李亞俊，李印洪，姚銀佩，鞠 霖

（1.湖南有色冶金勞動保護研究院，湖南長沙 410014；2.非煤礦山通風防塵湖南省重點實驗室，湖南長沙 410014）

礦井通風系統(tǒng)測定時，一般采用的測風方法為走線法或分格定點法，測量時由于空氣受巷道邊壁摩擦阻力的影響，巷道斷面分流的分布并不均勻。而分格定點法或線路法未能對巷道斷面做到連續(xù)測定，測定結(jié)果與實際值間仍存在誤差［1］。若要減小礦井風速測定誤差，便首先需要對巷道斷面內(nèi)風流分布規(guī)律進行探究，并依此指導(dǎo)風量測定及計算。

為解決上述問題，本文針對圓形巷道中風流分布規(guī)律進行試驗并對測試結(jié)果進行分析、研究，并依此揭示風流分布的一般規(guī)律，指導(dǎo)通風測定。

1 風流分布規(guī)律試驗方案

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

本次試驗利用圓形低速風洞結(jié)構(gòu)，主要報告模擬巷道風流系統(tǒng)和測試系統(tǒng)［2］，其具體試驗裝置結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖1所示。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 研究測試方案

試驗測試系統(tǒng)中，風速由風機變頻調(diào)速的方式調(diào)控。利用位置標尺確定風速測定點位置，由風表讀取各個位置處的風速，測定時為獲得更多關(guān)于風速與巷道壁距離數(shù)據(jù)，選用斷面較大的I低速測風口測定。

2 試驗測試及分析

2.1 試驗測試

通過變頻控制器控制風機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)風速分別為高、中、低速。利用位置標尺和風表分別測定不同風速條件下巷道斷面不同位置處的風速值，測定距離間隔為1～5 cm，測試裝置直徑為50 cm，試驗結(jié)果見表1，由試驗數(shù)據(jù)整理繪制成圖如圖2所示。

表1 試驗測試風速值

圖2 測定數(shù)值折線圖

2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

由上述測定數(shù)值折線圖可見，在不同風速下，風流隨斷面軸向距離變化大體相當，呈現(xiàn)出中心區(qū)域風速高，邊壁區(qū)域風速低的分布特征?？拷叡诰嚯x較近的位置風速急劇下降，分析是由于靠近邊壁處時風流受到巷道邊壁的阻滯作用更加明顯［3，4］，在超過一定距離，風流受巷道粘滯漸不明顯，低、中、高三種風速條件下這種靠近巷道壁的風流粘滯趨勢亦大體一致，其作用明顯范圍在此測試試驗條件下約為距巷道壁5 cm內(nèi)。

2.3 巷道風流風布曲線擬合

為更好表示此試驗狀態(tài)下巷道斷面風速分布情況，研究采用函數(shù)回歸的方式做進一步規(guī)律分析，研究以各個位置風速值為目標函數(shù)值y，自變量x為該點風速位置至巷道壁的距離（單位為cm），做x值對y值的回歸方程。

試驗測定各風速條件下折線由圖2顯示規(guī)律可知，風流分布基本規(guī)律與風速大小無關(guān)，同時由于風流分布在圓形巷道中各向都是軸線對稱的，因此簡化擬合數(shù)學模型僅以巷道一側(cè)即距巷道中軸線0～25 cm為擬合區(qū)間做曲線擬合。根據(jù)風流分布變化基本趨勢，本次擬合選擇以自然對數(shù)函數(shù)為目標函數(shù)，對低、中、高風速條件下巷道風流分布規(guī)律擬合方程如公式（1）、（2）、（3）所示。

低速條件下曲線擬合方程：

中速條件下曲線擬合方程：

高速條件下曲線擬合方程：

三種風速條件下對應(yīng)的曲線形式如圖3所示。

圖3 各風速巷道風流分布曲線擬合

各風速條件下曲線擬合回歸方程的相關(guān)度與均方根誤差值見表2。

表2 各風速條件回歸方程相關(guān)度及均方根誤差值

從表2中所得回歸可靠性參數(shù)可知，該回歸方程可信度極高。

2.4 擬合方程一般規(guī)律分析

上述低、中、高速風速分布曲線擬合方程所采用的一般數(shù)學模型為公式（4）：

數(shù)學模型中A、t、y0為擬合方程變量，從上節(jié)擬合曲線方程形式可看出擬合方程為增函數(shù)，當x逐漸增大函數(shù)值也越大，且函數(shù)值無限趨近于y0，對照風流分布規(guī)律在擬合函數(shù)區(qū)間內(nèi)可認為y0為巷道中心最大風速Vmax，t值決定擬合曲線方程因變量y值增加速度，既決定曲線的形式，2.1節(jié)中所述不同風速條件下的風流分布趨勢基本一致即曲線形式應(yīng)是相同，即t值在不同風速條件下應(yīng)為定值，各擬合方程t值相近也能說明此問題。

同理，A可認為對y值的修正系數(shù)，根據(jù)風速分布規(guī)律此系數(shù)應(yīng)與最大風速Vmax（y0）有關(guān)，計算上述三種條件下擬合方程A與y0可知為定值1.03，如此，上述三種不同風速條件下擬合方程可統(tǒng)一為公式（5）：

式中：V為巷道中任一點的風速值／m·s-1；Vmax為巷道中心位置最大風速／m·s-1；x為所測風速點距巷道壁的距離／cm。

根據(jù)公式（5）所述巷道條件一定的情況下，揭示了風流分布與巷道中心最大風速與距離巷道壁距離之間的關(guān)系，可用于對實際風速測量進行指導(dǎo)，并以此作為基礎(chǔ)尋找平均風速與最大風速間關(guān)系。同時，本次試驗及模型分析僅為特定巷道，暫未考慮巷道摩擦阻力及巷道斷面形狀改變等因素［3］，以此作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)，為后續(xù)研究提供思路和方向。

3 結(jié) 語

針對圓形巷道風流分布規(guī)律試驗研究總結(jié)如下：

1.由于受巷道壁面粗糙性的阻滯作用，巷道斷面風速分布為中心區(qū)域大，靠近邊壁區(qū)域風速小，且在靠近距離邊壁區(qū)域風速變化最為明顯，各風速值下這種變化規(guī)律基本保持不變。

2.根據(jù)試驗數(shù)據(jù)以風速為目標值y，以距巷道壁距離為變量x，對試驗低、中、高三檔風速條件巷道風流分布進行曲線回歸分析，回歸方程擬合參數(shù)顯示該回歸分析具有極高可信度，利用該回歸方程可計算出任一點風速數(shù)值。

3.根據(jù)低、中、高速曲線擬合數(shù)學模型及風速風布規(guī)律相關(guān)影響因素分析，推導(dǎo)出不同風速條件下方程的一般形式，即用巷道最大風速和巷道壁距離來表征各點風速的模型，此模型具有一般通用性，僅需測定巷道中心點位置最大風速，即可推得巷道斷面各點風速值。

4.試驗條件為巷道摩擦阻力系數(shù)一定的圓形模擬巷道，可依此試驗結(jié)果為依據(jù)考慮巷道摩擦阻力系數(shù)及巷道斷面形狀變化下巷道風流分布規(guī)律。