劉 劍,李雪冰,鄧立軍,蔣清華,尹昌盛,高 倫

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000; 2.礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點實驗室，遼寧 阜新 123000; 3.新疆工程學(xué)院 安全工程系，新疆烏魯木齊 830000)

掘進(jìn)工作面附壁射流紊動特性的LDA實驗

劉 劍1,2,李雪冰1,2,鄧立軍1,2,蔣清華1,尹昌盛1,高 倫3

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000; 2.礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點實驗室，遼寧 阜新 123000; 3.新疆工程學(xué)院 安全工程系，新疆烏魯木齊 830000)

掘進(jìn)工作面附壁射流具有置換和摻混雙重作用，體現(xiàn)為流場的時均和紊動特性。射流的紊動在瓦斯粉塵的遷移擴(kuò)散中起著關(guān)鍵性作用，如工作面粉塵的懸浮運動完全靠風(fēng)流的紊動得以維持。由于紊動本身的復(fù)雜性以及實驗設(shè)備的限制，以往對獨頭巷附壁射流的研究一般停留在時均量上，對紊動量的認(rèn)識還不夠深入。為此，采用三維激光多普勒測速儀，在獨頭巷射流通風(fēng)實驗?zāi)Ｐ蛢?nèi)，對三維脈動風(fēng)速進(jìn)行了測量。根據(jù)紊流統(tǒng)計理論，分析得到了風(fēng)流的各向紊動強(qiáng)度，并對紊動強(qiáng)度的分布規(guī)律和量級進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：受限條件下，由于回流存在，射流的紊動在射流區(qū)和回流區(qū)都很劇烈，3個方向的紊動強(qiáng)度具有量級相同和各向異性的特點。在射流剪切層內(nèi)，紊動強(qiáng)度從射流軸線到射流邊界呈先增后減趨勢;在射流剪切層以外的回流區(qū)，紊動整體變化不明顯，始終維持著與平均風(fēng)速大小相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。流場內(nèi)較大的速度梯度導(dǎo)致流層之間剪切失穩(wěn)是形成劇烈紊動的重要原因。由于紊動具有與平均風(fēng)速相近的強(qiáng)度，在研究獨頭巷風(fēng)流排污效率、瓦斯粉塵運移規(guī)律等問題時，無論理論分析還是數(shù)值計算，都應(yīng)對運動方程中的速度脈動項給予充分重視。

掘進(jìn)工作面;紊動特性;附壁射流;受限射流;激光多普勒測速

井下巷道鉆爆開挖過程中廣泛采用射流送風(fēng)進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)，射流以紊流形態(tài)由附壁風(fēng)筒噴出，在流動和擴(kuò)展中受到巷道周界的限制和影響，形成有限空間內(nèi)的附壁射流[1]。對掘進(jìn)工作面紊動射流特性的研究可以增進(jìn)人們對風(fēng)流傳質(zhì)傳熱現(xiàn)象的認(rèn)識和理解，在解決工作面瓦斯、粉塵和熱害等實際問題中都具有重要應(yīng)用價值。早在1959年，吳中立教授便對掘進(jìn)工作面內(nèi)的射流通風(fēng)過程進(jìn)行了系統(tǒng)研究，他指出射流具有置換和摻混雙重作用，置換作用反映了射流的時均特性，而后一作用是射流紊動擴(kuò)散的結(jié)果[2]。由于受限紊動射流的復(fù)雜性和實驗水平所限，近十幾年的相關(guān)研究主要以數(shù)值模擬手段為主，在射流有效射程[3-5]、風(fēng)速分布規(guī)律[6-9]等流動時均特性方面的研究已比較成熟，紊動射流作用下，毒害氣體、粉塵及熱量分布運移規(guī)律方面的研究文獻(xiàn)也很多[10-14]，但專門針對射流紊動特性的研究卻不多見。王海橋[1]定性描述了紊動對射流卷吸摻混的作用機(jī)制，但并未進(jìn)行系統(tǒng)的定量研究。陳寶智[15]在模型實驗中發(fā)現(xiàn)，射流影響下，工作面空間的風(fēng)流紊動比一般巷道風(fēng)流劇烈，這種特性使風(fēng)流具有較好的摻混和質(zhì)量交換作用，甚至可以將有效射程之外的煙塵稀釋并排出，但實驗僅獲得了很少量的紊動參數(shù)，不足以反映紊動特性。李玉柱[16]利用熱線風(fēng)速儀研究了堵頭管內(nèi)軸對稱射流的紊動特性，但實驗?zāi)Ｐ团c掘進(jìn)工作面內(nèi)的附壁射流存在諸多差異，參考價值十分有限。

鑒于紊動特性在獨頭巷射流通風(fēng)中的重要性，而目前又缺少可供參考的實驗資料，本文設(shè)計制作了獨頭巷附壁射流通風(fēng)實驗?zāi)Ｐ?，采用激光多普勒測速儀(Laser Doppler Anemometer)對三維脈動風(fēng)速進(jìn)行了測量。根據(jù)紊流統(tǒng)計理論，計算獲得了風(fēng)流各向紊動強(qiáng)度并對其量級和分布規(guī)律進(jìn)行了分析。這項工作也為受限紊動射流流場的理論分析和數(shù)值模擬研究提供了實驗依據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

實驗裝置主要由實驗?zāi)Ｐ秃蜏y速系統(tǒng)兩部分組成。測量儀器采用丹麥Dantec公司的Fiberflow型三維激光多普勒測速系統(tǒng)(LDA)。其測速原理是利用運動微粒散射光的多普勒頻移，來獲得流場的三維瞬時速度信息。如圖1所示，LDA主要由激光器、分光器、激光發(fā)射接收探頭、信號處理器和計算機(jī)組成。激光探頭固定于三維坐標(biāo)架上，發(fā)射激光并接收多普勒頻移信號，該信號返回分光器，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理傳至計算機(jī)存儲。計算機(jī)借助坐標(biāo)架控制器調(diào)整激光探頭位置從而改變測量點位，最小位移精度可達(dá)0.1 mm。實驗時，在流場內(nèi)連續(xù)播撒具有良好跟隨性的燃香煙霧做示蹤粒子。整個實驗過程為非接觸式測量，避免了傳統(tǒng)測速手段對流場產(chǎn)生干擾，測速精度可達(dá)0.1%。

圖1 激光多普勒測速儀系統(tǒng)組成Fig.1 Sketch map of the laser doppler anemometer

實驗?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。利用一端封閉，邊長l=200 mm的有機(jī)玻璃方腔模擬掘進(jìn)工作面。選用矩形巷道模型可以保證激光垂直壁面入射，避免折射帶來的位移誤差。用內(nèi)徑d=40 mm厚5 mm的有機(jī)玻璃管模擬風(fēng)筒，用卡扣將其穩(wěn)固于巷道模型側(cè)壁中央?？紤]到工程中風(fēng)筒與側(cè)壁不能完全貼附的實際情況，在此保留10 mm間隙。風(fēng)筒出口距掘進(jìn)工作面400 mm，出口風(fēng)速um=17.3 m/s，保證了射流雷諾數(shù)處于自模區(qū)(Re>104)。風(fēng)筒與送風(fēng)風(fēng)機(jī)之間設(shè)燃燒室，內(nèi)放燃香，風(fēng)流攜帶燃香煙氣進(jìn)入實驗段，作為LDA測試用示蹤粒子。巷道回流側(cè)設(shè)排風(fēng)通道，污濁氣體經(jīng)風(fēng)機(jī)排至室外。

圖2 實驗?zāi)Ｐ虵ig.2 Sketch map of the experimental model 1—送風(fēng)機(jī);2—軟接頭;3—燃燒室;4—風(fēng)筒;5—風(fēng)筒 卡扣;6—掘進(jìn)工作面;7—排風(fēng)通道;8—排風(fēng)機(jī)

1.2 測量方法

實驗段為出射斷面至掘進(jìn)工作面之間的區(qū)域。由于風(fēng)筒設(shè)于側(cè)壁中央，流場結(jié)構(gòu)具有上下對稱的特點，在此僅取上半部分為測量對象。測量區(qū)域的流動分布具有明顯的三維特征，但在整個空間區(qū)域布滿測點以滿足研究需求是不實際也是不必要的。已有研究表明[6-7，15]，待測區(qū)域包括前進(jìn)流動、返回流動和圍繞回轉(zhuǎn)中心的循環(huán)流動。筆者認(rèn)為，掌握以上3種流動形態(tài)的紊動參量即可窺見整個射流空間的紊動特性?；谶@種考慮，實驗共選擇了4個典型的測量斷面，如圖3所示。采用直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點設(shè)在出射斷面風(fēng)筒軸心。射流軸線作為x軸，射流沿橫向和垂向的擴(kuò)展方向分別為y，z軸。圖3中，sec1為x-y截面，sec2，sec3，sec4是與射流軸線不同距離的x-z截面。在每個測量截面上，測點沿5條直線布置，第1條線與初射斷面相距60 mm(1.5d)，相鄰兩條直線間隔60 mm，測點間距4 mm，每個測點采集2 000個瞬時速度樣本。實驗時根據(jù)測點當(dāng)?shù)仫L(fēng)速和示蹤粒子濃度及時調(diào)整激光電流和濾波器寬帶，確保各測點風(fēng)速收斂于正態(tài)分布[17]。

圖3 測量斷面及測點布置Fig.3 Arrangement of the measuring sections and points

2 結(jié)果及分析

根據(jù)紊流統(tǒng)計理論，恒定紊流可認(rèn)為是各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過程[18]，因此可參照統(tǒng)計理論對紊流的分析，首先對實驗得到的瞬時風(fēng)速序列采用式(1)處理，得到特定方向上的時均風(fēng)速。

進(jìn)一步得到該方向上的紊動強(qiáng)度

2.1 x-y截面紊動強(qiáng)度分布

x-y截面紊動強(qiáng)度分布如圖4所示。圖4中，縱軸是以巷道寬度l為特征長度的無因次距離;不同曲線表示距射流出口不同距離(以出口直徑d為特征長度)處的紊動強(qiáng)度分布。虛線是根據(jù)時均風(fēng)速分布確定的射流邊界?？梢钥闯?，距出口不同距離斷面上的紊動強(qiáng)度分布規(guī)律具有相似性，沿射流擴(kuò)展方向，大致分為3個階段：① 隨著遠(yuǎn)離軸線，紊動強(qiáng)度急劇增加，在不遠(yuǎn)處達(dá)到最大，而后逐漸降低至某一強(qiáng)度，這一過程發(fā)生在射流邊界與軸線之間的剪切層，約占整個巷道寬度的20%～40%;② 超出射流邊界后紊動維持這一強(qiáng)度直至側(cè)壁附近，該區(qū)域約占據(jù)巷道寬度的50%～70%;③ 在近壁區(qū)，紊動強(qiáng)度出現(xiàn)微弱的峰值，隨后迅速消失。

圖4 x-y截面紊動強(qiáng)度分布Fig.4 Distribution of the turbulence intensity in x-y cross-section

對整個過程做如下分析：① 紊動強(qiáng)度的最大值并未出現(xiàn)在射流軸線，而是與軸線持有一定距離，但沿著射流方向，軸線上紊動強(qiáng)度不斷增加，其分布峰度持續(xù)減小，跨度范圍不斷擴(kuò)張，這與圓形斷面自由紊動射流的實驗資料一致[19]，充分說明了紊動是由出口邊界向兩側(cè)侵入的過程。② 與自由射流不同的是，紊動并未在超出射流邊界后消失，而是繼續(xù)持有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。其原因是，受固壁和射流影響，回流內(nèi)部、回流與射流之間存在較大的速度梯度，造成流層間的剪切失穩(wěn)而引起劇烈紊動。③ 臨近側(cè)壁，進(jìn)入壁面邊界層時，速度梯度升高，導(dǎo)致了紊動強(qiáng)度突然加劇，但其發(fā)展受到壁面阻滯，最終消失。對比紊動強(qiáng)度沿射流擴(kuò)展方向出現(xiàn)的兩次波動可以看出，射流的剪切摻混作用大于固壁邊界層。

2.2 不同x-z截面紊動強(qiáng)度分布

y=0截面上半部分的紊動強(qiáng)度分布如圖5所示，其中虛線是根據(jù)時均風(fēng)速分布確定的射流邊界。對比圖4可以看出，紊動強(qiáng)度的分布在兩個相互垂直的射流平面，特別是射流邊界層內(nèi)，具有明顯的相似性，這是由圓形射流出口的軸對稱特性決定的。與x-y截面不同的是，在射流邊界層外，初始階段(x/d=1～4.5)并未形成回流，而是在附壁風(fēng)流的剪切誘導(dǎo)下繼續(xù)跟隨射流向前發(fā)展，同時這種剪切作用也使射流邊界外的紊動得以維持。在距出口較遠(yuǎn)處(x/d=6～7.5)，頂板附近的紊動強(qiáng)度出現(xiàn)了小幅度的峰值。這是因為，當(dāng)射流到達(dá)掘進(jìn)工作面后，部分氣流沿頂板返回，與來流相互剪切，使局部紊動加劇。這部分回流與來流進(jìn)行動量交換后再次被卷吸到射流當(dāng)中形成循環(huán)流動，這也是在初始階段(x/d=1～4.5)射流邊界外，未形成回流的原因。

圖5 y=0截面紊動強(qiáng)度分布Fig.5 Distribution of the turbulence intensity in y=0 section

y=65 mm和y=145 mm截面上半部分的紊動強(qiáng)度分布如圖6，7所示。兩截面上紊動強(qiáng)度的大小相差不多，在分布規(guī)律上存在些許不同。

圖6 y=65 mm截面紊動強(qiáng)度分布 Fig.6 Distribution of the turbulence intensity in section of y=65 mm

圖7 y=145 mm截面紊動強(qiáng)度分布Fig.7 Distribution of the turbulence intensity in section of y=145 mm

在y=65 mm截面，回流受上下壁面阻滯，時均速度剖面與未充分發(fā)展的管流相似，速度由巷道中心向兩側(cè)迅速遞減，越靠近中心，風(fēng)速分布越均勻，速度梯度越小，紊動越弱。因此在y=65 mm截面上，紊動強(qiáng)度出現(xiàn)頂部略高于中心的特點，隨著回流繼續(xù)發(fā)展，上下流層間的剪切運動使流動漸趨均勻，這一特點也隨之減弱。

在y=145 mm截面，回流貼近側(cè)壁，具有附壁效應(yīng)，時均速度在巷道中間和上下壁面附近較高，呈W型分布。在速度發(fā)生變化的拐點，流層間的剪切作用增強(qiáng)，紊動強(qiáng)度也隨之升高，因此在圖7中可以看到紊動強(qiáng)度有波動的現(xiàn)象。

2.3 沿射流軸線紊動強(qiáng)度分布

流動參數(shù)沿射流軸線的變化是研究射流有效作用長度的重要依據(jù)，因此有必要針對射流軸線的紊動特性做專門分析。圖8是射流軸線時均風(fēng)速和紊動強(qiáng)度的沿程分布。

圖8 沿射流軸線紊動強(qiáng)度分布Fig.8 Distribution of the turbulence intensity along the axis of the jet

從圖8可以看出，射流離開噴口后，起初保持出口風(fēng)速，紊動強(qiáng)度也持續(xù)處于較低水平，表明射流中心部分尚未受到摻混影響;隨著射流的發(fā)展，被卷吸并與射流一起運動的風(fēng)量越來越多，射流與周圍流體的摻混自邊緣逐漸向中心侵入，在距出射斷面3d處，發(fā)展到射流中心，此時摻混區(qū)的激烈紊動傳遞至中心，紊動強(qiáng)度逐漸增加，原來的風(fēng)流失去動量而降低速度。當(dāng)紊動強(qiáng)度達(dá)到最大時未像自由射流那樣得以維持[20]，而是呈下降趨勢。這是由于射流的發(fā)展受到掘進(jìn)工作面壁面的限制，最終形成沖擊射流。沖擊射流對沖散工作區(qū)煙塵和壁面換熱能夠起到一定積極作用，本文不予討論，但從時均風(fēng)速和紊動強(qiáng)度的衰減來看，射流的卷吸摻混作用在本次實驗條件下并未得到充分發(fā)揮，有大部分能量支持沖擊射流的形成。

2.4 各向紊動強(qiáng)度之比

為了解其余兩個方向的紊動強(qiáng)度，本文選擇射流橫截面上(x-y平面)距出口x/d=4.5的位置，給出橫向和垂向紊動強(qiáng)度分別與縱向紊動強(qiáng)度的比值，如圖9所示。

圖9 射流橫截面上各方向紊動強(qiáng)度比(x/d=4.5)Fig.9 Turbulence intensity radios of three direction in x-y cross-section(x/d=4.5)

如圖9所示，各向紊動強(qiáng)度比值不等于1，說明紊動具有各向異性的特點。在射流區(qū)縱向紊動強(qiáng)烈，橫向和垂向紊動較弱;在回流區(qū)，垂向紊動劇烈，橫向紊動最弱，但3個方向紊動強(qiáng)度的大小在兩個區(qū)域?qū)儆谙嗤考墶?/p>

本次實驗中，回流區(qū)的時均風(fēng)速范圍為0～3.8 m/s，平均風(fēng)速約為1.02 m/s，而紊動強(qiáng)度大多集中在1 m/s附近，表明回流區(qū)中，紊動風(fēng)速與平均風(fēng)速的大小是相當(dāng)?shù)?，足見受限射流中紊動的劇烈程度?/p>

3 結(jié) 論

(1)射流剪切層內(nèi)的紊動強(qiáng)度普遍高于回流區(qū)。在射流剪切層內(nèi)，紊動強(qiáng)度從射流軸線到射流邊界呈先增后減的趨勢;在射流剪切層以外的回流區(qū)，紊動整體變化不明顯，始終維持著與平均風(fēng)速大小相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。

(2)在射流、回流和巷道壁面的共同作用下，流場風(fēng)速分布極不均勻，存在較大的速度梯度，導(dǎo)致流層之間剪切失穩(wěn)形成了劇烈紊動。

(3)受限條件下，由于回流存在，射流的紊動在射流區(qū)和回流區(qū)都很劇烈，各向紊動強(qiáng)度具有量級相同和異性的特點。由于紊動具有與平均風(fēng)速相近的強(qiáng)度，在研究獨頭巷風(fēng)流排污效率、瓦斯煙塵運移規(guī)律等問題時，無論理論分析還是數(shù)值計算，都應(yīng)對運動方程中的速度脈動項給予充分重視。

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Turbulencecharacteristicsofwalljetinheadingfaceusingalaserdoppleranemometer

LIU Jian1,2,LI Xuebing1,2,DENG Lijun1,2,JIANG Qinghua1,YIN Changsheng1,GAO Lun3

(1.CollegeofSafetyScienceandEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China; 2.KeyLaboratoryofMineThermodynamicDisastersandControlofMinistryofEducation,Fuxin123000,China; 3.SafetyEngineeringDepartment,XinjiangInstituteofEngineering,Urumqi830000,China)

Wall jet in heading face has both mean and turbulence characteristics that makes it have replacement and mixing effects on the air flow field.Thus,wind fluctuations play critical roles in the transportation and diffusion of gas and dust,for example,dust suspension entirely depends on that effect.However,the available experimental data on the subject are rather limited due to the limitations of experimental equipment and its complexity.This paper studies the turbulence characteristics of wall jet in heading face.For this purpose,the authors carried out some measurements of instantaneous 3D velocity in experimental model by using a three-dimensional laser doppler anemometer.After that,the authors have studied the distribution and scale of the turbulence intensity that calculated from the experiment data based on the statistical theories of turbulence.The experimental results indicate that there are serious wind fluctuations not only in the jet zone but also in the recirculation zone affected by the return flow and the side walls.The turbulence intensity in three directions are anisotropy but in the same order.Besides,the authors noticed that turbulence intensity increases firstly and then decreases with the distance from the axis of the jet reached the recirculation zone where the turbulence intensity are closer to the magnitudes of the mean air velocity.According to the analysis,shear instability that caused by velocity gradient between the flow layer is an important factor to cause the violent turbulence.At last,the authors suggest that a full attention should be given to the fluctuation term in motion equations when a further study of ventilation efficiency and migration law of gas and dust in heading face is made by any means.

heading face;turbulence characteristics;wall jet;confined jet;laser doppler anemometer

10.13225/j.cnki.jccs.2016.1589

TD725

:A

:0253-9993(2017)08-1926-06

國家自然科學(xué)基金資助項目(51574142)

劉 劍(1961—)，男，內(nèi)蒙寧城人，教授，博士生導(dǎo)師，博士。E-mail：lj1961@vip.sina.com

劉劍,李雪冰,鄧立軍,等.掘進(jìn)工作面附壁射流紊動特性的LDA實驗[J].煤炭學(xué)報,2017,42(8):1926-1931.

LIU Jian,LI Xuebing,DENG Lijun,et al.Turbulence characteristics of wall jet in heading face using a laser doppler anemometer[J].Journal of China Coal Society,2017,42(8):1926-1931.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.1589