賴鑫瓊，吳柯杉，張一夫，韓 蓉

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105； 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點實驗室，遼寧 葫蘆島 125105)

0 引言

隨著當(dāng)前礦山開采規(guī)模的不斷擴大，礦井開采深度不斷延深，以及開采設(shè)備機械化水平的不斷提高，無軌移動設(shè)備為代表的移動熱源放熱導(dǎo)致巷道局部環(huán)境溫度升高已經(jīng)成為礦井熱害的主要原因[1]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者就井下熱源進行了大量研究。張育瑋等[2]研究了礦井熱源對風(fēng)流穩(wěn)定性的影響，得出熱阻對分支的風(fēng)量影響達11.8%；周西華等[3]通過建立數(shù)學(xué)模型對熱源進行仿真分析，并且通過分別模擬熱源在不同位置時的溫度場分布來實現(xiàn)熱源移動；Millar等[4]通過對礦井下的各種熱源進行分析計算，得出在不同的季節(jié)采取不同的方法使礦內(nèi)溫度保持在一定范圍內(nèi)； Ghoreishi-Madiseh等[5]則通過數(shù)值模擬和實驗的方法對工作面回收熱量產(chǎn)生的熱傳遞現(xiàn)象進行研究；Maurya等[6]則對礦井下的潛熱進行研究；江凌枝[7]利用數(shù)值模擬中的動網(wǎng)格技術(shù)，研究了熱源在順風(fēng)和逆風(fēng)的條件下對空氣溫度造成的影響，并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比分析，得到了較為一致的結(jié)果；袁東升等[8]對一般高溫礦井可能存在的熱源進行了分類分析，并給出各種熱源放熱量的計算方法；楊曉冬等[9]通過建立移動熱源條件下的傳熱模型，研究了熱源以不同的速度移動對電極絲造成的影響；劉少輝等[10]為了真實的模擬熱源在移動時的溫度場分布情況，把在不同溫度下的對流換熱系數(shù)以及移動時的網(wǎng)格劃分用程序編譯，最終得到準確的溫度場分布；黃程等[11]建立了新型熱源模型，熱源載荷以生熱率的方式加載，把熱源定為原點沿Y方向移動，并在移動方向上等距離選取幾個點作出溫度時間曲線；Ma等[12]從理論上研究了熱源移動速度對溫度分布的影響；黃山果等[13]提出了熱貢獻率概念，得出了不同季節(jié)的熱源放熱曲線以及熱源貢獻率、區(qū)段熱貢獻率、區(qū)段熱貢獻密度排序以指導(dǎo)熱害治理；陳桂義[14]對礦井巷道圍巖與風(fēng)流溫度場進行了數(shù)值模擬分析；屈永良等[15]根據(jù)不同地點的熱源對局部通風(fēng)系統(tǒng)造成的不同影響提出了相應(yīng)的對策。

綜上，關(guān)于井下固定熱源有很多研究，對移動熱源的研究相對較少，而在井下無軌移動設(shè)備的放熱量已到了不可忽視的地步。故本文通過實驗和數(shù)值模擬方法，研究移動熱源對井下巷道局部風(fēng)流溫度的影響。

1 固定熱源實驗?zāi)Ｐ?/h2>

根據(jù)相似理論，實驗系統(tǒng)如圖1所示。巷道模型長2.5 m，斷面邊長是0.2 m×0.2 m的正方形，跟實際巷道斷面尺寸比是1∶20，模型制作材料為1 mm厚的渡鋅鐵皮。通過建立井下固定熱源的物理模型，用熱風(fēng)槍吹出恒定的溫度來模擬井下熱源散出的熱量，利用K型熱電偶測量熱源中心軸上X-Y截面上不同高度不同水平位置的點的溫度，從而得到固定熱源散熱產(chǎn)生的中心軸截面上的溫度場分布數(shù)據(jù)。

圖1 實驗系統(tǒng)Fig.1 Experiment system

在垂直高度上，在0.02 m到0.2 m的距離上每隔0.02 m的距離布置1個測點，共布置9個測點。在巷道水平方向上，在0.5 ～1 m的區(qū)間，每隔0.05 m的距離布置1個測點。在1～2 m的區(qū)間上，每隔0.1 m布置1個測點。2 m之后每隔0.2 m布置一個測點，在2.5 m處布置1個測點。綜上所述，一共有225個測點，如圖2所示。

圖2 熱電偶測點布置Fig.2 Thermocouple measuring point layout

2 固定熱源數(shù)值模型

2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

模擬的物理模型依據(jù)實驗?zāi)Ｐ偷某叽鐦?biāo)準設(shè)定。三維幾何模型尺寸X(長)×Z(寬)×Y(高)是2.5 m×0.2 m×0.2 m，熱源是邊長為10 mm，高為20 mm的長方體。重心位置坐標(biāo)是(0.55 m，0.01 m，0.1 m)。對模型進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，最終確定本次模擬選取的網(wǎng)格數(shù)量為783 650個。結(jié)合井下實際情況和數(shù)值模擬的需要，將風(fēng)流流動和巷道條件做出一定的簡化和假設(shè)。具體情況如下：

1)模型巷道內(nèi)的風(fēng)流為不可壓縮流動；

2)模型巷道內(nèi)的風(fēng)流為連續(xù)性介質(zhì)；

3)模型巷道內(nèi)沒有其他熱源，不考慮圍巖對風(fēng)流的影響；

4)模型巷道內(nèi)的空氣流動為穩(wěn)態(tài)紊流，滿足Boussinesq假設(shè)。

2.2 數(shù)學(xué)模型

采用的數(shù)學(xué)模型包括的基本方程有質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、湍流動能方程和湍流動能耗散率方程，分別為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：ρ為理想氣體密度，kg/m3；u為速度，m/s；p為壓力，Pa；T為溫度，K；τij為粘性應(yīng)變張量；Fi為體積力，N/m3；h為焓值，kJ/kg；Qj為熱流量矢量，J/s；k為湍流脈動動能，J；Sr為輻射熱損失，J；Se為放熱率，W；Gk是由層流速度梯度所產(chǎn)生的湍流動能，J；C1，C2是常量；αk和αε是湍流動能方程和湍流動能耗散率方程的湍流 Prandtl數(shù)；Rε為湍流動能耗散率方程的修正項。

2.3 邊界條件設(shè)置

在本模擬中，把模型巷道的參數(shù)設(shè)置為對流換熱，傳熱系數(shù)為62.8 W/(m2·K)，厚度設(shè)為0.001 m，巷道入口速度為0.5 m/s，溫度為287 K，熱源入口速度為5.9 m/s，計算域出口為自由流。

3 實驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

將實驗結(jié)果和模擬結(jié)果以相同的溫度圖例繪制為Z=0.1 m截面的云圖，并裁掉數(shù)值模擬云圖中小于Y=0.02 m的部分，分別得到不同溫度時實驗和數(shù)值模擬結(jié)果，如圖3～5所示。

圖3 100℃時Z=0.1 m截面實驗和模擬結(jié)果Fig.3 100℃ Z=0.1 m section experiment and simulation results

圖4 200℃時Z=0.1 m截面實驗和模擬結(jié)果Fig.4 200℃ Z=0.1 m section experiment and simulation results

圖5 300℃時Z=0.1 m截面實驗和模擬結(jié)果Fig.5 300℃ Z=0.1 m section experiment and simulation results

由圖3～5可知，固定熱源的數(shù)值模擬云圖比實驗云圖更加光滑、平穩(wěn)、流場結(jié)構(gòu)更加規(guī)則。兩者在溫度值上略有出入，但差距不大。這是由于實驗只能采集到特定點的溫度數(shù)據(jù)，測點數(shù)量不足，而數(shù)值模擬劃分的網(wǎng)格多，在每個節(jié)點上計算機都會進行計算，可以得到整個巷道各個點的溫度數(shù)據(jù)。另外熱電偶要測量截面上不同高度的溫度數(shù)據(jù)，這就要求熱電偶必須伸進巷道當(dāng)中去，這不可避免的就會影響到巷道當(dāng)中的流場分布。但是整體趨勢依舊保持了良好的一致性?？梢哉J為，本文所建立的數(shù)學(xué)模型是正確的，可以進一步利用本模型做移動熱源的數(shù)值模擬研究。

4 移動熱源數(shù)值模型

4.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

井下移動熱源的幾何模型與固定熱源一致，采用動網(wǎng)格對移動熱源模型進行網(wǎng)格劃分，在動網(wǎng)格更新方式中選擇彈簧光順模型、網(wǎng)格重構(gòu)模型，并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。由于動網(wǎng)格對網(wǎng)格要求比較高，所以在劃分網(wǎng)格時采用四面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為216 842個。

4.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件設(shè)置

井下移動熱源的數(shù)學(xué)模型、假設(shè)條件以及邊界條件與上文固定熱源的參數(shù)一致。根據(jù)設(shè)置邊界條件，用Simple算法進行耦合求解，壓力項中標(biāo)準、湍流動能、耗散比均選二階迎風(fēng)格式。時間步長設(shè)為0.01 s，時間步長的次數(shù)為800，熱源以0.1 m/s的速度移動8 s，移動距離為0.8 m。

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

為了研究移動熱源對巷道局部風(fēng)溫的影響規(guī)律，分別在順風(fēng)和逆風(fēng)條件下，對熱源不同移動速度進行數(shù)值模擬，以進行對比分析研究。在模擬研究中，巷道溫度取14℃，巷道風(fēng)速取0.1 m/s，熱源移動速度分別取0，0.1，0.2和0.3 m/s進行研究。

將溫度為200℃的熱源分別以0(熱源固定)，0.1，0.2和0.3 m/s的速度順風(fēng)從0.55 m的位置移動到1.35 m的位置，在1.35 m和2.5 m之間每隔0.05 m的位置選取1個截面，共得到24個截面。取每個截面的平均溫度值繪制成曲線圖，如圖6所示。

圖6 熱源以不同速度順風(fēng)移動的溫度曲線Fig.6 Temperature curve of heat source moving downwind at different speeds

由圖6可知，當(dāng)熱源固定時，在0.05 m的距離內(nèi)溫度會迅速升高到17℃后，在1.35～2.5 m的范圍內(nèi)，溫度在17℃左右上下波動變化不大；熱源移動時，巷道平均溫度會比固定熱源的平均溫度高；熱源移動速度越快，巷道溫度越高，隨著移動距離的增加，在2.5 m的位置處附近，巷道溫度趨于平穩(wěn)。這是由于熱源散發(fā)的熱量不僅在巷道風(fēng)流的推動下向前移動，還受到熱源向前移動的影響。

將溫度為200℃的熱源分別以0(熱源固定)，0.1，0.2和0.3 m/s的速度逆風(fēng)從1.35 m的位置移動到0.55 m的位置，在0.55 m和2.5 m之間每隔0.05 m的位置選取1個截面，共得到40個截面。從溫度場中得到每個截面的平均溫度值，并繪制成曲線圖，如圖7所示。

圖7 熱源以不同速度逆風(fēng)移動的溫度曲線Fig.7 Temperature curve of heat source moving against the wind at different velocities

由圖7可知，當(dāng)熱源在0.55 m的位置固定時，在0.6 m位置處，巷道溫度開始升高，到達0.8 m位置時達到最高值18.3℃，在2.5 m處達到17℃；熱源移動后的巷道溫度要比固定熱源產(chǎn)生的巷道溫度低；熱源移動速度越快，散到巷道當(dāng)中的熱量越少，局部風(fēng)流溫度越低。這是由于熱源逆風(fēng)移動時，熱源與巷道風(fēng)流的相對距離增加，熱風(fēng)與巷道風(fēng)流的熱交換量也增加所致。

5 結(jié)論

1)通過分析比較固定熱源對巷道局部風(fēng)溫的實驗與數(shù)值模擬結(jié)果，可知巷道局部風(fēng)流溫度變化規(guī)律的實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相似，兩者在溫度值上略有出入，但差距不大，整體趨勢保持了良好的一致性，從而證明了建立數(shù)學(xué)模型的正確性。

2)井下熱源順風(fēng)移動時要比固定熱源對巷道局部風(fēng)溫的影響大，并且移動速度越快影響越大，巷道局部溫度升高越多。

3)井下熱源逆風(fēng)移動時要比固定熱源對巷道局部風(fēng)溫的影響小，并且移動速度越大，巷道局部溫度升高越少。