宋勝偉，楊 志，陳國(guó)輝，趙淑瑩

(1．黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱150022；2．黑龍江科技大學(xué) 理學(xué)院，哈爾濱150022)

出口壓力對(duì)煤礦主風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)溫度場(chǎng)的影響

宋勝偉1，楊 志1，陳國(guó)輝1，趙淑瑩2

(1．黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱150022；2．黑龍江科技大學(xué) 理學(xué)院，哈爾濱150022)

為探究出口壓力對(duì)煤礦主風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)溫度場(chǎng)的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定某煤礦主風(fēng)機(jī)風(fēng)道內(nèi)某點(diǎn)溫度值與各通風(fēng)口初始值，利用流體動(dòng)力學(xué)分析軟件Fluent模擬出口不同壓力下分支風(fēng)道多場(chǎng)耦合傳熱特性。結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果兩者變化趨勢(shì)保持一致，最大誤差為8.9%；出口壓力對(duì)風(fēng)門(mén)溫度影響顯著，當(dāng)出口壓力較小時(shí)，風(fēng)門(mén)低溫區(qū)域只發(fā)生在風(fēng)門(mén)上半部分，且多集中上中部分，整個(gè)風(fēng)門(mén)溫度場(chǎng)分布呈非對(duì)稱特征；隨著壓力的增加，低溫域以逆時(shí)針特點(diǎn)向風(fēng)門(mén)左半部分?jǐn)U散，在風(fēng)門(mén)左下半部分尤為明顯；高溫區(qū)域一般集中在風(fēng)門(mén)邊緣處。該研究為防治煤礦主風(fēng)機(jī)的風(fēng)門(mén)低溫凍害提供參考依據(jù)。

煤礦主風(fēng)機(jī); 溫度場(chǎng)；出口壓力；傳熱；風(fēng)機(jī)的風(fēng)門(mén)

風(fēng)門(mén)作為煤礦主通風(fēng)系統(tǒng)的重要設(shè)備，掌控著風(fēng)量的大小與方向，然而寒區(qū)的煤礦常常因?yàn)槠滹L(fēng)道內(nèi)濕空氣相變結(jié)霜使得風(fēng)門(mén)無(wú)法正常開(kāi)閉，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)[1]。為此，宋勝偉[2-3]以風(fēng)門(mén)濕度為目標(biāo)因子，研究風(fēng)道不同結(jié)構(gòu)對(duì)其影響和風(fēng)道內(nèi)流場(chǎng)特性。魏亞興[4]給出了通風(fēng)熱交換規(guī)律，但并沒(méi)有考慮相變放熱最終點(diǎn)溫度的影響。此外，針對(duì)煤礦風(fēng)道傳熱，國(guó)內(nèi)其他學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究[5-8]，但未涉及出口壓力對(duì)主風(fēng)機(jī)的風(fēng)門(mén)溫度場(chǎng)影響的研究。國(guó)外學(xué)者在傳熱方面雖進(jìn)行了相關(guān)研究，但都是針對(duì)壓入式短小風(fēng)道的結(jié)霜，而對(duì)煤礦抽出式通風(fēng)的大徑風(fēng)道傳熱研究相對(duì)較少[9-12]。因此，筆者分析出口壓力對(duì)煤礦主風(fēng)機(jī)的風(fēng)門(mén)溫度場(chǎng)影響，以期為防治風(fēng)門(mén)低溫凍害提供科學(xué)的參考。

1 參數(shù)的測(cè)定

由于煤礦主風(fēng)機(jī)的風(fēng)門(mén)所處位置與形狀的特殊性，無(wú)法直接測(cè)量其表面溫度值，文中利用七臺(tái)河某煤礦主通風(fēng)風(fēng)道，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 煤礦主通風(fēng)分支風(fēng)道Fig.1 Main ventilation branch pipeline of coal mine

所測(cè)數(shù)據(jù)為數(shù)值模擬提供了可靠的壓力p與溫度T初始值。根據(jù)自動(dòng)檢測(cè)儀器顯示，在調(diào)節(jié)過(guò)程中，測(cè)量了出口處溫度值為12 ℃，同時(shí)檢測(cè)到五組出口壓力值與相應(yīng)風(fēng)門(mén)3號(hào)測(cè)點(diǎn)處的溫度值，具體值見(jiàn)表1。

表1 不同出口壓力下泄露入口處溫度值Table 1 Temperature at 50 cm in front of ventilation door under different outlet pressure

2 計(jì)算模型與邊界條件

2.1 計(jì)算模型

圖1 給出了煤礦主風(fēng)機(jī)的分支風(fēng)道結(jié)構(gòu)包括入口直管段L1，斜管段L2和出口直管段L3，其長(zhǎng)度分別為10、18、12 m，兩分支風(fēng)道夾角γ為60°，風(fēng)道為等直徑圓柱，直徑d0為3.4 m，壁厚δ為0.06 m，風(fēng)門(mén)厚度為0.36 m。風(fēng)道材料由混凝土和鐵制圓柱管構(gòu)成，根據(jù)多層圓筒壁熱阻理論，計(jì)算其風(fēng)道總傳熱系數(shù)為1.26 W/(m·k)，風(fēng)門(mén)材料為45#鋼，其傳熱系數(shù)為49.5 W/(m·k)。采用三維建模軟件Pro/E軟件對(duì)主通風(fēng)風(fēng)道建立實(shí)體模型，在前處理軟件Gambit中采用體網(wǎng)格對(duì)幾何模型劃分，經(jīng)過(guò)多次迭代計(jì)算，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為679 546個(gè)。

2.2 邊界條件

通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)道內(nèi)氣體流速與溫度較低，忽略輻射傳熱對(duì)熱量交換的影響。風(fēng)道內(nèi)湍流流動(dòng)模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ξ兩方程模擬。主入口設(shè)為壓力入口，出口設(shè)置為壓力出口，出口處初始?jí)毫Υ笮?2 300 Pa，由于抽出式通風(fēng)的特點(diǎn)，應(yīng)為負(fù)值。實(shí)驗(yàn)測(cè)定等效泄露寬度為100 mm，泄露入口壓力值為800 Pa，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)功率，測(cè)量了主入口壓力值為2 400 Pa,溫度值為14 ℃，主入口與出口水力直徑為3 400 mm。

為了揭示風(fēng)門(mén)與風(fēng)道內(nèi)溫度場(chǎng)分布規(guī)律，必須先弄清兩分支風(fēng)道內(nèi)微觀流體流動(dòng)特征，為此先對(duì)風(fēng)道流體進(jìn)行研究：風(fēng)道內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)(層流還是湍流)進(jìn)行理論分析與計(jì)算，當(dāng)雷諾數(shù)大于臨界值Recr(實(shí)際工程計(jì)算中圓管牛頓流體流動(dòng)通常取為2 320)視為湍流，反之則為層流。雷諾數(shù)Re表示為

(1)

式中:ρ——流體的密度，kg/m3；

v——風(fēng)道中流體平均速度，m/s；

dH——風(fēng)道有效水力直徑，m；

μ——流體的動(dòng)力黏度，Pa·s。

風(fēng)道的有效水力直徑為自身的內(nèi)徑，文章中考慮了泄漏情況，此時(shí)的泄露入口水力直徑為其風(fēng)道兩圓環(huán)半徑之差

dH=r1-r2，

(2)

式中:r1——風(fēng)道外環(huán)半徑，m；

r2——風(fēng)道內(nèi)環(huán)半徑，m。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算Re=666 340>Recr=2 320，即風(fēng)道內(nèi)氣流流動(dòng)為湍流狀態(tài)。

風(fēng)道中湍流強(qiáng)度I為

I=0.16×Re(-1/8)。

(3)

經(jīng)計(jì)算壓力出口湍流強(qiáng)度為3%，泄露入口水力直徑為100 mm，泄露入口湍流強(qiáng)度為5%。壁面邊界條件取無(wú)滑移項(xiàng)。

3 計(jì)算方法與模型可行性

3.1 計(jì)算方法

由于井下氣體為高溫度濕空氣，在抽出過(guò)程中遇到地面風(fēng)道內(nèi)冷空氣發(fā)生相變放熱，這部分熱量將對(duì)風(fēng)門(mén)溫度場(chǎng)的分布產(chǎn)生影響，予以考慮。相變過(guò)程焓微分方程為

(4)

潛熱釋放是相變過(guò)程中不同于一般導(dǎo)熱問(wèn)題的一個(gè)顯著特點(diǎn)，由于釋放熱量，傅里葉定律變成了具有內(nèi)熱源的溫度場(chǎng)。其方程有

(5)

式中:c——比熱容，J/kg·K;

λ——導(dǎo)熱率，J/(m·h·℃);

L——潛熱，J/kg;

fs——固相率，也可以表示潛熱釋放;

t——時(shí)間，s;

x、y、z——三維坐標(biāo)，m。

整理式(4)、(5)得

(6)

相變問(wèn)題實(shí)際上可以作為非線性瞬態(tài)熱分析處理，計(jì)算過(guò)程中，可以通過(guò)定義材料的焓隨溫度變化來(lái)考慮潛熱的數(shù)值[13-16]。文中選擇計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析軟件Fluent，選擇基于壓力基，非穩(wěn)態(tài)傳熱模塊，通過(guò)Mixture模型與解釋型相變程序完成對(duì)風(fēng)門(mén)溫度場(chǎng)的研究，其迭代步為10 000步，時(shí)間間隔為25 s。

3.2 可行性分析

給定實(shí)驗(yàn)所測(cè)得出口壓力值，對(duì)分支風(fēng)道進(jìn)行仿真，提取2號(hào)測(cè)點(diǎn)風(fēng)門(mén)前50 cm處溫度值，并與實(shí)驗(yàn)所測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，如圖2所示，隨著出口壓力的增大，風(fēng)門(mén)前50 cm處溫度降低，與實(shí)驗(yàn)時(shí)所測(cè)相應(yīng)值對(duì)比，二者變化趨勢(shì)保持一致，最大誤差8.9%，證明模型可行。

圖2 實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比Fig.2 Experiment and simulation comparison

4 結(jié)果分析

4.1 低溫區(qū)域占比

將低于零度的溫度定義為低溫。圖3給出了不同出口壓力下，風(fēng)門(mén)低溫區(qū)域的變化規(guī)律，為了直觀地表達(dá)風(fēng)門(mén)低溫區(qū)域在整個(gè)風(fēng)門(mén)中的比重，圖3中以低溫區(qū)域占比為縱坐標(biāo)。從圖3中可以看出，隨著出口壓力的增大，低溫域占比η顯著增加，在當(dāng)出口壓力為-2 350 Pa時(shí)，風(fēng)門(mén)一半以上區(qū)域處于低溫狀態(tài)。

圖3 壓力對(duì)低溫區(qū)域的影響Fig.3 Influence of outlet pressure on low temperature region

4.2 低溫區(qū)域位置

為了表達(dá)出風(fēng)門(mén)低溫域的位置，將風(fēng)門(mén)看成以風(fēng)門(mén)中心為圓心，半徑為1 650 mm的圓。將逆時(shí)針?lè)较蚨x為從小到大的方向，即低溫區(qū)域右邊界切線與原點(diǎn)夾角為α小角，左邊界切線與原點(diǎn)夾角β為大角。圖4給出了不同壓力下角度φ的變化曲線，曲線表明：當(dāng)壓力較小時(shí)，低溫只發(fā)生在風(fēng)門(mén)上半部分，隨著出口壓力的增加，低溫區(qū)域邊界夾角逐漸增大，并且區(qū)域左邊界以逆時(shí)針?lè)较驍U(kuò)展，當(dāng)壓力值達(dá)到-2 300 Pa時(shí)，夾角差為360°，即在每一個(gè)象限內(nèi)都存在低溫區(qū)域。

圖4 出口壓力對(duì)低溫邊界夾角的影響Fig.4 Influence of outlet pressure on included angle of low temperature boundary

圖5 給出了低溫邊界與原點(diǎn)之間的距離(近距離dj、遠(yuǎn)距離dy)變化曲線，為了表達(dá)更為清楚，從象限的角度考慮，將風(fēng)門(mén)上半部分定義為正值，下半部分為負(fù)值，正負(fù)僅代表其位置，不表示大小。對(duì)比圖5可知當(dāng)壓力較小時(shí)，低溫域只發(fā)生在風(fēng)門(mén)上半部分，而隨著壓力的增大，逐漸向風(fēng)門(mén)左半部分邊緣擴(kuò)散，特別是風(fēng)門(mén)左下半部分尤為顯著，這是由于風(fēng)道中的氣體湍流影響所至。

a 最近距離

b 最遠(yuǎn)距離

4.3 沿風(fēng)門(mén)豎直中心線溫度

圖6給出了出口不同壓力下，風(fēng)門(mén)沿豎直中心線溫度變化規(guī)律，其中橫縱坐標(biāo)交點(diǎn)為風(fēng)門(mén)中心點(diǎn)，橫坐標(biāo)從左至右對(duì)應(yīng)為風(fēng)門(mén)頂端沿豎直中心線到低端，橫坐標(biāo)以下數(shù)值為負(fù)溫，以上的數(shù)值為正值。從圖中可知，高溫多集中在風(fēng)門(mén)上下邊緣處，且下半部分風(fēng)門(mén)整體溫度高于上半部分。而低溫區(qū)域主要分布在風(fēng)門(mén)偏上部分，且隨著出口壓力的增加，范圍逐漸擴(kuò)大。整個(gè)風(fēng)門(mén)沿豎直中心線溫度的變化趨勢(shì)近似呈開(kāi)口向上的拋物線特點(diǎn)。

圖6 出口壓力對(duì)風(fēng)門(mén)豎直中心線溫度的影響Fig.6 Influence of outlet pressure on temperature of vertical center line

4.4 沿風(fēng)門(mén)水平中心線溫度

同4.3小節(jié)，規(guī)定橫坐標(biāo)為風(fēng)門(mén)水平中心線，左右方向一致。從圖7中可知，壓力較小時(shí)，沿風(fēng)門(mén)水平中心線無(wú)負(fù)溫值，當(dāng)壓力值為-2 300 Pa時(shí)，水平中心線偏向風(fēng)門(mén)右半部分出現(xiàn)小區(qū)域負(fù)溫值，最低為-13 ℃。而隨著壓力值進(jìn)一步增大，負(fù)溫逐漸向左移動(dòng)，即風(fēng)門(mén)左半部分整體溫度低于右半部分溫度，如圖7左下角曲線。

圖7 出口壓力對(duì)風(fēng)門(mén)水平中心線溫度的影響Fig.7 Influence of outlet pressure on temperature of level center line

5 結(jié) 論

(1)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析表明，基于有限元計(jì)算主風(fēng)機(jī)的風(fēng)門(mén)溫度的方法可行；對(duì)出口不同壓力下，風(fēng)門(mén)低溫區(qū)域、低溫位置、數(shù)值中心線溫度與水平中心線的溫度研究結(jié)果表明，出口壓力對(duì)風(fēng)門(mén)溫度影響顯著，當(dāng)出口壓力較小時(shí)，風(fēng)門(mén)低溫區(qū)域只發(fā)生在風(fēng)門(mén)上半部分，且多集中上中部分，整個(gè)風(fēng)門(mén)溫度場(chǎng)分布呈非對(duì)稱特征;

(2)隨著壓力的增加，低溫域以逆時(shí)針特點(diǎn)向風(fēng)門(mén)左半部分?jǐn)U散，在風(fēng)門(mén)左下半部分尤為明顯；高溫區(qū)域一般集中在風(fēng)門(mén)邊緣處。

[1] 宋勝偉，王子鵬，楊晨升.煤礦主風(fēng)機(jī)分支風(fēng)管路對(duì)風(fēng)門(mén)濕度的影響[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014,24(3): 267-271.

[2] Song Shengwei,Wang Zipeng，Yang Chensheng.Analysis of Y type branch pipe exhaust ventilation flow characteristics[J].Applied Mechanics and Materials,2014(5): 38-42.

[3] 宋勝偉，楊 志，劉文海,等.煤礦主風(fēng)機(jī)備用管路的壓力場(chǎng)分析研究[J].機(jī)械工程師,2016(3): 72-75.

[4] 魏亞興.礦井通風(fēng)井巷熱交換規(guī)律數(shù)值試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)沙： 中南大學(xué),2012.

[5] 孫 勇,王 偉.基于FLUENT的掘進(jìn)工作面通風(fēng)熱環(huán)境數(shù)值模擬[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013,40(7): 31-34

[6] 王志光.礦井風(fēng)道通風(fēng)溫度、濕度規(guī)律的數(shù)值模擬研究[D].阜新： 遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2010.

[7] 李躍通.井巷圍巖與風(fēng)流熱濕交換特性研究與分析[D].淮南： 安徽理工大學(xué),2013.

[8] 侯祺棕，沈伯雄.井巷圍巖與風(fēng)流間熱濕交換的溫濕預(yù)測(cè)模型[J].武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1997,19(3): 123-127.

[9] Kyoungmin K,Minhwan K.Hermal performance of microchannel heat exchangers according to the design parameters under the frosting conditions[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2014(7): 626-632.

[10] Km K,Kim D R.Local frosting behavior of a plated-fin and tube heat exchanger according to the refrigerant flow direction and surface treatment[J].Heat Mass Transfer,2013(6): 751-758.

[11] Jordi A,Jordi A.Production of filled pauses in concatenative speechsynthesis based on the underfying fluent sentence [J].Speech Communication,2012(4): 459-476.

[12] Moavllema E,Padhmanabhan S.Experimental investigation of the surface temperature and water retention effects on the frosting performance of a compact microchannel heat exchanger for heat pump systems[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2012(5): 171-186.

[13] Moavllema E,Cremasghi L.Experimental measurements of the surface coating and water retention effects on frosting performance of microchannel heat exchangers for heat pump systems[J].Exp Therm Fluid Sci,2012(9): 176-188.

[14] 潘艾剛，王俊彪.基于等效熱熔法和焓法的相變傳熱數(shù)值分析[J].計(jì)算機(jī)仿真，2014,31(2): 315-318.

[15] 鄒 進(jìn)，黃素逸.變熱傳導(dǎo)計(jì)算[J].能源技術(shù),2000(1): 11-14.

[16] 李勁東.固液相變過(guò)程最優(yōu)控制數(shù)學(xué)定解分析及其解法[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2005,25(1): 91-94.

(編校 李德根)

Influence of outlet pressure on temperature field of ventilation door of main fan in coal mines

SongShengwei1，YangZhi1，ChenGuohui1，ZhaoShuying2

(1.School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022,China;2.School of Sciences,Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022,China)

This paper is aimed at exploring the influence of outlet pressure on the temperature field of ventilation door of main fan in coal mine.The study measures the temperature of some point in air duct and the initial value in coal mine through experiment and simulates branch duct multi-field coupled heat transfer under different outlet pressure using the fluid dynamics analysis software Fluent.The work shows that the experiment and simulation results have a consistent change trend,with a maximum error of 8.9%.The research on low temperature region,low temperature position,numerical centerline temperature,and horizontal centerline temperature under different outlet pressure shows that outlet pressure has significant influence on ventilation door temperature; in the case of the small outlet pressure,the low temperature region occurs only on upper part of ventilation door,and mostly in middle part and the temperature field distribution has asymmetric characteristics; the increased pressure allows low temperature region to diffuse to the left half,particularly to the lower left half of ventilation door; and the high temperature region is generally concentrated in the edge of ventilation door.The study could provide some references for prevention and control freeze damages of ventilation door of main fan in coal mine.

main fan in cool mines; temperature field; outlet pressure; conduct heat; ventilation door

2017-01-20

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2016064)；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12541726)

宋勝偉(1968-)，男，黑龍江省樺南人，教授，碩士，研究方向：現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)及理論，E-mail:song8045676@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.02.010

TD712.7

2095-7262(2017)02-0144-05

A