒量供風(fēng)裝置提供風(fēng)源，并在巷道模型的入口和出口均安置整流格柵。通過調(diào)節(jié)入口閥門開度改變實驗風(fēng)速，測量斷面距離入風(fēng)口8 m，經(jīng)LDA全斷面風(fēng)速測量驗證，此處已呈穩(wěn)定充分發(fā)展的湍流狀態(tài)。

圖1 實驗裝置Fig.1　Experiment setup

(2)測速系統(tǒng)。

采用DANTEC公司生產(chǎn)的后散射型三維LDA進(jìn)行測量。測量時，由亞離子激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)分光器分成藍(lán)(LDA2)、綠(LDA1)、紫(LDA3)3對6束單色光，分別測量X(流向)，Y(垂向)，Z(橫向)3個方向的速度分量;光束經(jīng)傳輸光纖送入發(fā)射探頭，聚集在一點形成測量體;事先布撒在流場中的示蹤粒子跟隨氣流通過測量體時產(chǎn)生的散射光信號被光電接受器內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)化為電信號后傳送到信號處理器和主控計算機(jī)進(jìn)行分析處理最終得到該點的三維速度分量［7－8］，測速精度為0.1%。實驗中示蹤粒子采用祭祀香燃燒產(chǎn)生的煙氣，粒徑小于2 μm，滿足跟隨性要求，測量時根據(jù)接收信號的變化調(diào)節(jié)煙氣釋放量和濾波器帶寬。

(3)測壓系統(tǒng)。

利用L型標(biāo)準(zhǔn)皮托管感受測點處的相對靜壓變化，經(jīng)導(dǎo)氣膠管傳遞至M7000型數(shù)顯微壓差計進(jìn)行采集，微壓差計量程為±45 Pa，測量精度0.25%FS。

2　實驗結(jié)果及分析

2.1瞬時速度時間序列特征

選取巷道斷面中心點風(fēng)速的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖2是平均風(fēng)速V =2.57 m/s、雷諾數(shù)Re=3.4×104時斷面中心測點三維瞬時速度分量在10 s內(nèi)的采樣時間序列?？梢钥闯觯L(fēng)流質(zhì)點的速度時間序列極不規(guī)則，X，Y和Z向的瞬時速度分量均隨時間發(fā)生極不規(guī)則的劇烈變化，總體表現(xiàn)為在一平均值附近的隨機(jī)漲落。采樣數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果見表1。

圖2　各向速度分量的時間序列Fig.2　Time-series data of three velocity components

表1　速度采樣數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果Table 1　Statistical results of the velocity sampled data

測試結(jié)果表明，即使在理想的均直光滑巷道內(nèi)，瞬時速度仍呈現(xiàn)波動狀態(tài)，不僅表現(xiàn)在速度大小的隨機(jī)脈動其方向也在隨時發(fā)生變化，這種不規(guī)則的隨機(jī)波動稱為湍流脈動［9－10］。Y，Z方向速度分量的統(tǒng)計平均值趨于0，表示主流方向為X方向，與實際宏觀流動相符，這表明湍流脈動雖然具有不規(guī)則性和隨機(jī)性，但它具有規(guī)則的統(tǒng)計平均結(jié)果。而井下無論何種原理的風(fēng)速傳感器，所感受的只是瞬時風(fēng)速，未經(jīng)合理尺度上的統(tǒng)計平均處理，因而表現(xiàn)為測不準(zhǔn)現(xiàn)象。為研究湍流脈動速度的統(tǒng)計分布規(guī)律，根據(jù)概率平均收斂的采樣條件(另文介紹)取X向速度分量2 000個樣本點繪制出風(fēng)速頻數(shù)分布直方圖并附加正態(tài)概率密度曲線，如圖3所示。

圖3　風(fēng)速頻數(shù)分布直方圖Fig.3　Frequency histogram of velocity sampled data

由圖3可以看出，風(fēng)流速度脈動采樣數(shù)據(jù)接近正態(tài)分布。利用SPSS統(tǒng)計分析軟件的“P－P圖”功能進(jìn)行正態(tài)分布檢驗，分箱檢驗結(jié)果如圖4所示。其中，橫坐標(biāo)為數(shù)據(jù)樣本的累積概率，縱坐標(biāo)為正態(tài)分布計算的相應(yīng)累積概率。風(fēng)速采樣數(shù)據(jù)點呈圍繞第1象限對角線的直線，表明這些采樣數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。利用SPSS的“K－S”功能對該組數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的正態(tài)分布檢驗，結(jié)果表明，雙側(cè)漸進(jìn)顯著性取值為0.79，大于拒絕臨界值0.05，因此接受正態(tài)分布假設(shè);在5%的顯著性水平上，采樣風(fēng)速均值的置信區(qū)間為［3.30，3.34］，包括3.32 m/s且均值為3.32 m/s成立的概率為99.5%。對整個斷面內(nèi)的測量點及對應(yīng)的Y向和Z向速度采樣數(shù)據(jù)做相同的統(tǒng)計分析，其檢驗結(jié)果亦滿足正態(tài)分布要求，因此，巷道內(nèi)湍流速度脈動服從正態(tài)分布。

圖4　風(fēng)速正態(tài)分布檢驗Fig.4　Normality test of velocity sampled data

2.2瞬時壓力時間序列特征

湍流速度和壓力的關(guān)系可由N－S運(yùn)動方程描述。

其中，u槇i，u槇j為i，j方向瞬時速度分量，m/s;p槇為瞬時壓力，Pa;ρ為空氣密度，kg/m3;ν為流體的運(yùn)動黏性系數(shù)，m2/s;fi為i方向的體積力。令 u槇i=＜ui＞+u'i，p槇=＜p＞+p'代入式(1)得到時均運(yùn)動的Renolds方程，與式(1)相減可以得到脈動速度u'和脈動壓力p'關(guān)系方程為

其中，＜ui＞，＜p＞分別為速度和壓力的時均值。由N－S方程可直觀看出，當(dāng)流動速度發(fā)生變化時，壓力也隨之改變，速度與壓力的變化是同時存在并具有某種內(nèi)在聯(lián)系。由式(2)可知，壓力脈動除了受速度脈動影響外還與耗散有關(guān)，其相互作用關(guān)系十分復(fù)雜，無法獲得壓力脈動與速度脈動關(guān)系的解析表達(dá)，因而壓力脈動的相關(guān)特征尚依賴實驗觀測。

圖5為平均速度為2.57 m/s、Re=3.4×104時，斷面中心測點相對靜壓在300 s內(nèi)的采樣時間序列。可以看出，壓力瞬時值與速度類似，在一平均值附近隨機(jī)漲落呈不規(guī)則的脈動狀態(tài)，由于目前尚沒有與激光多普勒測速儀類似的高頻響測壓儀器，因而所呈現(xiàn)的壓力脈動較速度脈動遲緩。經(jīng)統(tǒng)計分析，該組數(shù)據(jù)的最大值pmax=19.6 Pa，最小值pmin=14.7 Pa，平均值=17.1 Pa，最大脈動幅度為4.9 Pa。實驗表明，在無外部擾動影響下，由于湍流脈動作用，瞬時壓力仍表現(xiàn)出較大幅度的波動，這一波動導(dǎo)致測量結(jié)果失準(zhǔn)。

圖5　湍流壓力脈動時間序列Fig.5　Time-series data of pressure fluctuations in turbulents

為研究湍流壓力脈動分布規(guī)律，對該組數(shù)據(jù)繪制出頻數(shù)分布直方圖如圖6所示。圖7是利用“P－P圖”命令對該組數(shù)據(jù)的正態(tài)分布的檢驗結(jié)果。由圖7可以看出，壓力采樣數(shù)據(jù)點呈圍繞第1象限對角線的直線，表明這些采樣數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。進(jìn)一步利用“K－S”功能對該組數(shù)據(jù)正態(tài)分布的檢驗結(jié)果表明，雙側(cè)漸進(jìn)顯著性取值為0.98，大于拒絕臨界值0.05，接受正態(tài)分布假設(shè);在5%的顯著性水平上，該組數(shù)據(jù)均值的置信區(qū)間為［16.9，17.2］，包括平均值17.1 Pa，且均值為17.1 Pa的概率為99.2%。因此，巷道內(nèi)湍流壓力脈動服從正態(tài)分布。

圖6　壓力頻數(shù)分布直方圖Fig.6　Frequency histogram of pressure sampled data

圖7　壓力正態(tài)分布檢驗Fig.7　Normality test of pressure sampled data

2.3風(fēng)速大小對湍流脈動的影響

湍流速度脈動相關(guān)的參數(shù)中，最常用的是標(biāo)準(zhǔn)差和湍流強(qiáng)度［11－12］。速度脈動標(biāo)準(zhǔn)差可以用來表征測試數(shù)據(jù)波動幅度的大小，標(biāo)準(zhǔn)差越大，平均脈動幅度越大，測量結(jié)果的絕對誤差越大。而湍流強(qiáng)度(本文指主流X方向的湍流強(qiáng)度I=δ/V ×100%，δ為湍流平均脈動幅度)可用于表示不同測試風(fēng)速下，采樣數(shù)據(jù)的離散程度，數(shù)據(jù)離散程度越大測量結(jié)果失準(zhǔn)概率越大，因此湍流強(qiáng)度可以做為測不準(zhǔn)現(xiàn)象的定量表征。圖8給出了煤礦井下常見風(fēng)速范圍內(nèi)的10種風(fēng)速下，采樣數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差和湍流強(qiáng)度的變化趨勢。由圖8(a)可以看出，隨平均風(fēng)速增大，測點速度的平均脈動幅度近似呈線性增加，即風(fēng)速越大，湍流平均脈動幅度越大;由圖8(b)可以看出，隨平均風(fēng)速增大，測點處的湍流強(qiáng)度(即采樣離散程度)有減小趨勢，但減幅不大，當(dāng)V由0.58 m/s增至5.2 m/s時，I值由5.86%增至4.61%，減幅僅為1.25%。綜上可知，測試風(fēng)速越大，湍流平均脈動幅度越大，可引起的宏觀波動尺度越大，而湍流強(qiáng)度變化不大，這表明風(fēng)速測不準(zhǔn)現(xiàn)象與風(fēng)速大小關(guān)系不大;從測試誤差的角度來看，隨風(fēng)速增大，測試的絕對誤差不斷增加，而相對誤差近似不變。

圖8　風(fēng)速大小對湍流脈動的影響Fig.8　Effect of velocity on turbulence fluctuations

3　現(xiàn)場測試

現(xiàn)場測試在我校實驗礦井內(nèi)進(jìn)行(圖9)，可避免實際井下各種擾動源影響，通過調(diào)節(jié)風(fēng)門a，b改變測試風(fēng)速。實驗段為一段長為200 m的均直矩形巷道，斷面尺寸為3 m(寬)×2.5 m(高);測試斷面距風(fēng)流入口150 m，測點位于斷面軸心;利用L型標(biāo)準(zhǔn)皮托管感應(yīng)測點處的速壓變化，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號顯示于微壓差計電子屏上。每種風(fēng)速下手工記錄200組速壓數(shù)據(jù)(一般需要3～5 min)，按照式(3)轉(zhuǎn)換為瞬時風(fēng)速值V。

圖9　實驗礦井平面示意Fig.9　Schematic plan view of experimental mine

實驗采集了5種風(fēng)速條件下的瞬時風(fēng)速值，經(jīng)檢驗，現(xiàn)場采集的瞬時風(fēng)速仍服從正態(tài)分布。利用統(tǒng)計平均方法獲得不同風(fēng)速下的平均脈動幅度和湍流強(qiáng)度，并與實驗室的測試結(jié)果進(jìn)行對比，如圖10所示。從圖10來看，隨時均風(fēng)速增大，湍流平均脈動幅度和湍流強(qiáng)度的實驗結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果具有一致的變化趨勢，表明利用小斷面巷道模型獲得的定性結(jié)論在實際巷道中仍然適用。從量化結(jié)果來看，在相同風(fēng)速條件下，現(xiàn)場測得的湍流平均脈動幅度和湍流強(qiáng)度均略小于實驗測試結(jié)果，這是由測試巷道斷面尺寸的變化而引起的。因此認(rèn)為，相同風(fēng)速下，巷道斷面越小，湍流脈動越激烈，但斷面尺寸對湍流脈動的影響十分微弱即測不準(zhǔn)現(xiàn)象與巷道斷面尺寸的關(guān)系亦不大，表明即使在無外部擾動的均直巷道中仍然存在十分激烈的湍流脈動。

圖10　實驗結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果對比Fig.10　Experimental results compared with on-the-spost test

4　阻力測定中測壓儀表示值波動的近似解釋

對于通風(fēng)阻力測定中速度和壓力的宏觀波動關(guān)系，本文試圖從空間點壓能的角度做近似理解，其目的僅是為了解釋阻力測定中壓力測試值波動的現(xiàn)象。風(fēng)流內(nèi)任一點的點壓由靜壓、速壓、位壓構(gòu)成，伯努利方程指出

式中，h為壓差計液面高度。

當(dāng)風(fēng)流視為不可壓縮流動時位壓保持不變，顯然，流動速度增大時，靜壓減小，流速減小，靜壓增大。在湍流脈動作用下，不難理解氣壓計法測試礦井通風(fēng)阻力時儀表示值的波動現(xiàn)象。

對于壓差計法測試井巷風(fēng)阻時，靜壓管管孔(皮托管靜壓孔)所感知的是當(dāng)?shù)攸c壓能信息，由于流體質(zhì)點在湍流脈動作用下會產(chǎn)生Y，Z方向的速度分量，導(dǎo)致靜壓孔中混入少量動壓信息，因而皮托管的靜壓孔感受了部分速壓，而全壓孔感受的則不是全部速壓，速壓與靜壓在湍流脈動作用下不斷轉(zhuǎn)換，這一信息傳遞至傾斜壓差計，使液面表現(xiàn)為不穩(wěn)定的上下波動。由于湍流脈動屬瞬態(tài)變化，皮托管感知的不同尺度的湍渦脈動信號，這些信號在導(dǎo)氣膠管中以聲速傳遞至壓差計兩端液面并產(chǎn)生一定時差，因此嚴(yán)格講，傾斜壓差計測阻法并非同步測量，其液面的宏觀波動是大量湍流脈動信號在液面終端疊加和耗散的平均作用結(jié)果。根據(jù)實驗結(jié)果和傾斜壓差計法測阻原理，將湍流脈動與壓力波動關(guān)系簡化為如圖11所示模型。

圖11　速度與壓力脈動關(guān)系簡化模型Fig.11　Simplified model of relationship between velocity and pressure

對圖11的解釋如下:k(k=1，2)表示巷道阻力測定段的始末測點;Vk，pk為k點瞬時風(fēng)速和瞬時壓力;為k點平均流速和平均壓力;σk，δk為k點速度和壓力的平均脈動幅值。當(dāng)k點風(fēng)速為Vk時，壓力為;當(dāng)k點風(fēng)速為+σk或－σk時，對應(yīng)壓力為－δk或+δk。

單位質(zhì)量元流流體的能量方程為

其中，hr為巷道斷面1，2間的通風(fēng)阻力，Pa;ρ1－2為兩端面間巷道內(nèi)的空氣密度平均值，即(ρ1－ρ2)/2，kg/m3。利用傾斜壓差計法測算巷道兩斷面間通風(fēng)阻力時

兩斷面間通風(fēng)阻力為一定值，當(dāng)V1=V1－δ1，V2=+δ2時，h=hmax;當(dāng)V1=+δ1，V2=+δ2時，h=hmin由湍流速度脈動引起的壓差計測試數(shù)據(jù)的波動幅值為

當(dāng)V1=V2且兩斷面間湍流強(qiáng)度不變時，Δhmax= 2ρI，因此由兩斷面間湍流速度脈動引起的壓差計測試數(shù)據(jù)的波動范圍，Δh∈［0，2ρI，可以看出，測壓儀表的平均波動幅度與當(dāng)?shù)赝牧鲝?qiáng)度及平均風(fēng)速的平方成正比，而h～，測試相對誤差ε=Δh/h，則ε與I成正比。從測試誤差來看，壓力測不準(zhǔn)現(xiàn)象與風(fēng)速大小無關(guān)，僅受湍流強(qiáng)度影響，這與風(fēng)速的測不準(zhǔn)現(xiàn)象具有一致性。

5　結(jié)　　論

(1)即使在無外部擾動的理想均直巷道內(nèi)，風(fēng)速和風(fēng)壓仍然存在波動，亦即測不準(zhǔn)現(xiàn)象是絕對存在的而并非單純由外部擾動決定，湍流隨機(jī)脈動是風(fēng)速和風(fēng)壓測不準(zhǔn)現(xiàn)象的本質(zhì)原因。

(2)風(fēng)速和壓力的湍流脈動均服從正態(tài)分布，且風(fēng)速和壓力的平均波動幅度分別與速度和速度的平方成正比，但測不準(zhǔn)現(xiàn)象與風(fēng)速大小關(guān)系不大，僅與湍流強(qiáng)度成正比。從測試誤差來看，隨風(fēng)速增大，測試的絕對誤差不斷增加，而相對誤差近似不變。

(3)通風(fēng)參數(shù)在湍流脈動作用下呈現(xiàn)極不規(guī)則的變化，但它具有規(guī)則的統(tǒng)計平均結(jié)果，理論上可以實現(xiàn)精準(zhǔn)測量。為了獲得井下風(fēng)流的精準(zhǔn)參數(shù)，風(fēng)速及壓力測試儀器應(yīng)基于湍流的統(tǒng)計平均特性來設(shè)計研發(fā)。

參考文獻(xiàn):

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中圖分類號:TD72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0253－9993(2016)06－1447－07

收稿日期:2015－09－14修回日期:2016－01－15責(zé)任編輯:張曉寧

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51574142);國家自然科學(xué)基金委員會與神華集團(tuán)有限公司聯(lián)合資助項目(51174265)

作者簡介:劉劍(1961—)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，教授。E－mail:lj1961@vip．sina．com

Experimental study on uncertainty mechanism of mine airvelocity and pressure with non-external disturbance

LIU Jian1，2，LI Xue-bing1，2，SONG Ying1，2，GAO Ke1，2，DENG Li-jun1，2
(1．College of Safety Science and Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin123000，China;2．Key Laboratory of Mine Thermodynamic Disasters and Control of Ministry of Education，F(xiàn)uxin123000，China)

Abstract:Fluctuations of mine air velocity and pressure are generally considered to be caused by external disturbances．But even if external disturbances are fully controlled in a lab environment，the indicated values of velocity and pressure still present irregular fluctuations which is known as uncertainty phenomenon．Mechanism which causes the uncertainty phenomenon was studied from the turbulent theory．Time-series data of air velocity and static pressure in a tunnel model were measured by laser dopper anemometer(LDA)and digital differential manometer．The results show that the fluctuations still exist in both magnitude and direction，which generally present a random fluctuation around an average value．The maximum pulsating amplitude of air velocity and pressure reach 1．19 m/s and 4．9 Pa respectively when their average values are 2．57 m/s and 17．1 Pa respectively．Both velocity and pressure fluctuation signals followa normal distribution．Their average pulsating amplitudes are respectively proportional to velocity and its square，but the uncertainty phenomenon is only affected by turbulence intensity instead of velocity．Experiments show that mine air velocity and pressure are uncertainty even with non-external disturbances which is essentially caused by turbulence fluctuations．Yet，turbulence can be measured accurately because it has regular statistical average value．To get accurate parameters in the tunnel airflow the development of test instruments should be based on the statistical average value of turbulence．

Key words:mine turbulence;uncertainty;fluctuation;disturbance;air velocity;air pressure