宋　瑩，王　東，郭　欣，楊　率，陳章良，史俊偉

(1.山東工商學院 管理科學與工程學院，山東 煙臺 264005；2.遼寧工程技術(shù)大學 安全科學與工程學院，遼寧 葫蘆島 125105；3.礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點實驗室，遼寧 葫蘆島 125105)

0　引言

風流沿井巷的流動多為湍流運動，風流質(zhì)點瞬時速度隨時間不斷產(chǎn)生隨機變化，想要實現(xiàn)風流速度的精確測量絕非易事。而礦井風流是熱量、粉塵、瓦斯的載體，研究風速分布對于以風流場為基礎(chǔ)的巷道瓦斯、火災(zāi)氣體、粉塵運移規(guī)律，溫度、濕度分布及傳熱傳質(zhì)過程規(guī)律具有重要意義。目前對于礦井巷道風流分布規(guī)律的研究文獻仍然較少，并且相關(guān)研究多集中在利用數(shù)值模擬[1-5]和傳統(tǒng)接觸性實驗測試手段[4-7]。由于數(shù)值模擬軟件處理多采用對N-S方程的簡化模型，模擬結(jié)果與實際流場流動必然存在偏差，且采用實驗手段進行測試也集中在利用熱敏風速儀、熱線式風速計、畢托管等常規(guī)傳統(tǒng)接觸性測速工具上，其測量會對流場產(chǎn)生干擾。并且上述文獻[1-7]均未考慮礦井風流的本質(zhì)特征，忽視了湍流脈動對測風精度的影響。文獻[8-9]利用非接觸激光多普勒測速儀(LDA)測試得到了均直巷道和突擴巷道斷面風流分布規(guī)律，但從流場測量方式來說，LDA是點測量方法，無法一次反映出流場空間結(jié)構(gòu)的變化，會對研究湍流的核心問題——漩渦結(jié)構(gòu)造成阻礙，而粒子圖像測速儀(PIV)則突破了空間點測量的局限性，可在瞬間記錄下一個平面(激光片光)內(nèi)的流動信息，實現(xiàn)全流場的瞬態(tài)測量[10]。但是目前，在國內(nèi)外礦井通風湍流研究領(lǐng)域，將PIV測速技術(shù)應(yīng)用于礦井風流實驗測試研究極少見諸文獻，因此，本文利用非接觸PIV測速技術(shù)對突擴巷道縱向截面風流變化進行瞬時測試，并分析速度分布規(guī)律，為后續(xù)進一步研究巷道風流流態(tài)提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。

1　實驗裝置與測速系統(tǒng)

1.1　實驗裝置

本次實驗?zāi)M風流在平直巷道的穩(wěn)定流動及突擴后的風流狀態(tài)，相似比例1∶25。實驗?zāi)Ｐ筒捎醚h(huán)通風方式，主要由通風動力裝置、流量計、示蹤粒子布撒裝置、測試段以及連接管路組成。測試段為矩形突擴巷道，為研究突擴規(guī)律，將突擴比夸大，突擴比設(shè)為1∶2，測試段總長為7.2 m，巷道突擴前斷面尺寸為120 mm×100 mm(寬×高)，突擴后斷面尺寸為120 mm×200 mm(寬×高)，利用透光性好，折射率低的光滑亞克力板加工制成，并采用專用的亞克力膠粘貼，系統(tǒng)密閉性良好。突擴巷道實驗裝置示意如圖1所示。

圖1　突擴巷道實驗裝置Fig.1　Experimentaldevice of the sudden enlarged roadway

1.2　測速系統(tǒng)

PIV是利用粒子的成像來測量流體速度的一種測速系統(tǒng)。其基本原理：脈沖激光器發(fā)出的激光通過片光源鏡頭組(由球面鏡和柱面鏡組成)，形成一扇形脈沖片光源，照亮流場測試區(qū)域，通常為一個很薄的面(1～2 mm)。在一定的跨幀時間Δt內(nèi)，用位于激光面垂直方向的PIV專用跨幀CCD相機記錄下測試區(qū)域中前后2幀流場示蹤粒子圖像，然后將數(shù)字化的圖像送入計算機系統(tǒng)，利用自相關(guān)或互相關(guān)原理對圖像進行矩陣處理，得到流場中各點的速度信息[10-11]。

PIV系統(tǒng)由Dantec公司提供，激光光源采用Dual Power 135-15雙脈沖Nd：YAG激光器，其最大輸出功率為每脈沖800 mJ，脈沖激光波長為532 nm(綠光)，脈沖持續(xù)時間為4 ns，且脈沖間隔可調(diào)，激光器光路產(chǎn)生的片光源從實驗?zāi)Ｐ椭行纳戏酱怪比肷?。配置的專用跨幀CCD相機為Nikon公司生產(chǎn)，分辨率達2 048 pixel× 2 048 pixel，并配備532 nm的濾光鏡，CCD相機軸線垂直于激光平面拍攝。并采用FlowManager軟件對圖像進行自相關(guān)和互相關(guān)算法處理。

2　突擴巷道流場實驗測試

2.1　實驗測試區(qū)域

如圖2所示，實驗選擇了巷道突擴界面前后的測量區(qū)域。由于CCD相機有最大可觀測范圍的限制，調(diào)整相機焦距以及片光源的高度，PIV測速技術(shù)無法一次完成突擴前后縱向截面速度場信息采集，故實驗采取分段測試。

圖2　實驗測試區(qū)域Fig.2　Experimental test area

2.2　實驗參數(shù)設(shè)置

本實驗在平均風速分別為2.5 m/s(Re=1.9×104)和4 m/s(Re=3.0×104)2種通風風速下對突擴巷道風流進行測試，實驗巷道內(nèi)風流速度場雷諾數(shù)均大于4 000，風流流動狀態(tài)已呈湍流態(tài)，滿足了雷諾相似準則，保證與實際井下巷道內(nèi)的風流流動狀態(tài)具有動力相似性。

實驗所用的專業(yè)跨幀CCD相機圖像分辨率大小為100 μm/pixel，判讀區(qū)像素為32×32，即：3.2 mm×3.2 mm。光擴散劑示蹤粒子[12]由粒子發(fā)生器發(fā)出，經(jīng)過整流格柵均勻進入實驗測試區(qū)域。CCD相機的拍攝頻率設(shè)為5 Hz，即每0.2 s拍攝2幀圖像，實驗在每個通風工況下拍攝200組瞬時二維速度場?？鐜瑫r間Δt的設(shè)定對于PIV測量結(jié)果具有重要影響，由下式(1)計算，當平均風速為2.5 m/s時，跨幀時間Δt為：

(1)

同理，當平均風速為4 m/s，跨幀時間Δt≈200 μs，并通過在實驗中的反復(fù)測試，確定適合的跨幀時間分別為320 μs和200 μs。

3　突擴巷道流場風流分布特征分析

3.1　瞬態(tài)流場分布

圖3為平均風速為2.5 m/s時，突擴巷道風流場在某一時刻的瞬態(tài)速度流線與云圖。可見風流經(jīng)突擴巷道后，流場發(fā)生了強烈變化，在突擴段后上下隅角形成多個大小不一的漩渦區(qū)，漩渦區(qū)內(nèi)風流方向也極不規(guī)則，各向均有分布，且隨時間不斷發(fā)生變化，各時刻流場速度分布并沒有表現(xiàn)出一致性，變化十分劇烈，速度流線呈現(xiàn)出“雜亂無章”的分布狀態(tài)。這也進一步說明了PIV測試技術(shù)較傳統(tǒng)的測試儀器更能夠清晰獲得復(fù)雜流場的瞬態(tài)實時速度信息。

圖3　突擴巷道風流場在某一時刻的瞬時速度流線與云圖Fig.3　Instantaneous velocitystreamline and cloud maps of the wind flow field in the sudden enlarged roadway at a certain moment

3.2　時均流場分布

將實驗獲得的200組瞬態(tài)速度統(tǒng)計平均處理后，得到突擴巷道風流場時均速度流線與云圖分布如圖4所示。從圖4可以看出，應(yīng)用PIV測量技術(shù)可以得到流場空間結(jié)構(gòu)變化，清晰地看到經(jīng)過突變界面前后風流速度的變化情況。風流在突擴前的平直巷道，速度流線基本呈平滑直線，在突擴段后上下隅角形成回流漩渦區(qū)，上隅角回流區(qū)較小，回流區(qū)長度約在距離突擴界面250 mm處；在下隅角形成了一個狹長且貼近巷道壁面的大回流區(qū)域，回流區(qū)長度約在距離突擴界面550 mm處，突擴上下隅角形成的回流區(qū)并沒有表現(xiàn)出對稱性。整個回流區(qū)內(nèi)的風流速度值很小，風速均值在-0.6～0.6 m/s之間波動，與主流風速相比，渦流區(qū)內(nèi)風速較低，并且在渦流區(qū)域內(nèi)風流方向極不規(guī)則，各向均有分布，表明在煤礦井下測風時可以有條件地忽略渦流區(qū)，因為渦流區(qū)測風方向極不穩(wěn)定，而且風速很低。由于渦流區(qū)速度明顯低于主流風速，在上下隅角區(qū)域容易造成有毒有害氣體和粉塵積聚，且不易排出，煤礦井下應(yīng)加大對隅角區(qū)域的通風管理工作。

圖4　突擴巷道風流場時均速度流線與云圖Fig.4　Mean velocity streamline and cloud maps of the windflow field in the sudden enlarged roadway at a certain moment

突擴巷道風流時均速度場與瞬時速度場對比發(fā)現(xiàn)，瞬態(tài)流場隨時間的變化而不斷變化，而時均流場中有穩(wěn)定、規(guī)則的漩渦回流。為進一步清晰表達突擴巷道風流場的結(jié)構(gòu)特點，以平均風速為2.5 m/s為例分析流場速度分布特征，圖5為沿風流方向x軸上12個特征位置處風流時均速度v分布規(guī)律曲線。由圖5可見，風流在突擴界面前的平直巷道斷面風速分布呈現(xiàn)出中間區(qū)域風速較大，越靠近巷道邊壁風速越小的趨勢。經(jīng)過突變界面后，風流發(fā)生劇烈變化，在突擴上下隅角出現(xiàn)負值風速，表明此位置產(chǎn)生了與主流風速方向相反的流速，存在回流漩渦區(qū)，且回流區(qū)內(nèi)的風速值相對于主流風速很小。從縱向速度分布趨勢來看，突擴上隅角風速負值約在x=400 mm處結(jié)束，即表明上隅角回流區(qū)的長度約距離突擴界面250 mm；突擴下隅角風速負值約在x=700 mm處結(jié)束，即表明下隅角回流區(qū)的長度約距離突擴界面550 mm，突擴上下隅角渦流呈現(xiàn)上小下大的不對稱分布。突擴界面前斷面中心風速約在3 m/s左右，風流經(jīng)突擴界面后，能量逐漸耗散和衰減，斷面中心風速值減至2 m/s左右。風流經(jīng)突擴界面后，在距離突擴界面約150 mm區(qū)域內(nèi)風速依然呈現(xiàn)對稱分布，隨后風流呈現(xiàn)上揚趨勢，受突擴段上下隅角區(qū)域大渦湍流脈動影響，峰值拐點發(fā)生了震蕩性偏移。當下隅角回流結(jié)束后，由x=800 mm和x=900 mm處風速分布可見，峰值拐點漸漸下移至斷面中心位置，斷面風流將逐漸呈現(xiàn)對稱分布趨勢。由于上下隅角渦流的存在，回流區(qū)內(nèi)的斷面風速呈現(xiàn)出“Ω”型分布趨勢。

3.3　突擴巷道流場實驗分析

突擴巷道PIV實驗發(fā)現(xiàn)，突擴后巷道流場風流狀態(tài)十分復(fù)雜，在突擴隅角區(qū)域出現(xiàn)了非對稱的渦流漩渦區(qū)。流體經(jīng)過突擴斷面后，通常存在2種流動，即對稱流動和非對稱流動[13]。Durst F和MellingA[14]等通過實驗發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)Re=56時，突擴流動對稱的結(jié)論。李占松和朱士江[13]利用數(shù)值模擬方法得到了不同雷諾數(shù)下突擴流動分布狀態(tài)，并與Durst F[14]等的實驗結(jié)果進行對比分析，得出了當Re=10時，流動對稱；Re=56時流動基本對稱；Re=114時流動明顯偏轉(zhuǎn)的結(jié)論，且認為流體經(jīng)突擴界面后，主流發(fā)生向左或向右偏轉(zhuǎn)是隨機的，并且由于數(shù)值計算迭代的方向不同會導(dǎo)致主流偏轉(zhuǎn)的方向不同，產(chǎn)生非對稱流動現(xiàn)象，這與文獻[15]的數(shù)值模擬結(jié)果吻合。對于突擴管道出現(xiàn)的非對稱流動狀態(tài)，經(jīng)過一段充分發(fā)展的距離，會逐步趨于對稱。并且渦流區(qū)的形狀隨突擴比(小斷面與大斷面的面積比)不同而變化，當突擴前小斷面的面積較小，即突擴比較大時，可能造成不對稱的渦流區(qū)[16]。而在本文實驗測試條件中，突擴巷道風流雷諾數(shù)達到了104，巷道突擴比為1∶2，實驗測試結(jié)果出現(xiàn)了突擴流動偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，與上述文獻實驗[13-16]及數(shù)值模擬研究結(jié)果具有一致性。

本實驗在較為理想狀態(tài)(巷道光滑)下風流的分布特征都如此復(fù)雜，而實際井下巷道表面粗糙，對風流的干擾更加劇烈，風流分布特征必將更為復(fù)雜多變，而基于本次實驗?zāi)Ｐ偷腜IV測試結(jié)果可為實際礦井中復(fù)雜的風流湍流流動研究奠定實驗理論基礎(chǔ)。

4　結(jié)論

1)PIV技術(shù)可以清晰地獲得突擴巷道全流場信息，瞬態(tài)風流分布“瞬息萬變”，時均流場中突擴前平直巷道速度流線基本呈平滑直線，突擴后上下隅角存在回流大渦區(qū)，呈現(xiàn)出不對稱分布，并且渦流區(qū)測風方向極不穩(wěn)定，而且風速很低，風速平均值大約在-0.6 m/s～0.6 m/s之間波動，表明在煤礦井下測風時可以有條件地忽略渦流區(qū)。

2)突擴斷面縱對稱軸風速分布表明，突擴界面前的平直巷道斷面內(nèi)風流呈對稱分布，風流經(jīng)突擴界面后，上下隅角區(qū)域風流速度出現(xiàn)負值，表明此位置區(qū)域存在回流。受突擴段上下隅角區(qū)域大渦湍流脈動以及矩形管道湍流二次流的影響，風流在距離突擴界面150 mm處開始呈現(xiàn)上揚趨勢，突擴斷面縱對稱軸上風速分布峰值拐點發(fā)生了震蕩性偏移，當下隅角回流區(qū)結(jié)束后，風速分布峰值拐點漸漸下移并逐漸呈現(xiàn)對稱趨勢，回流區(qū)內(nèi)斷面風速整體呈現(xiàn)出“Ω”型分布形式。

3)非接觸PIV測速技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)流場速度瞬態(tài)測量，更加精準地測試巷道流場風流的湍流特性，并反映出突擴巷道流場回流漩渦結(jié)構(gòu)分布特征。

[1]高建良,王春霞,徐昆倫.貫通巷道風流流場數(shù)值模擬若干關(guān)鍵問題研究[J].中國安全科學學報,2009, 19(8): 21-27.

GAO Jianliang, WANG Chunxia, XU Kunlun.Research ofseveral key problems in numerical simulation of flow field of perforation airway[J].China Safety Science Journal, 2009, 19(8): 21-27.

[2]郝元偉,陳開巖,蔣中承,等.基于CFD模擬的巷道風速監(jiān)測值修正處理[J].煤礦安全,2011,42(2):1-3.

HAO Yuanwei, CHEN Kaiyan, JIANG Zhongcheng, et al. Study on amendment of airflow velocity in roadway based on CFD[J].Safety in Coal Mines,2011,42(2):1-3.

[3]鹿廣利,張夢寒,樊聰奇.基于CFD的定點風速測定法的分析[J].煤炭技術(shù),2015,34(5):156-157.

LU Guangli, ZHANG Menghan, FAN Congqi. Analysis of fixed-point wind speed measurement method based on CFD [J]. Coal Technology,2015,34(5):156-157.

[4]王丙建.支護結(jié)構(gòu)與輸送機布設(shè)巷道斷面風速分布特征的風洞試驗和數(shù)值模擬研究[D].山西:太原理工大學,2013.

[5] 丁翠,何學秋,聶百勝.礦井通風巷道風流分布“關(guān)鍵環(huán)”數(shù)值與實驗研究[J].遼寧工程技術(shù)大學學報(自然科學版),2015,34(10):1131-1136.

DING Cui, HE Xueqiu, NIE Baisheng. Numerical and experimental research on “key ring” distribution of ventilation in mine tunnels[J].Journal of Liaoning TechnicalUniversity(Natural Science),2015,34(10):1131-1136.

[6]Luo, Y., Zhao, Y., Wang, Y., Chi, M., Tang, H., Wang, S. Distributions ofairflow in four rectangular section roadways with different supporting methods inunderground coal mines. Tunnelling and Underground Space Technology,2015,46,85-93.

[7] 陳波,卓維海,孫全富,等.礦山巷道斷面的風速分布與通風量估算[J].中華放射醫(yī)學與防護雜志,2008, 28(6): 579-581.

CHEN Bo, ZHOU Weihai, SUN Quanfu, et al. Distribution of wind velocities and the ventilation estimation in a cross section of mine lane [J].Chinese Journal of Radiological Medicine and Protection,2008, 28(6):579-581.

[8]劉劍,宋瑩,劉明浩,等.基于LDA的均直巷道斷面風速分布規(guī)律實驗研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù),2015,11(12):78-84.

LIU Jian, SONG Ying, LIU Minghao, et al. Experimental study on distribution laws of wind velocity in straight roadway section based on LDA[J]. Journal of Safety Science and Technology,2015,11(12):78-84.

[9]劉劍,宋瑩,李雪冰,等.基于LDA的均直巷道斷面突擴風速分布規(guī)律實驗研究[J].煤炭學報,2016,41 (4):892-898.

LIU Jian, SONG Ying, LI Xuebing, et al. Experimental study on wind speed distribution of the straight roadway and sudden enlarged sections based on LDA[J].Journal of China Coal Society,2016,41(4):892-898.

[10] 吳嘉.流速測量方法綜述及儀器的最新進展[J].計測技術(shù),2005,25(6):1-4.

WU Jia. Review of flow velocity measurement techniques and the new developments of instrument [J]. Metrology & Measurement Technology,2005,25(6):1-4.

[11] 楊敏官.流體機械內(nèi)部流動測量技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011:131-138.

[12] 劉劍,李雪冰,白崇國,等.管道風流PIV實驗中示蹤粒子特性[J].遼寧工程技術(shù)大學學報(自然科學版),2016,35(10):1057-1062.

LIU Jian,LI Xuebing,BAI Chongguo, et al. Characteristics of tracer particles used in PIV experiment of pipeflow[J].Journal of Liaoning Technical University (Natural Science),2016,35(10):1057-1062.

[13]朱士江,李占松.突擴流動主流偏轉(zhuǎn)特性數(shù)值模擬研究[J].水科學進展,2009,20(2):249-254.

ZHU Shijiang, LI Zhansong. Numerical simulation for deflexion features of sudden expansion laminar in main flow [J].Advances in Water Science,2009,20(2):249-254.

[14]DURSTF, MELLINGA, WHITE JH, et al. Low Reynolds number flow over a plane symmetric sudden espansion [J].FluidMech,1974,64:111-128.

[15] WANG Liaosha, JIANG Junfeng, HONG Ruoyu, et al. Transition to asymmetry of non-Newtonian fluids:in an abrupt expansion[J]. Computersand Applied Chemistry,2008,25(12):1473-1476.

[16]周愛平.過流截面突然擴大和突然縮小時局部阻力的測量與分析[J].焦作工學院學報(自然科學版),2000,19(1):45-49.

ZHOU Aiping. Measurement and analysis of local resistance on flow section expanded and narrowed suddenly[J].Journal of Jiaozuo Institute of Technology (Natural Science),2000,19(1):45-49.