摘要：井下巷道變化會對風(fēng)流產(chǎn)生擾動，對巷道內(nèi)原穩(wěn)定的風(fēng)流狀態(tài)產(chǎn)生影響，在布置斷面風(fēng)速測點時須考慮避開其影響范圍，以保證測定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為研究巷道擾動條件對巷道內(nèi)風(fēng)流的影響程度和影響距離，歸納各擾動條件下紊流充分發(fā)展所需的流程長度。研究采用數(shù)值模擬的方法，分別建立巷道彎曲、巷道斷面突變和巷道斜交叉擾動條件下的風(fēng)流擾動流體模型，并利用FLUENT軟件對不同風(fēng)速條件下擾動模型進(jìn)行模擬計算。分析結(jié)果顯示：紊流充分發(fā)展流程長度與入風(fēng)端風(fēng)速的變化影響較小，巷道內(nèi)風(fēng)速的變化對紊流充分發(fā)展流程長度影響不大；不同擾動條件在同一巷道粗糙度下紊流充分發(fā)展流程長度不同，巷道直角轉(zhuǎn)彎對風(fēng)流擾動距離為24.14 m，巷道突變（突擴）對風(fēng)流擾動距離為12.25 m，巷道匯風(fēng)對風(fēng)流擾動距離為27.93 m，巷道分風(fēng)對風(fēng)流擾動距離為33.45 m。研究成果可為礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測點布置提供理論指導(dǎo)，對提高相應(yīng)條件的通風(fēng)監(jiān)測準(zhǔn)確性具有重要意義。

關(guān)鍵詞：巷道；風(fēng)流；擾動；紊流；通風(fēng)系統(tǒng)；風(fēng)速測定；距離；數(shù)值模擬

中圖分類號：TD72""""""""" 文章編號：1001-1277（2024）12-0047-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20241209

引 言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)將地表新鮮風(fēng)流引至井下，將井下生產(chǎn)作業(yè)污風(fēng)排至地表，保證井下作業(yè)環(huán)境及生產(chǎn)安全。礦山井下條件復(fù)雜，巷道彎曲、斷面突變及巷道交叉是經(jīng)常遇見的情況，而巷道的變化對風(fēng)流的影響是在布置斷面風(fēng)速測點時必須考慮的，否則將難以保證風(fēng)速測定的準(zhǔn)確性［1-5］。巷道風(fēng)流在斷面中的穩(wěn)定分布依賴于紊流是否充分發(fā)展［6］。通常所指的紊流充分發(fā)展是指紊流斷面上的速度分布處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，其風(fēng)流流場分布在斷面上的位置也會相對穩(wěn)定。從邊界層理論出發(fā)，只有在邊界層發(fā)展到一個穩(wěn)定的狀態(tài)后，斷面風(fēng)速分布才具有穩(wěn)定條件［7-9］。

研究紊流達(dá)到充分發(fā)展所需的流程長度［10-12］，應(yīng)以各擾動風(fēng)流分布的因素為前提，故可將巷道彎曲、巷道平直條件下的巷道斷面突變、巷道交叉作為研究擾動設(shè)定條件［13］。本次以巷道各擾動對巷道風(fēng)流分布的影響為目標(biāo)進(jìn)行研究，采用流體動力學(xué)模擬軟件FLUENT對各擾動條件進(jìn)行建模，并對模型進(jìn)行相關(guān)的模擬、運算及分析，歸納風(fēng)流在各擾動條件下的實際分布及變化情況，確定各擾動條件下紊流充分發(fā)展流程長度。

1 擾動條件下流場穩(wěn)定性破壞和重建

1.1 巷道彎曲條件下紊流流程分析

在井下巷道轉(zhuǎn)彎處的風(fēng)流受到離心力作用向巷道外邊壁偏轉(zhuǎn)，而在轉(zhuǎn)彎后靠近內(nèi)外轉(zhuǎn)角處發(fā)生局部失壓，出現(xiàn)風(fēng)流反向，從而產(chǎn)生局部渦流（見圖1）。此處的風(fēng)流因受到渦流擾動，難以在斷面上形成有效的均速圈。隨著轉(zhuǎn)彎后風(fēng)流繼續(xù)流動，渦流效應(yīng)逐漸弱化，斷面風(fēng)速分布逐漸向穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展，而靠近外邊壁風(fēng)速高于內(nèi)邊壁風(fēng)速，只有在經(jīng)過一定距離后，風(fēng)流才會從偏向外邊壁向以斷面幾何中心為軸線發(fā)展，最終達(dá)到紊流充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)［14］。

1.2 巷道斷面突變條件下紊流流程分析

巷道尺寸根據(jù)生產(chǎn)實際狀況設(shè)置，會出現(xiàn)巷道斷面面積突然變化的情況。在紊流到達(dá)斷面突擴處，靠近邊壁的流體因斷面擴大而速降壓升，在突擴后局部產(chǎn)生旋渦區(qū)；在紊流斷面突縮處，到達(dá)突縮處的流體近壁面部分受迎面阻擋而速降壓升，在突縮位置附近產(chǎn)生旋渦區(qū)。通過突縮位置后，受慣性力作用，局部會出現(xiàn)流體脫離邊壁現(xiàn)象，且因流體斷面被壓縮而形成加速，靠近邊壁的流體速升壓降，因此在通過突縮后局部也會產(chǎn)生旋渦區(qū)，經(jīng)過斷面突變后一段流程，風(fēng)壓逐漸趨于穩(wěn)定。巷道斷面突變風(fēng)流示意圖見圖2。

1.3 巷道交叉條件下紊流流程分析

根據(jù)巷道交叉風(fēng)流匯入和匯出的形式，可分為匯風(fēng)、分風(fēng)2種，但2種情形中旋渦造成的能量損失存在差異，因此應(yīng)分別進(jìn)行分析。在匯風(fēng)處，不同流速的風(fēng)流摻混，動量交換導(dǎo)致部分流體發(fā)生變速和變壓。盡管摻混過程十分復(fù)雜，難以從微觀上對風(fēng)速風(fēng)壓變化進(jìn)行分析，但無論是減速增壓還是增速減壓，都會導(dǎo)致局部旋渦區(qū)的生成。在分風(fēng)處，流量因新增通道而變化，且有風(fēng)流轉(zhuǎn)向，這些因素都會造成風(fēng)速和風(fēng)壓的變化，同樣也會產(chǎn)生局部旋渦現(xiàn)象，巷道分風(fēng)或匯風(fēng)經(jīng)過一段距離后，新的平衡重新建立，風(fēng)流會趨于穩(wěn)定。巷道交叉風(fēng)流示意圖見圖3。

2 擾動條件下紊流充分發(fā)展模擬

2.1 模型構(gòu)建

風(fēng)流從相對穩(wěn)定的充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)到受到擾動流場變亂，再到重新形成充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)，過程復(fù)雜。鑒于流體運動微觀上的復(fù)雜性和現(xiàn)場試驗具有較強的不確定性，且單從理論出發(fā)很難認(rèn)清和揭示這一過程的基本規(guī)律。而流體力學(xué)數(shù)值模擬分析，能夠從整體或局部，以多參數(shù)維度對流體運動過程進(jìn)行模擬分析，是目前開展流體運動研究的一個重要實用工具。因此，此次研究擾動條件下巷道紊流充分發(fā)展流程長度，采用流體動力學(xué)模擬軟件FLUENT 。

本次模擬分別以直角轉(zhuǎn)彎、斷面突變（突擴）和斜交叉（先匯風(fēng)，后分風(fēng)）巷道為研究對象，模型選擇二維模型，在設(shè)定巷道尺寸、入口端風(fēng)速、壁面粗糙度條件下對湍流強度5 %的紊流進(jìn)行巷道風(fēng)速分布沿程數(shù)值模擬，以巷道斷面當(dāng)量直徑為公度單位，測量各擾動條件下紊流充分發(fā)展流程長度。除巷道尺寸固定外，入口端風(fēng)速和壁面粗糙度在數(shù)值模擬中均設(shè)定不同值，設(shè)定條件見表1。

2.2 各擾動條件下紊流發(fā)展模擬

1）直角轉(zhuǎn)彎紊流發(fā)展模擬。直角轉(zhuǎn)彎模型中，各風(fēng)速條件下數(shù)值模擬結(jié)果見圖4。

2）斷面突變紊流發(fā)展模擬。本次巷道斷面突變模型考慮為巷道斷面突然變大即巷道突擴，各風(fēng)速條件下數(shù)值模擬結(jié)果見圖5。

3）巷道斜交叉紊流發(fā)展模擬。巷道斜交叉包括交叉匯風(fēng)和分風(fēng)，此次在同一模型中模擬巷道斜交叉匯風(fēng)和分風(fēng)時巷道斜交叉風(fēng)流擾動和發(fā)展變化情況。各風(fēng)速條件下數(shù)值模擬結(jié)果見圖6。

2.3 各擾動條件下紊流發(fā)展模擬結(jié)果及分析

根據(jù)上述各擾動條件下紊流發(fā)展模擬情況得出各風(fēng)速條件下的風(fēng)流擾動變化云圖，對各條件下的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

2.3.1 直角轉(zhuǎn)彎對巷道流場分布影響

對照各風(fēng)速條件下直角轉(zhuǎn)彎時巷道內(nèi)流場分布情況，不同風(fēng)速在同一巷道壁面粗糙度條件下風(fēng)流的流場形態(tài)基本一致，故此次對各風(fēng)速條件進(jìn)行統(tǒng)一分析。

模型左側(cè)入風(fēng)口在初始狀態(tài)巷道內(nèi)風(fēng)流分布較為均勻，巷道中心風(fēng)流風(fēng)速略大，在靠近巷道轉(zhuǎn)彎處流場分布受到擾動。原流場沿巷道中軸線對稱分布，在轉(zhuǎn)彎處受到擾動后，入風(fēng)側(cè)巷道在靠近轉(zhuǎn)彎處風(fēng)流流場向內(nèi)彎側(cè)偏移，在風(fēng)流經(jīng)過彎角處后，風(fēng)流流場分布極不均勻，流場偏向外側(cè)，外側(cè)風(fēng)速大，內(nèi)側(cè)風(fēng)速小。且整體看，直角轉(zhuǎn)彎出彎后流場擾動距離大于入彎前擾動距離。

2.3.2 斷面突變對巷道流場分布影響

模型巷道條件為同一粗糙度，模型入風(fēng)端巷道斷面相對較小，距入風(fēng)端50 m巷道斷面突然擴大，不同風(fēng)速條件下風(fēng)流流場在巷道突變模型下變化情況見圖5。由圖5可知：雖然風(fēng)速不同，但在斷面突變模型中的流場變化形態(tài)基本一致。

模型左側(cè)入風(fēng)口初始狀態(tài)風(fēng)流分布均勻，巷道中心風(fēng)流風(fēng)速略大，在靠近巷道突變處整體流場分布向巷道中心靠攏，但整體擾動不大。在風(fēng)流進(jìn)入巷道突變處之后，巷道內(nèi)流場變化較大，巷道內(nèi)風(fēng)流進(jìn)一步向巷道中心軸處聚攏，經(jīng)過巷道突擴處外側(cè)巷道的風(fēng)流未充分發(fā)展，風(fēng)速較低。

整體看，巷道斷面突變對風(fēng)流流場擾動所產(chǎn)生的影響主要集中在斷面突變后的巷道，風(fēng)流流場經(jīng)過突變處打破原有的流場平衡，在新的巷道內(nèi)逐步發(fā)展成穩(wěn)定的流場。

2.3.3 巷道斜交叉對巷道流場分布影響

模型中匯風(fēng)段2條匯風(fēng)巷道風(fēng)速一致，風(fēng)流匯至主巷內(nèi)，經(jīng)過充分發(fā)展后，重新分風(fēng)至2條交叉的分風(fēng)巷道內(nèi)。由圖6可知：風(fēng)速為1 m/s、3 m/s、7 m/s、13 m/s，巷道壁面粗糙度固定不變?yōu)?.05 m時，不同風(fēng)速條件下流場形態(tài)變化一致，以7 m/s流場變化示例進(jìn)行分析。

在匯風(fēng)段巷道，2支入風(fēng)端風(fēng)流匯至巷道匯風(fēng)交叉口，匯風(fēng)處風(fēng)流瞬間增大，但匯風(fēng)風(fēng)流能夠以相對較短的距離形成新的穩(wěn)定狀態(tài)。匯風(fēng)后主巷內(nèi)穩(wěn)定的風(fēng)流在進(jìn)入分風(fēng)段后，在分風(fēng)處受到較強的擾動，從模擬圖中可以看出，風(fēng)流在分風(fēng)處出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，在與主巷一致的巷道側(cè)，風(fēng)流偏向主巷內(nèi)側(cè)；在與主巷斜交叉的分風(fēng)巷道側(cè)，風(fēng)流整體偏向分風(fēng)巷道內(nèi)側(cè)；分風(fēng)段巷道風(fēng)流受巷道交叉分風(fēng)擾動明顯，且擾動距離也相對更遠(yuǎn)。

3 擾動條件下紊流充分發(fā)展流程長度

3.1 擾動條件下紊流充分發(fā)展流程長度統(tǒng)計

由模擬結(jié)果不難看出，各擾動條件對巷道紊流的影響較小，主要影響體現(xiàn)在擾動條件之后的流場分布，因此，將目標(biāo)確定為擾動條件之后的巷道紊流充分發(fā)展流程長度上。

根據(jù)上述各風(fēng)流擾動條件模擬結(jié)果，對各擾動條件下紊流充分發(fā)展流程長度進(jìn)行測量統(tǒng)計，巷道直角轉(zhuǎn)彎及巷道突擴擾動條件下紊流充分發(fā)展流程長度統(tǒng)計見表2，表中l(wèi)z和lt分別表示巷道直角轉(zhuǎn)彎和巷道突變擾紊流充分發(fā)展達(dá)到穩(wěn)定所需的長度（擾動距離）。

井下巷道斜交叉，形成巷道風(fēng)流分風(fēng)、匯風(fēng)情況對風(fēng)流擾動后充分發(fā)展達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)所需的長度統(tǒng)計見表3，表中l(wèi)h和lf分別表示巷道匯風(fēng)和巷道分風(fēng)紊流充分發(fā)展達(dá)到穩(wěn)定所需的長度（擾動距離）。

3.2 數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用

3.2.1 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表2和表3統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在巷道壁面粗糙度為0.05 m條件下，巷道入口端風(fēng)速為1～13 m/s時，各種擾動條件下紊流充分發(fā)展流程長度的變化波動情況見圖7。

由圖7可知：紊流充分發(fā)展流程長度隨入口端風(fēng)速的變化波動很小，入風(fēng)端風(fēng)速變化對紊流充分發(fā)展流程長度影響不大。各擾動條件影響對比，巷道分風(fēng)擾動風(fēng)流重新穩(wěn)定所需的距離最長，需要約33.45 m后才能重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，巷道斷面變化風(fēng)流擾動距離最短為12.25 m。各擾動條件下紊流充分發(fā)展流程長度（按各風(fēng)速均值計算）見表4。

3.2.2 研究應(yīng)用

礦山井下情況復(fù)雜，巷道彎曲、斷面突變及巷道交叉是經(jīng)常遇見的正常情況，而這些擾動對巷道中風(fēng)流的影響較大，在布置斷面風(fēng)速測點時必須重點考慮。因此，在礦井通風(fēng)系統(tǒng)測定或監(jiān)測時可參照本次模擬研究結(jié)果，通風(fēng)系統(tǒng)測定和相關(guān)通風(fēng)監(jiān)測布點的位置，具體可參考表4中的擾動距離，根據(jù)巷道風(fēng)流擾動類型確定擾動對風(fēng)流的影響距離，將測點位置布置在擾動距離外，保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 "結(jié) 論

風(fēng)流受井下巷道變化擾動影響，會從相對穩(wěn)定的充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)到受到擾動打破流場原有的穩(wěn)定狀態(tài)。此次研究以擾動巷道風(fēng)流分布因素（巷道彎曲、在巷道平直條件下的巷道斷面突變和巷道交叉匯風(fēng)、分風(fēng)）為前提，研究紊流達(dá)到充分發(fā)展流程長度。研究利用流體動力學(xué)模擬軟件FLUENT，對各擾動條件進(jìn)行模擬，并歸納在各擾動條件下風(fēng)流的實際分布及變化情況，結(jié)果如下：

1）入口端巷道內(nèi)風(fēng)速的變化對紊流充分發(fā)展流程長度影響不大。

2）各擾動條件對入口端巷道風(fēng)流影響程度相對較小，各擾動主要影響體現(xiàn)在擾動條件之后的流場分布，影響距離也相對更遠(yuǎn)。

3）井下巷道各擾動類型在同一巷道粗糙度下紊流充分發(fā)展流程長度不同，巷道直角轉(zhuǎn)彎對風(fēng)流擾動距離為24.14 m，巷道突變（突擴）對風(fēng)流擾動距離為12.25 m，巷道匯風(fēng)對風(fēng)流擾動距離為27.93 m，巷道分風(fēng)對風(fēng)流擾動距離為33.45 m。

4）通風(fēng)系統(tǒng)測定和相關(guān)通風(fēng)監(jiān)測布點的位置，應(yīng)大于擾動條件下紊流充分發(fā)展流程長度，可根據(jù)本次研究巷道各類型擾動紊流充分發(fā)展流程長度，將測點位置布置在擾動距離外，保障測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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Simulation analysis of flow lengths for fully developed turbulence under disturbance conditions

Abstract：Changes in underground roadways can disturb airflow，affecting the original stable airflow state.It is essential to consider avoiding the influence range of such disturbances when placing cross-sectional wind speed monitoring points to ensure data accuracy.To investigate the extent and range of roadway disturbance conditions’ effect on airflows inside roadways，the required flow lengths for fully developed turbulence under various disturbance conditions were summarized.Numerical simulation was employed to establish airflow disturbance fluid models under different scenarios，including roadway bends，abrupt changes in cross-section，and intersections.FLUENT software was used to simulate and calculate the disturbance models under varying wind speeds.The results indicate that the fully developed turbulence flow length is minimally influenced by variations in wind speed at the inlet，and changes in airflow speed inside the roadway have a minor impact on the fully developed turbulence flow length.However，the disturbance conditions significantly affect the flow length under the same roadway roughness conditions.Specific findings include：airflow disturbance distance due to right-angle bends is 24.14 m;airflow disturbance distance due to abrupt expansions is 12.25 m;airflow disturbance distance due to merging flows is 27.93 m;airflow disturbance distance due to splitting flows is 33.45 m.These results provide theoretical guidance for the layout of monitoring points in underground mine ventilation systems，which is significant in improving the accuracy of ventilation monitoring under corresponding conditions.

Keywords：roadway;airflow;disturbance;turbulence;ventilation system;wind speed measurement;distance;numerical simulation