梁素鈺，王文才

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭014010）

通風(fēng)機(jī)站主要用于礦井的風(fēng)量調(diào)節(jié)、局部區(qū)域通風(fēng)和多級機(jī)站通風(fēng)系統(tǒng)，其風(fēng)機(jī)全壓做功克服較大巷道阻力，易控制等優(yōu)點(diǎn)在礦山實(shí)踐中取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[1-2]，但局部阻力較大導(dǎo)致機(jī)站實(shí)際運(yùn)行能量損耗較高，限制了其技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[3]。相關(guān)學(xué)者針對機(jī)站局部阻力進(jìn)行了一些研究。文獻(xiàn)[4]應(yīng)用消耗功率的概念確定了機(jī)站局部阻力及其系數(shù)的測試方法，并對多風(fēng)機(jī)并聯(lián)機(jī)站局部阻力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定，得出了機(jī)站局部阻力綜合影響系數(shù)隨風(fēng)機(jī)工況的變化規(guī)律，其大小與風(fēng)機(jī)并聯(lián)臺數(shù)呈正相關(guān)。文獻(xiàn)[5]通過數(shù)值模擬改變射流風(fēng)機(jī)的風(fēng)筒長度與設(shè)置整流罩改善了風(fēng)機(jī)的空氣動力性能，從而降低了機(jī)站的局部阻力；文獻(xiàn)[6]采用相似模擬試驗(yàn)對擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得出擴(kuò)散器在擴(kuò)張角為16°，長度為2 倍風(fēng)機(jī)直徑時機(jī)站局部阻力較小。文獻(xiàn)[7-8]通過數(shù)值模擬改變巷道拐彎處結(jié)構(gòu)使得機(jī)站局部阻力有效降低；文獻(xiàn)[9]得出出風(fēng)段漸縮角也是影響局阻的重要因素，并針對其角度對機(jī)站阻力的影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析。上述研究均未提到從調(diào)整巷道結(jié)構(gòu)方面降低機(jī)站局部阻力,為此理論分析了巷道結(jié)構(gòu)對機(jī)站局部阻力的影響并總結(jié)了影響因素，采用正交試驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法，研究了各因素對機(jī)站局部阻力系數(shù)的影響顯著程度，得出較優(yōu)的結(jié)構(gòu)組合，降低了機(jī)站局部阻力，同時促進(jìn)了通風(fēng)機(jī)站優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展。

1 雙風(fēng)機(jī)并聯(lián)機(jī)站巷道結(jié)構(gòu)形式及阻力影響因素

2 臺同型號風(fēng)機(jī)安裝在風(fēng)墻上構(gòu)成雙風(fēng)機(jī)并聯(lián)機(jī)站，同時風(fēng)機(jī)入口、出口分別配置合理結(jié)構(gòu)參數(shù)的集流器與擴(kuò)散器。風(fēng)機(jī)功率克服機(jī)站負(fù)擔(dān)區(qū)域的通風(fēng)阻力和局部阻力，其中有相當(dāng)部分阻力損失是由于巷道結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理引起的。因此，降低這部分阻力的關(guān)鍵在于找出巷道結(jié)構(gòu)中影響機(jī)站局部阻力的因素，并對其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以確定合理的巷道結(jié)構(gòu)。

1.1 機(jī)站巷道結(jié)構(gòu)形式及因素

井下安裝機(jī)站斷面大于原巷道斷面時，需要對巷道進(jìn)行擴(kuò)幫施工改造以適應(yīng)機(jī)站通風(fēng)。一般機(jī)站的結(jié)構(gòu)形式井下一般機(jī)站結(jié)構(gòu)形式如圖1。圖1 中1-1、2-2 斷面分別為風(fēng)壓風(fēng)速穩(wěn)定斷面，將風(fēng)流流線方向發(fā)生明顯變化處（1-1 斷面）至風(fēng)機(jī)集流器入口定義為機(jī)站進(jìn)風(fēng)段；將風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器出口至風(fēng)流流線方向基本穩(wěn)定斷面（2-2 斷面）定義為機(jī)站出風(fēng)段；兩者之間定義為機(jī)站并聯(lián)段。

圖1 井下一般機(jī)站結(jié)構(gòu)形式Fig.1 General structure of downhole machine station

巷道風(fēng)流從1-1 斷面開始經(jīng)擴(kuò)散角流動至充滿整個擴(kuò)幫斷面，而后經(jīng)過集流器整流與風(fēng)機(jī)吸風(fēng)后從擴(kuò)散器引射至收縮角附近，最后上下風(fēng)流匯聚在2-2 斷面流出。風(fēng)流在井下巷道流動多為紊流，減少紊流局部阻力的著眼點(diǎn)在于消除或推遲流體與壁面的分離，同時防止壁面渦流區(qū)產(chǎn)生或減小渦流區(qū)的大小和強(qiáng)度。采用擴(kuò)散角較大的單側(cè)擴(kuò)幫機(jī)站通風(fēng)時風(fēng)流更容易與壁面分離產(chǎn)生渦流，產(chǎn)生較大的局阻損失。而擴(kuò)散角角度較緩時，風(fēng)流的流動狀態(tài)相對穩(wěn)定，不易與壁面較快分離，局阻損失較小，但同時風(fēng)流流動從擴(kuò)散角附近至l1處的距離也相應(yīng)加長，增加了機(jī)站摩擦阻力。因此，擴(kuò)散角的角度是影響機(jī)站局阻的主重要因素。

進(jìn)風(fēng)段l1的長度若過短，則風(fēng)流到達(dá)集流器附近時流動狀態(tài)不穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量不均勻；而出風(fēng)段l2距離過短時，擴(kuò)散器出口的風(fēng)流射向幫壁的正面阻力很大。若l1與l2距離過長都會增加施工成本和風(fēng)流與巷道邊壁摩擦產(chǎn)生的阻力。因此，應(yīng)確定合適的l1和l2降低機(jī)站阻力。

機(jī)站出風(fēng)段的局阻隨收縮角的加大而增加，而出口突然擴(kuò)大損失卻相應(yīng)減小[9]。因此，應(yīng)確定合適收縮角以降低出風(fēng)段機(jī)站局部阻力。

1.2 機(jī)站局部阻力測定方法

由于機(jī)站內(nèi)部風(fēng)流流場復(fù)雜，對風(fēng)流參數(shù)無法進(jìn)行準(zhǔn)確測定，假設(shè)機(jī)站無漏風(fēng)、忽略摩擦阻力，由于各風(fēng)機(jī)在兩斷面間產(chǎn)生的壓差一致，在2 個測量斷面間列能量方程[10-11]為：

式中:p1、p2為 2 個測量斷面的平均靜壓，Pa；v1、v2為2 個測量斷面的平均風(fēng)速，m/s；H 為機(jī)站風(fēng)壓（或機(jī)站外阻），Pa，用于克服巷道阻力；Hf為風(fēng)機(jī)全壓，Pa，根據(jù)實(shí)測風(fēng)量由風(fēng)機(jī)特性曲線方程計算得出；hf為機(jī)站局部阻力，Pa；ξ 為機(jī)站局部阻力系數(shù)。

2 機(jī)站結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬與正交試驗(yàn)

模擬針對機(jī)站在其風(fēng)機(jī)間距b、擴(kuò)幫高度D、粗糙度一致等條件下改變影響因素進(jìn)行正交數(shù)值模擬試驗(yàn)，分析各因素間相互影響的規(guī)律，進(jìn)而得出較優(yōu)的、可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

2.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

利用Fluent 前處理軟件GAMBIT 依托某煤礦1 350 m 處的TB1 機(jī)站構(gòu)建機(jī)站模型[6]，該巷道斷面呈矩形，斷面高度d 為3 m，寬度約為4 m，斷面積為12 m2，挑頂后高度D 為6 m，選取回風(fēng)巷道長度L 為120 m，巷道采用錨噴支護(hù)，錨網(wǎng)為15 cm×15 cm 的金屬網(wǎng)。機(jī)站所用風(fēng)機(jī)為JK40-1-№7.5 型軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)直徑為1 500 mm，間距b 為2.7 m。設(shè)定擴(kuò)散器長度為3 m，擴(kuò)張角為16°。

對物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格元素以四面體為主。為提高結(jié)果精度風(fēng)機(jī)設(shè)備及風(fēng)墻部分區(qū)域?qū)ζ渚W(wǎng)格進(jìn)行加密處理。模型總劃分網(wǎng)格數(shù)為344 861。

2.2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件及模型求解

巷道中風(fēng)流屬于紊流流動，對巷道風(fēng)流作出假設(shè)：①風(fēng)流為不可壓縮風(fēng)流；②不考慮空氣重力；③壁面不存在漏風(fēng)現(xiàn)象。采用k-ε 雙方程,基于以上假設(shè)采用以下數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述：①連續(xù)性方程；②動量守恒方程；③能量守恒方程。

2.3 模擬試驗(yàn)結(jié)果及分析

為保證機(jī)站進(jìn)風(fēng)段、出風(fēng)段風(fēng)流漸變，盡可能減小機(jī)站阻力，選用擴(kuò)散角、收縮角、進(jìn)風(fēng)段巷道長度l1、出風(fēng)段巷道長度l2作為正交試驗(yàn)的考慮因素，將機(jī)站的局部阻力系數(shù)作為指標(biāo)衡量通風(fēng)效果。采用4 因素3 水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平表見表1；不考慮各因素間的交互作用，選用L9（34）正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。同時調(diào)節(jié)擋板使各組試驗(yàn)中巷道風(fēng)速均為1.2 m/s，在相同測面位置處測量機(jī)站風(fēng)壓。

表1 試驗(yàn)因素及水平表Table 1 Table of test factors and levels

表2 中極差Rj的大小反映了各因素對機(jī)站局阻影響的大小，極差越大，說明因素對機(jī)站局阻的影響程度越大。根據(jù)極差分析可得，影響機(jī)站局部阻力因素的主次順序?yàn)椋簲U(kuò)散角、收縮角、巷道長度l1、巷道長度l2。結(jié)合正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：

表2 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Orthogonal test scheme and results

1）由極差數(shù)據(jù)得知，隨著擴(kuò)散角角度的變化，機(jī)站局阻變化最明顯，極差值最大。因此，擴(kuò)散角角度的變化對機(jī)站局部阻力的影響最為顯著，當(dāng)擴(kuò)散角角度為60°時機(jī)站局阻系數(shù)最小，角度為30°時機(jī)站局阻系數(shù)最大，所以擴(kuò)散角選擇60°機(jī)站通風(fēng)效果較好。

2）當(dāng)收縮角為45°時機(jī)站局阻系數(shù)最大，30°時局阻系數(shù)最小，所以選擇30°的收縮角效果更好。同時這也說明收縮角的不同，對出風(fēng)段風(fēng)流流場的射流與回流影響也不同。

3）巷道長度l1與巷道長度l2對機(jī)站局阻系數(shù)的影響程度基本相同。巷道長度l1從3 m 至9 m 機(jī)站局阻系數(shù)先增大后減小，在9 m 時，機(jī)站局阻系數(shù)最小。而巷道長度l2從4 m 至10 m 機(jī)站局阻系數(shù)一直減小，在10 m 處機(jī)站局阻最小。因此，進(jìn)風(fēng)段巷道長度l1選擇9 m，出風(fēng)段巷道長度l2選擇10 m效果較好。但在實(shí)際機(jī)站應(yīng)用中，機(jī)站輔助設(shè)施需要足夠的空間，進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)段機(jī)站巷道不能過短，但是也不宜過長增加工程量。故實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)優(yōu)先考慮成本，施工條件允許情況下盡量延長進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)段巷道長度。

綜上所述，通過極差分析可得出該擴(kuò)幫機(jī)站結(jié)構(gòu)在巷道風(fēng)速為1.2 m/s 下的最優(yōu)組合設(shè)置為：擴(kuò)散角 60°，收縮角 30°，進(jìn)風(fēng)段巷道長度 l1為 9 m，出風(fēng)段巷道長度l1為10 m。

為得出最優(yōu)機(jī)站巷道結(jié)構(gòu)的確定方法，依照表1 中各因素及水平在巷道風(fēng)速為1.5 m/s 與2 m/s進(jìn)行試驗(yàn)，得出的極差趨勢圖如圖2。

圖2 極差趨勢圖Fig.2 Range trend chart

由圖2 可知：①隨著巷道風(fēng)速逐漸增加，影響機(jī)站局阻系數(shù)的因素仍然是擴(kuò)散角、收縮角、巷道長度 l1、巷道長度 l2，其中 l1與 l2的極差比風(fēng)速為 1.2 m/s 時大，說明風(fēng)速變大，l1與l2對機(jī)站阻力影響程度有所增加，這是由于機(jī)站摩擦阻力較大導(dǎo)致的；②在巷道風(fēng)速為2 m/s 時，受機(jī)站摩擦阻力影響，l1為6 m 時機(jī)站局阻系數(shù)最小，最優(yōu)結(jié)構(gòu)組合變?yōu)閿U(kuò)散角 60°，收縮角 30°，l1為 6 m，l2為 10 m。

3 結(jié) 語

1）理論分析了雙風(fēng)機(jī)并聯(lián)機(jī)站巷道結(jié)構(gòu)阻力的影響因素，通過正交數(shù)值模擬試驗(yàn)得出在風(fēng)機(jī)間距、粗糙度等因素一定時，機(jī)站局阻系數(shù)的影響因素主次順序?yàn)椋簲U(kuò)散角、收縮角、進(jìn)風(fēng)段巷道長度l1、出風(fēng)段巷道長度l2。

2）巷道風(fēng)速不同，機(jī)站最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化。風(fēng)速為 1.2～1.5 m/s 最優(yōu)組合為：擴(kuò)散角 60°，收縮角30°，進(jìn)風(fēng)段巷道長度l1選取9 m，出風(fēng)段巷道長度 l2選取 10 m，風(fēng)速為 1.5～2 m/s 時 l1選取 6 m 效果更好。實(shí)際機(jī)站參數(shù)還應(yīng)結(jié)合成本因素進(jìn)行考慮。

3）基于正交數(shù)值模擬的方法對一般機(jī)站結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步優(yōu)化，對于機(jī)站局阻系數(shù)僅考慮了巷道結(jié)構(gòu)參數(shù)，而風(fēng)機(jī)間距、挑頂高度等重要因素都假定為條件一定，因此對機(jī)站結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)一步優(yōu)化研究。