李立峰夏 輝

（1.山東工商學(xué)院，山東 煙臺 264005；2.煙臺市環(huán)保工程咨詢設(shè)計院，山東 煙臺 264000）

礦井運輸巷道內(nèi)活塞風(fēng)流的數(shù)值模擬

李立峰1夏 輝2

（1.山東工商學(xué)院，山東 煙臺 264005；2.煙臺市環(huán)保工程咨詢設(shè)計院，山東 煙臺 264000）

為了全面深入地了解礦井活塞風(fēng)，采用FLUENT建立運數(shù)值分析模型，得出在運輸設(shè)備不同運動狀態(tài)下巷道內(nèi)的速度場與壓力場變化，分析研究活塞風(fēng)流對礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響作用。研究結(jié)果對保持通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證礦井安全生產(chǎn)具有參考意義。

活塞風(fēng)；風(fēng)流狀態(tài)；數(shù)值模擬；通風(fēng)系統(tǒng)

隨著礦井生產(chǎn)能力和礦井機械化程度的提高，礦井運輸和提升設(shè)備工作時導(dǎo)致的活塞風(fēng)問題愈加突出。井下活塞風(fēng)會對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成擾動，而其變化沒有規(guī)律，且是經(jīng)常性的。所以，要加強對礦井活塞風(fēng)的控制，確保礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性［1］。

1 活塞風(fēng)流的數(shù)值模擬

中段運輸是礦山一項經(jīng)常性工作，且速度較大。由此產(chǎn)生的活塞風(fēng)對該中段區(qū)域的礦井通風(fēng)穩(wěn)定性影響很大。此時處于運輸巷道內(nèi)的礦內(nèi)大氣湍流流動是一個復(fù)雜的三維流動體系，以該體系作為模擬對象，采用FLU?ENT軟件對其速度場、壓力場等進行模擬［2，3］。

1.1 模型幾何及網(wǎng)格劃分

在運輸設(shè)備在巷道內(nèi)產(chǎn)生活塞風(fēng)的實際情況的基礎(chǔ)上，為了方便計算和分析，將運輸巷道簡化，取巷道斷面為矩形，其尺寸為50m×3.2m×3m；運輸設(shè)備尺寸為8m× 2m×2m，模型的計算域為巷道內(nèi)氣流空間，如圖1所示。采用GAMBIT軟件來構(gòu)建礦井活塞風(fēng)模擬的幾何模型［4］，見圖2。為了詳細了解細小部位的風(fēng)流，對局部網(wǎng)格進行加密，網(wǎng)格單元尺寸為0.1m，共得到402 820個體積單元。

圖1 建立巷道模型圖

圖2 模型網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.2 模型邊界與計算方法

模型邊界出入口采用系統(tǒng)中的風(fēng)流出入口，入口風(fēng)速設(shè)定為2m/s，假設(shè)風(fēng)速均勻分布，以巷道壁面作為固定邊界。出口類型為充分發(fā)展流，即outflow。求解流速和壓力耦合時采用SIMPLEC算法；接口黏度系數(shù)與密度按照相鄰節(jié)點的算術(shù)平均值計算；采用標(biāo)準(zhǔn)k-ξ湍流模型NS時均方程；壓力場采用標(biāo)準(zhǔn)離散方式，其他采用二階迎風(fēng)格式離散［5］。

2 模擬結(jié)果分析

經(jīng)過FLUENT解算，得到中段運輸時產(chǎn)生的活塞風(fēng)的流場及速度分布［6，7］。為了便于分析活塞風(fēng)效應(yīng)，對以下3種情況的活塞風(fēng)氣流進行了三維模擬：運輸設(shè)備速度分別為0、8、-8m/s時產(chǎn)生的活塞風(fēng)，其中0風(fēng)速的數(shù)據(jù)用于對比。為了便于分析巷道內(nèi)各部分的風(fēng)流狀態(tài)，將其劃分為多個子平面，即：平行于巷道底面的Z=0、1.0、1.9、2.8m子平面；垂直于中軸線的X=-4、0、4、8m子平面；平行于側(cè)壁的Y=0、0.4、0.8、1.2m子平面。

2.1 v=0m/s時各子平面速度分布

其速度流場如圖3、4、5所示。分析可得，對巷道風(fēng)流來說，靜止的運輸設(shè)備就是一個正面障礙物，當(dāng)巷道風(fēng)流逐漸接近時，在運輸設(shè)備的正前方有一個加壓減速區(qū)；在運輸設(shè)備與巷道之間的環(huán)狀空間內(nèi)，由于風(fēng)流通過截面的縮小，風(fēng)流速度急劇增大。繞過運輸設(shè)備后，再次出現(xiàn)加壓減速區(qū)，并在運輸設(shè)備的后部出現(xiàn)小速度尾流，并有反向的回流形成漩渦。

圖3 速度v=0m/s時平行于地面的子平面上速度場云圖

圖4 速度v=0m/s時平行于側(cè)壁的子平面上速度場云圖

圖5 速度v=0m/s時垂直于底面的子平面上速度場云圖

2.2 v=-8m/s時各子平面速度分布

運輸設(shè)備以速度-8m/s運行，與原風(fēng)流方向相反。巷道內(nèi)風(fēng)流分布具體見圖6、7、8。

圖6 速度v=-8m/s時平行于底面的子平面上速度場云圖

圖7 速度v=-8m/s時平行于側(cè)壁的子平面上速度場云圖

圖8 速度v=-8m/s時垂直于底面的子平面上速度場云圖

從圖6、7、8中可以看出，原本分布均勻的風(fēng)流速度流場在逐漸靠近運輸設(shè)備時，風(fēng)流分布變得不規(guī)則，隨著距離的縮小，平行于底面的子平面上風(fēng)流速度出現(xiàn)一個條帶狀低速區(qū)。由于運輸設(shè)備的阻礙作用，在運輸設(shè)備的正前方，有一個該方向速度為0的分界面，為保持流體的連續(xù)性，風(fēng)流在另外2個方向流動。在巷道與運輸設(shè)備間形成的環(huán)狀空間內(nèi)，風(fēng)流速度出現(xiàn)局部急劇增大的現(xiàn)象，在運輸設(shè)備的前方上角部位出現(xiàn)風(fēng)速最大值。繞過運輸設(shè)備后，由于邊界層分離，各種漩渦發(fā)展充分，風(fēng)流速度減小。

2.3 v=8m/s時各子平面速度分布

運輸設(shè)備以速度8m/s運行，與原風(fēng)流方向一致。巷道內(nèi)風(fēng)流分布具體見圖9、10、11。

圖9 速度v=8m/s時平行于底面的子平面上速度場云圖

圖10 速度v=8m/s時平行于側(cè)壁的子平面上速度場云圖

圖11 速度v=8m/s時垂直于底面的子平面上速度場云圖

由于速度一致，此時對于巷道內(nèi)風(fēng)流來說，運輸設(shè)備已經(jīng)不作為障礙物存在。從圖9、10、11中可得出：在風(fēng)流的入口段，風(fēng)流流場結(jié)構(gòu)較為簡單，基本接近均勻分布。由于運輸設(shè)備運行產(chǎn)生的速度流場作用，在運輸設(shè)備前后出現(xiàn)風(fēng)流高速區(qū)，在環(huán)狀空間內(nèi)的風(fēng)流速度反而出現(xiàn)了速度降低的情況。平行于底面的子平面上，運輸設(shè)備前方，風(fēng)流速度較高，在運輸設(shè)備通過后，速度迅速下降。垂直于底面的子平面上，在運輸設(shè)備后方臨近處出現(xiàn)風(fēng)流高速區(qū)，在運輸設(shè)備后方的中間區(qū)域出現(xiàn)最大速度。

為分析運輸設(shè)備不同運動狀態(tài)情況下巷道內(nèi)沿程速度分布與壓力分布的詳細情況，選取巷道底板中軸線上方Z=2.1m處的沿程速度與壓力分布曲線，如圖12、13所示。

從圖12、13中可以看出：運輸設(shè)備在巷道風(fēng)流相向運行時，運輸設(shè)備前端會有一個高壓帶，沖擊巷道原有的速度場；而在環(huán)形區(qū)域內(nèi)速度場將劇烈震蕩，在接近運輸設(shè)備時速度達到最大值，隨之銳減，復(fù)又增加，至設(shè)備末端；其總體速度也高于其他2種情況；在相向運行時，沿程壓力變化不大，未出現(xiàn)明顯的震蕩情況。

3 結(jié)論

當(dāng)活塞風(fēng)方向與礦井通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)流方向相同時，對礦井通風(fēng)是有利的；當(dāng)活塞風(fēng)方向與礦井通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)流方向相反時，通風(fēng)區(qū)域內(nèi)風(fēng)量會隨之減少，減少的幅度隨活塞風(fēng)的大小變化，甚至可能出現(xiàn)局部時段的反風(fēng)。從通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度來看，這是對原通風(fēng)狀態(tài)的擾動，巷道斷面上的風(fēng)流速度會隨之發(fā)生很大變化，是不希望發(fā)生的。因此，在確定和測定礦井通風(fēng)風(fēng)流的風(fēng)量時和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中，要考慮活塞風(fēng)的存在，必要時對礦井活塞風(fēng)進行有效控制。

圖12 巷道沿程速度分布曲線圖

圖13 巷道沿程壓力分布曲線圖

［1］王海橋，田峰，施式亮，等.礦井井筒提升容器活塞風(fēng)效應(yīng)分析及計算［J］.湖南科技大學(xué)學(xué)報，2007（3）：1-4．

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Numerical Simulation of Piston Wind on the Ventilation of Mining Tunnels

Li lifeng1Xia hui2
（1.Shandong Technology and Business University，Yantai Shandong 264005；2.Yantai Insftitue of Comsfultation and Design of Environmental Protection Engineering，Yantai Shandong 264000）

In order to comprehensively and deeply understand the coal mine piston wind,a numerical analysis model was established by using FLUENT,the change of velocity field and pressure field in the tunnel under different move?ment conditions was obtained,and the influence of the piston air flow on the stability of mine ventilation system was analyzed.The research results have reference value for keeping the stability of the ventilation system and ensuring the safe production of the mine.

piston wind；airflow state；numerical simulation；ventilation system

TD724

A

1003-5168(2016)09-0111-03

2016-09-01

2013年度山東工商學(xué)院青年基金項目（2013QN002）。

李立峰（1987-），女，碩士，講師，研究方向：安全管理、安全評價；夏輝（1985-），男，碩士，中級工程師，研究方向：環(huán)境評價、城鎮(zhèn)排水與污水處理、工業(yè)污染防治。