馮京波

（晉能控股集團(tuán)，山西 晉中 032600）

引言

由于流體黏性效應(yīng)，井下承擔(dān)運(yùn)輸任務(wù)的柴油機(jī)車和礦車在巷道中運(yùn)行時(shí)，會(huì)與周圍空氣相互摩擦，從而會(huì)帶動(dòng)部分氣體流動(dòng)，且巷道內(nèi)風(fēng)流流動(dòng)受限，被擠壓的空氣一部分沿車輛前方向前流動(dòng)，一部分從車輛和巷道的間隙流動(dòng)到后方，形成了活塞風(fēng)效應(yīng)。隨著井下開采量的增加，礦車等機(jī)車在巷道中的活動(dòng)更加頻繁，導(dǎo)致礦井運(yùn)輸過程中的活塞風(fēng)問題也越來越明顯。因此，對(duì)活塞風(fēng)導(dǎo)致速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)變化的研究也越來越重要。目前主要集中于對(duì)車輛運(yùn)輸和井筒提升形成的活塞風(fēng)進(jìn)行研究。王從陸等采用移動(dòng)參考框架對(duì)車輛不同運(yùn)行狀態(tài)形成的活塞風(fēng)進(jìn)行模擬分析[1-2]，王文才、王海橋等分析了礦井提升設(shè)備在升降過程中活塞效應(yīng)的動(dòng)態(tài)阻力分布[3]。

1 礦井巷道活塞風(fēng)效應(yīng)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

井下車輛、罐籠等較大的運(yùn)輸設(shè)備在巷道或豎井中運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的活塞風(fēng)會(huì)影響風(fēng)流流動(dòng)，使其流場(chǎng)發(fā)生變化。采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)巷道中車輛行駛產(chǎn)生的活塞風(fēng)進(jìn)行模擬分析。為便于計(jì)算分析，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)模型做如下假設(shè)[4]：

1）風(fēng)流可視為不可壓縮氣流，并且忽略流體黏性力做功耗能。

2）壁面假設(shè)為絕熱壁面，且風(fēng)流等溫。

3）流體的紊流粘性具有同向性，且將紊流黏性系數(shù)看作標(biāo)量。

4）風(fēng)流流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)紊流，滿足Boussinesq 假設(shè)。

根據(jù)以上假設(shè)，巷道內(nèi)的空氣流動(dòng)一般為紊流流動(dòng)，對(duì)于不可壓縮流體，紊流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε 雙方程模型。

式中：ui，uj為速度分量，m/s；xi，xj是坐標(biāo)分量；t 為時(shí)間，s；fi為質(zhì)量力，m/s2；v 是層流動(dòng)力黏性系數(shù)，Pa·s；vt紊流黏性系數(shù)，vt=Cuk2/ε，Pa·s；γ 為系數(shù)；k 為紊流動(dòng)能，m2/s2；Gk為平均速度梯度引起的紊動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，；pk為修正時(shí)均壓力，Pa；ε為紊流動(dòng)能耗散率，m2/s3；方程中其他常數(shù)為σk=1.0，σε=1.33，C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cu=0.09。

2 模型建立和參數(shù)設(shè)置

2.1 物理模型的建立和網(wǎng)格劃分

車輛在巷道中運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生活塞風(fēng)，同時(shí)巷道內(nèi)的流場(chǎng)也發(fā)生變化，因此結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建立簡(jiǎn)化后的三維物理模型。巷道長(zhǎng)為50 m，斷面為半圓拱形，拱高3.5 m，半圓的半徑為1.5 m；將車輛看作是一個(gè)矩形，長(zhǎng)8 m，寬1.6 m，高1.6 m。采用Workbench 建立模型，并劃分六面體網(wǎng)格，如下頁圖1 所示。計(jì)算域?yàn)橄锏纼?nèi)有氣流通過的地方。

圖1 模型及網(wǎng)格劃分

2.2 求解方法的選擇

采用基于壓力隱式分離的求解器，選擇三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。流動(dòng)速度為絕對(duì)速度，紊流模型選擇雙方程模型；梯度選項(xiàng)選擇green-gauss cell-based，采用SIMPLEC 算法求解壓力與速度耦合以加快收斂速度；壓力場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)離散方法，其他都采用二階迎風(fēng)格式離散；壓力松弛因子設(shè)為1，其他保持默認(rèn)；采用壓力梯度效益加強(qiáng)墻面處理方式。

2.3 邊界條件的設(shè)置

巷道兩側(cè)分別為風(fēng)流的入口和出口，入口選擇為速度入口，風(fēng)速為3 m/s，且入口處風(fēng)速均勻；出口選定為壓力出口，靜壓為0；車輛表面設(shè)為固定壁面，巷道壁面設(shè)為絕熱，垂直壁面的壓力梯度為0，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁處理，流體運(yùn)動(dòng)類型為moving wall，且壁面無滑動(dòng)；流體區(qū)域運(yùn)動(dòng)采用SPF 模型；采用紊流強(qiáng)度和水力直徑確定紊流[5-6]。

（1）德城區(qū)城市建設(shè)面積從1997—2017年擴(kuò)大了1.77倍，尤其是2005—2010年間，建成區(qū)擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)最大，擴(kuò)展面積最多，增加了29.24 km2，年均增加4.87 km2．

3 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

為分析車輛運(yùn)行過程中對(duì)風(fēng)流的影響，以及形成的活塞風(fēng)，采用控制變量法，保持入口風(fēng)速和出口的總壓不變。先做進(jìn)行空白模擬，即讓車輛在巷道中靜止，觀察流場(chǎng)的變化；然后模擬車輛順風(fēng)行駛和逆風(fēng)行駛時(shí)，流場(chǎng)各自的變化規(guī)律。

巷道阻力可以通過出入口的壓強(qiáng)求得。由于巷道斷面相同，入口為速度入口，所以出入口的風(fēng)流速度相等，即動(dòng)壓相等，所以出入口靜壓的壓力差就是巷道阻力。

3.1 靜止車輛對(duì)巷道內(nèi)流場(chǎng)的影響

當(dāng)車輛靜止在巷道中，風(fēng)流流過時(shí)，相當(dāng)于遇到一個(gè)障礙物，風(fēng)流繞過障礙物繼續(xù)前進(jìn)的同時(shí)，流場(chǎng)發(fā)生變化，導(dǎo)致空間壓力和速度同時(shí)發(fā)生變化。其中巷道內(nèi)的流場(chǎng)分布如圖2 所示，從圖中可以看出：

圖2 當(dāng)車輛靜止時(shí)巷道內(nèi)風(fēng)速分布

1）對(duì)不同Y 值的平面流場(chǎng)進(jìn)行分析，在巷道內(nèi)，風(fēng)流通過靜止車輛時(shí)，風(fēng)速在巷道入口前均勻分布，但在車輛前后速度場(chǎng)發(fā)生明顯變化，車前出現(xiàn)一個(gè)速度減小區(qū)，在環(huán)狀空間速度增大，并在車后出現(xiàn)尾流，速度較小，局部出現(xiàn)v=0，且形成漩渦[7]。

2）對(duì)不同X 值的平面流場(chǎng)進(jìn)行分析，由于風(fēng)流通過障礙物時(shí)截面發(fā)生變化，導(dǎo)致在環(huán)狀空間內(nèi)風(fēng)流速度要明顯大于車輛前后的速度。

3）對(duì)不同Z 值的平面流場(chǎng)進(jìn)行分析，入口處風(fēng)流在截面上分布均勻，但在車前的前后靠經(jīng)底板部分風(fēng)速下降，出現(xiàn)兩個(gè)低速區(qū)。

除了速度場(chǎng)，壓力場(chǎng)也是反映風(fēng)流變化的重要特征，其中靜壓更是風(fēng)流運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿υ粗?。?dāng)運(yùn)輸設(shè)備速度不同的時(shí)，壓力場(chǎng)的分布也會(huì)發(fā)生變化。如圖3 所示，當(dāng)車輛在巷道中處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，風(fēng)流流過車輛后，巷道中的靜壓變化較大。車輛的迎風(fēng)面中心處?kù)o壓最大，由迎風(fēng)面進(jìn)入環(huán)狀空間處，靜壓幾乎為0。環(huán)狀空間靜壓為負(fù)，過了環(huán)狀空間靜壓逐漸變?yōu)?[8]。

圖3 當(dāng)車輛靜止時(shí)巷道內(nèi)壓力分布

3.2 車輛順風(fēng)行駛時(shí)的活塞風(fēng)

車輛以6 m/s 的速度在巷道中順風(fēng)行駛時(shí)，與靜止?fàn)顟B(tài)相比，風(fēng)流流場(chǎng)會(huì)發(fā)生巨大變化，即形成了活塞風(fēng)。風(fēng)流不僅受到車輛的阻礙導(dǎo)致風(fēng)流流線發(fā)生變化，而且受到車輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的誘導(dǎo)風(fēng)流的影響。模擬得出的流場(chǎng)是由礦井正常進(jìn)入巷道的風(fēng)流和車輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的活塞風(fēng)的共同作用下形成的。巷道內(nèi)的流場(chǎng)分布如下頁圖4 所示，從圖中可以看出：

圖4 當(dāng)車輛順風(fēng)行駛時(shí)巷道內(nèi)風(fēng)速分布

1）對(duì)不同Y 值的平面流場(chǎng)進(jìn)行分析，入口處風(fēng)流分布均勻；在靠近車尾時(shí)風(fēng)流開始出現(xiàn)變化，且出現(xiàn)一個(gè)低風(fēng)速尾流區(qū)；且風(fēng)流在環(huán)狀空間區(qū)增大幅度較??；車輛的正前方不存在v=0 的區(qū)域，與沒有漩渦產(chǎn)生，而是存在一個(gè)很小的低速區(qū)，它的大小和車輛的速度有關(guān)，遠(yuǎn)離車輛后，風(fēng)速快速下降，重新恢復(fù)穩(wěn)定。

2）對(duì)不同X 值的平面流場(chǎng)進(jìn)行分析，在車輛前后形成兩個(gè)低速區(qū)，這是由于車輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的額外的流場(chǎng)導(dǎo)致，且在車后的低風(fēng)速區(qū)明顯大于車前。在環(huán)狀空間處，由于斷面積變小，風(fēng)速增加。

3）對(duì)不同Z 值的平面流場(chǎng)進(jìn)行分析，現(xiàn)象基本與前面相同，并且在環(huán)狀區(qū)域處，靠近地板附近的風(fēng)速要高于頂板附近的風(fēng)速。

車輛等運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)，巷道內(nèi)壓力場(chǎng)發(fā)生變化，如圖5 所示。車的前方會(huì)形成高壓區(qū)，同樣在車前方進(jìn)入環(huán)狀區(qū)域處（車輛邊緣）會(huì)形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)域，并且環(huán)狀區(qū)域處?kù)o壓減小。在車后方也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)低壓區(qū)，隨著遠(yuǎn)離車輛，靜壓又逐漸增大。車輛前方靜壓的變化是由于車輛運(yùn)動(dòng)形成的活塞風(fēng)導(dǎo)致的結(jié)果。車速越大，車前后的靜壓差就越大，后方氣壓產(chǎn)生的卷吸作用越明顯，活塞風(fēng)就越大[9]。

圖5 當(dāng)車輛順風(fēng)行駛時(shí)巷道內(nèi)壓力分布

當(dāng)車輛與風(fēng)流方向相同時(shí)，車與風(fēng)有各自的速度，但由于方向一致，導(dǎo)致巷道內(nèi)風(fēng)流速度與車的相對(duì)速度變小，車后部的卷吸作用變?nèi)?。以上分析可以得出，活塞風(fēng)源于車后的誘導(dǎo)風(fēng)流。

3.3 車輛逆風(fēng)行駛時(shí)的活塞風(fēng)

當(dāng)車輛行駛方向與風(fēng)流流向相反時(shí)，在巷道風(fēng)流和活塞風(fēng)的共同作用下，風(fēng)流流場(chǎng)會(huì)發(fā)生巨大變化。由于車輛行駛方向不同，模擬結(jié)果和順風(fēng)行駛的結(jié)果又存在很大區(qū)別，風(fēng)流場(chǎng)如圖6 所示，可以看出：

圖6 車輛逆風(fēng)行駛時(shí)巷道內(nèi)風(fēng)速分布

1）對(duì)不同Y 值的平面流場(chǎng)進(jìn)行分析，入口處風(fēng)速均勻分布，靠近車輛時(shí)，在地板附近出現(xiàn)一個(gè)低速區(qū)，但車輛的前上角和環(huán)狀空間（特別是車的前半部分），風(fēng)速急劇上升；在車后風(fēng)速開始逐漸下降，但在車后方靠近巷道地板處有一個(gè)風(fēng)流高速區(qū)，這是由于車輛運(yùn)動(dòng)形成的風(fēng)流卷吸區(qū)導(dǎo)致的，車輛后方可分為尾流區(qū)和卷吸區(qū)。

2）對(duì)不同X 值的平面流場(chǎng)進(jìn)行分析，可以明顯看到車輛前后存在的低速區(qū)和高速區(qū)，以及車輛后方的渦流充分發(fā)展。

3）對(duì)不同Z 值的平面流場(chǎng)進(jìn)行分析，在環(huán)狀空間，風(fēng)速分布存在一個(gè)變化的過程，入口附近靠近地板附近風(fēng)速較大，頂板附近??；但繼續(xù)向后，由于車前部邊緣的高速風(fēng)流，頂板附近風(fēng)速逐漸變大，大于地板附近風(fēng)速。

當(dāng)車輛與風(fēng)流速度反向時(shí)，車速與風(fēng)流的相對(duì)速度變大，在車輛的后面出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，且負(fù)壓較大，導(dǎo)致卷吸作用增強(qiáng)。車輛逆風(fēng)行駛時(shí)巷道內(nèi)壓力分布如圖7 所示。

圖7 車輛逆風(fēng)行駛時(shí)巷道內(nèi)壓力分布

4 結(jié)論

1）當(dāng)車輛順風(fēng)行駛時(shí)，對(duì)巷道內(nèi)流場(chǎng)變化影響相對(duì)較小，活塞風(fēng)效果不明顯；當(dāng)車輛逆風(fēng)行駛時(shí)，巷道內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)變化相對(duì)較大，特別是環(huán)車輛四周區(qū)域，風(fēng)速和壓力明顯增加，對(duì)巷道通風(fēng)的效果影響較明顯。

2）車輛在行進(jìn)過程中，會(huì)在正前方形成一個(gè)正壓區(qū)，后方形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，車輛兩側(cè)由于流速較大，所以其靜壓要小于其他區(qū)域。且車輛逆風(fēng)行駛時(shí)，產(chǎn)生的通風(fēng)阻力要遠(yuǎn)大于順風(fēng)行駛時(shí)。

3）由于車輛行駛產(chǎn)生的活塞風(fēng)，會(huì)對(duì)巷道原有風(fēng)流有一定程度的擾動(dòng)，使巷道局部風(fēng)速發(fā)生較大變化，從而對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生局部影響。因此，在對(duì)運(yùn)輸巷道進(jìn)行風(fēng)量測(cè)定時(shí)，需考慮活塞風(fēng)的影響。