COSMOS Flo Works在矿井通风系统可视化仿真中的应用

舒 才,郁钟铭

(1.贵州大学矿业学院, 贵州贵阳 550003;2.贵州民族学院, 贵州贵阳 550025)

COSMOS Flo Works在矿井通风系统可视化仿真中的应用

舒 才1,郁钟铭2

(1.贵州大学矿业学院, 贵州贵阳 550003;2.贵州民族学院, 贵州贵阳 550025)

利用三维 CAD软件 Solid Works,在相似性原理的基础上,对组成矿井通风系统的巷道和设施进行三维建模,采用其插件 COSMOS Flo Works对建立的矿井通风系统模型进行流体仿真,从而间接实现对实际矿井通风的可视化仿真模拟,以确定通风系统的可靠性,同时确定相关参数。以某小型煤矿的初期开采利用方案为实例,对该矿井设计的通风系统进行了仿真模拟,并与传统设计计算方法得出的结论进行了比较,结果相差不到5%,验证了该方法在矿井通风系统可视化仿真中的可行性。

通风系统;可视化仿真;COSMOS Flo Works;建模

矿井通风系统很难制出实物模型进行试验,本文利用三维建模软件 Solid Works构建通风系统模型代替在现实中难以制造的实体模型,再利用 Solid-Works内置的流体分析插件 COSMOS Flo Works,对模型进行流体模拟代替实际中对模型进行的试验,再利用相似性原理将结果转换到实物上去。

1 矿井概况

用于仿真的矿井为贵州省大方县某煤矿,该矿为新建矿井,设计生产能力为 9万 t/a,采煤工艺为炮采,矿井设计有 3条井筒(主、副斜井,回风斜井),两个掘进面和一个回采面,设计工作面所需风量为 6.77m3/s,计算的回风斜井总回风量为 22 m3/s,设计取回采工作面绝对瓦斯涌出量为 2.2 m3/min,掘进工作面绝对瓦斯涌出量 0.45m3/min,采用抽出式通风。主副斜井、回风斜井巷道断面为半圆拱,面积 7.8m2,其余巷道均为梯形,面积 4.4 m2。仅井底联络巷有调节风窗。本仿真的目的是确定该矿井初期开采时所设计的通风系统是否可以达到预期的目的(工作面风量为 6.77m3/s),同时大概确定该系统井底联络巷调节风窗的大小。

2 解决问题的思路及步骤

COSMOS软件是美国 SRAC公司的产品,它采用举世瞩目的 FFE(快速有限元法)算法,具有计算速度快、解题时占用磁盘空间少、使用方便、分析功能全面、与其他 CAD/CAE软件集成性好等突出优点[1]。本文先根据设计的巷道数据,按照一定的比例对巷道系统进行三维建模,之后再由 COSMOS Flo Works创建流体分析工程,根据设计使用的参数数据进行边界条件的设置,优化网格,设定目标,运行求解。分析比较结果,根据相似性系数得到原型参数。

2.1 建模

2.1.1 巷道系统的建模

该矿井初期设计最长巷道范围在 1km左右,为建模方便,决定采用几何相似系数 K1=1000来对该矿井进行建模,省略井底水仓及水泵房,以简化模型。利用 Solid Works的扫描、拉伸、放样等命令进行建模[2]。

由几何相似的性质可知面积相似系数 Ks==106;体积相似系数 Kv==109;周长相似性系数KU=K1=1000,由压力相似原理(欧拉数相等)[3]:

式中:△P为流场中两点的压力差,Pa;L为线性长度,m;U为湿周,m;u为流速,m/s;S为断面积,m2;λ为沿程阻力系数;ρ为流体密度,kg/m3。

由(1)、(2)式可知:Eu∝λLU/S;

故欲使欧拉数相等,即:

即只需 KλK1Ku=Ks。

式中:Kλ=λ0/λm,为原型模型沿程阻力系数之比,又Ks=;KU=K1。

即 KλK1K1=由此可知只要 Kλ=1,即可保证欧拉数相等。

又由尼古拉茨粗糙管公式[4]:

可知,欲使 Kλ=1,只要:dm/△m=d0/△0;又 d0/dm=Kl。所以 △0/△m=Kl,即 △m=△0/Kl,△0为实际巷道的绝对粗糙度。

由 α=λρ/8[3]可得 :λ=8α/ρ,即可根据设计手册上相关巷道的α值来确定λ0,再由尼古拉兹粗糙管公式推出:即可算出△0,于是确定模型的绝对粗糙度大小为:△m=△0/Kl,该值用于仿真模型壁面边界条件的设置。模型巷道绝对粗糙度与原型巷道绝对粗糙度对照见表1。

表1 绝对粗糙度对照

2.1.2 流体模型的建模

本仿真原型的流体原型为压力为 101325Pa,温度为 30℃时的空气和瓦斯,根据粘性力相似原理来建立对应的模型流体[4]:

即 :KρKlKu/Kμ=1,式中 :μ为动力粘度,可取 Kρ=1,Ku=1,Kμ=Kl=1000,以此系数来自定义空气模型与瓦斯模型,由这些比例可知,仅需改变气体的动力粘度即可,对空气模型:μm=μ0/Kμ=1.873×10-5/1000=1.873×10-8Pa·s;对瓦斯模型:μm=μ0/Kμ=1.123×10-5/1000=1.123×10-8Pa·s;可根据 COSMOS Flo Works工程数据库中已有的真实气体,其动力粘度改为以上定值即可,其余参数不变。

2.1.3 局部风机的建模

COSMOS Flo Works以风机的特性曲线提供了含有风机的边界条件,根据下文式(3)转换到模型局部风机上,模型局部风机采用文献[3]中的 JBT-62为原型,建立的模型局部风机特性曲线见图1。

图1 模型局部风机特性曲线

2.2 创建流体仿真工程

利用 COSMOS Flo Works的向导创建流体仿真工程,根据向导,仿真工程的主要设置见表2。由于通风系统进出口间高差不大,该系统又属于不可压缩流体的有压流动,故本仿真暂不考虑重力的影响,仅考虑粘性力和压力为主要作用力。

表2 流体仿真工程主要设置

2.3 边界条件的设置

COSMOS flo works提供了 FlowOpenings、Pressure Openings、Walls3种边界条件,flow openings用于设置流量,pressure设置压力,walls设置粗糙度。

对于本文设置的体积流量,根据相似性系数:Ku=1,Kl=1000,可得:

由 KQ=Q0/Qm,Q=u×S,

由问题的描述可知,回风斜井井口流出量为Q0=22m3/s;设计工作面瓦斯绝对涌出量为 2.2 m3/min。两个掘进头瓦斯绝对涌出量为 0.45 m3/min。由式(3)转换到模型上,模型边界条件的详细设置见表3。

表3 模型边界条件设置

2.4 网格划分[5,6]

通过对巷道系统风筒、局部风机进行网格设定后,将模型划分为 56423个流体单元。

2.5 目标的设定

目标设定显示所关心参数变化的情况,同时加速计算收敛。本模拟关心的参数有:风井井口的压力、工作面的风量,回风顺槽的瓦斯浓度、掘进头风量,矿井通风的阻力等。

3 仿真结果输出

通过解算,迭代次数为 948次时,所有设置的目标收敛,结果见表4。通过目标结果表与相似性系数的转换可知,在井底联络巷处的调节风窗大小为0.9m×0.9m时,运输顺槽进风量为 6.44m3/s,主斜井进风量为 10.06m3/s,副斜井进风量为 11.84 m3/s;根据相似性系数的设置可知,△P0=△Pm,即真实矿井的通风阻力与模型相等,即为 150.2Pa。

表4 模型仿真目标结果

通风系统压力变化见图2。

图2 通风系统压力变化云图

用传统方法计算取其计算风路为主斜井(275 m)-运输石门及溜煤斜巷(135m)-运输顺槽(520m)-工作面(80m)-回风顺槽(586m)-回风石门及斜巷(153m)-回风斜井(169m),由此算出的矿井通风阻力为 144.66Pa。与仿真结果相差不到 5%,证明仿真结果可靠。

4 结 论

利用流行的 3D建模软件的强大建模功能建立矿井巷道系统,采用已有的计算流体动力仿真工具对建立的系统进行通风模拟,间接实现了矿井通风系统的三维可视化仿真。由本文仿真的结果与传统方法计算的结果相差不到 5%,证明方法可靠。应用这一方法,在通风管理中,当通风系统发生改变时,可以预先对改变的系统进行建模仿真来确定设计通风系统的可靠性,同时优化设计。

[1] 王定标,郭茶秀,等.CAD/CAE/CAM技术与应用 [M].北京:化学工业出版社,2005.

[2] 郑长松,等.SOLID WORKS2006中文版机械设计高级应用实例[M].北京:机械工业出版社,2006.

[3] 黄元平.矿井通风[M].徐州:中国矿业大学出版社,1986.

[4] 张景松.流体力学与流体机械之流体力学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2001.

[5] 刘贵根,栾振辉.渐缩管过渡段型面对其流量影响的有限元分析[J].煤矿机械,2005,(11):66～68.

[6] 陈梅芳,丁德馨,莫勇刚,等.基于MATLAB的两种通风网络解算方法的编程及实现[J].矿业研究与开发,2008,28(2):65～67.

2010-04-16)

舒 才(1985-),男,白族,贵州大方人,在读硕士,研究方向为矿业系统工程,Email:312905608@qq.com。