不同装载情况下矿井活塞风效应的数值模拟

彭 云，赵伏军，黄寿元，刘 畅

( 1．化工部长沙设计研究院，长沙410116; 2．湖南科技大学能源与安全工程学院，湖南湘潭411201;3．中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽马鞍山243000; 4．长沙矿山研究院，长沙410012)

不同装载情况下矿井活塞风效应的数值模拟

彭 云1，赵伏军2，黄寿元3，刘 畅4

( 1．化工部长沙设计研究院，长沙410116; 2．湖南科技大学能源与安全工程学院，湖南湘潭411201;3．中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽马鞍山243000; 4．长沙矿山研究院，长沙410012)

为了减少运输设备对矿井通风系统的影响，分别建立了矿车在空载和满载两种情况下的矿井活塞风数值分析模型，对两种情况下的活塞风效应进行数值模拟，绘制流场迹线图。在相同列车运行速度和巷道通风速度条件下，得出空载情况下产生的活塞风大于满载时效应、对巷道通风阻力影响较大;空载条件下活塞风对列车运行前方静压场影响距离小于满载情况下影响距离，对列车运行后方影响距离大于满载情况下影响距离;空载条件下活塞风对列车运行前方、运行后方速度场影响距离均大于满载情况;活塞风控制应着重空载情况。

活塞风;装载情况;压力场;风速场;影响距离

收稿日期: 2013-11-12
第一作者简介:彭 云( 1987-)，男，湖南省益阳人，助理工程师，硕士，研究方向:矿井通风与安全，E-mail: pyj791@126．com。

0引言

当运输设备如汽车、火车及矿车等，在隧道或井巷等密闭空间运行时，运输设备正前方空气受压，设备后方空气稀薄，运输设备首尾一定局部空间内形成沿设备运行方向的压力梯度，对隧道或矿井通风系统存在一定影响[1-5]。

矿井系统中，运输大巷通常也是主要通风干道，对矿井通风有极其重要的作用。电机车牵引矿车在矿井井巷中运动时，巷道中的空气分布不断变化，呈现出极强的瞬态性。巷道内的空气流动本来就比较复杂，加上活塞风的变化，使得巷道内风流分布更加复杂。因此，如对真实的矿井巷道系统进行模拟，当前的数值模拟软件难以解决[6-8]，为了简化问题，笔者作了一些假设，对不同装载情况下矿井活塞风效应的数值模拟进行研究。

1活塞风动力学分析

巷道内风流分布做如下假设:第一，巷道通过的风流不可压缩;第二，井巷中风流为湍流状态;第三，矿车在井巷中匀速运动。矿车在井巷中运行，可简化分析模型如图1所示。活塞风效应可分为1～4等作用区间、3个不同流段，即环状空间的进口流段1～2，均匀流段2～3和出口流段3～4。

图1 活塞风分析模型Fig．1 Piston wind analysis model

当巷道和列车的截面积分别为At和A0时，环隙面积则为At-A0。根据运动列车对巷道空气的排挤作用，对于巷道参照系，列车作用区段与巷道满足流动的连续性条件为[9]可得环状空间平均速度:

其中α= A0/At。

由能量方程

式中: p1-p4——列车产生的增压，即压源提供的活塞风压力p0;

pin、pout——分别是环状空间进、出口流动的局部阻力压降。

式中: CDt——绕流阻力系数。

2 数值模拟

为了方便计算和分析，将单量列车(矿车组)在井巷中运行情况进行适当简化。巷道断面为半圆拱巷道，巷宽取3 m，巷道直墙高1.2 m，巷道长度100 m;矿车宽度1 m，高度1. 2 m，列车长度取20 m。重车(满载)情况矿车简化为1 m×1. 2 m×20 m的长方体;空车(空载)情况列车划分为10辆矿车，每辆矿车长度为2 m，矿车内部容量为宽0. 8 m、长1. 8 m、高1. 1 m，因矿车间空隙远小于矿车容积，因此，对矿车间连接简化为没有空隙。

导入Fluent中，入口设置成风速入口，入口风速2 m/s，Turbulence选择Intensity and Hydraulic Diameter，其中Turbulence Intensity 5%、Hydraulic Diameter取1 m;出口为压力出口，Gauge Total Pressure设置为0，Turbulence Intensity设置成5%、Hydraulic Diameter取1 m。求解使用定常流、Implicit、k-epsilon Model( 2 epn)，其他参数保持默认[10];为了分析矿车在巷道中运行产生的活塞风，将矿车区域设置成Moving Reference Frame，运动方向为逆风方向，即从模型的出口向入口方向运行，运行速度为8 m/s。

分别对以上两种模型经过Fluent解算，分析其结果。为了便于分析，特选取平行于巷道底板、垂直于巷道底板(非巷道横截面)及巷道横截面3种平面计算结果。

2. 1 压力

两种模型中，均选取平行巷道底板平面(垂距为1 m)模拟结果，两种情况巷道入口与出口之间全压之差即为巷道的阻力，两种情况下全压平面分布如图2所示。

图2 平面全压场Fig．2 Plane full field

根据数值模拟结果，巷道出口与入口之间全压差满载情况为346. 7 Pa，空载情况为356. 5 Pa。

为了进一步研究活塞风的影响差异，在两种情况下，选取距车头、车尾一定距离的巷道横截面静压场进行分析。图3～图4为平面静压场模拟结果。

图3 矿车行驶前方平面静压场(横截面)Fig．3 Mine car driving front plane static field ( cross sectiion)

据模拟结果可知，对车头前面巷道内静压影响距离空车为3. 1 m，重车为3. 5 m。

对车尾后面巷道内静压影响距离空车为0. 7 m，重车为0. 5 m。

图4 矿车行驶后方平面静压场(横截面)Fig．4 Mine car driving behind plane static field( cross section)

2. 2 风速

平面速度场模拟结果见图5、图6。

图5 矿车行驶前方平面速度场(横截面)Fig．5 Mine car driving front plane velocity field( cross section)

据模拟结果可知，对车尾后面巷道内风速影响距离空车为2. 9 m、重车为2. 6 m。

对车尾后面巷道内风速影响距离空车为12.0 m，重车为11. 0 m。

为了分析两种情况下流场的差异，选取平行巷道底板和垂直巷道底板平面风速迹线进行研究，如图7所示。图7a、b为垂直于底板平面，图7c、d为平行于底板平面。

图6 满载情况矿车行驶后方平面速度场(横截面)Fig．6 Mine car driving rear plane velocity field( cross section)

图7 平面风速迹线Fig．7 Surface wind traces

从图7可以看出，空载情况下流场更加复杂，绕流、环流现象更加突出，矿车运行方向后方回流较大。表1为模拟结果的汇总。

表1模拟结果对比Table 1 Simulation results

表1可见，空载条件下活塞风效应更强，且对运行前方、后方速度场影响距离也大于满载情况。

3结论

在相同的列车运行速度、巷道通风速度条件下，得出以下结论:

( 1)空载条件下产生的活塞风对巷道通风阻力影响大于满载情况;空载条件下活塞风效应更强。

( 2)空载条件下产生的活塞风对列车运行前方静压场影响距离小于满载情况;对列车运行后方影响距离大于满载情况。

( 3)空载条件下产生的活塞风对列车运行前方、运行后方速度场影响距离均大于满载情况。

( 4)矿井矿车运输过程中应当控制矿车运行速度，尤其要控制空载时矿车运行速度。

( 5)空载情况下流场更加复杂，绕流、环流现象更加突出，矿车运行方向后方回流较大。

[1] 吴 慧，蔡嗣经．基于Fluent软件的角联通风网络数值模拟[J]．中国安全生产科学技术，2012，8( 1) : 22-26．

[2] 王从陆，吴 超，王卫军．Lyapounov理论在矿井通风系统稳定性分析中的应用[J]．中国安全生产科学技术，2005，15 ( 4) : 46-49．

[3]韩占忠，王 敬，兰小平．FLUNET流体工程仿真计算机实例与应用[M]．北京:北京理工大学出版社，2004．

[4]王福军．计算流体动力学分析CFD软件原理与应用[M]．北京:清华大学出版社，2004．

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[6] 王从陆．非灾变时期金属矿一复杂矿井通风系统稳定性及数值模拟研究[D]．长沙:中南大学，2007．

[7] 王海桥，田 峰，吴 强．装备提升容器的通风井简非稳态活塞风研究[C]/ /中国(淮南)煤矿瓦斯治理技术国际会议论文集．北京:中国矿业大学出版社，2007: 497-502．

[8] 王海桥，田 峰，施式亮，等．矿井井筒提升容器活塞风效应分析及计算[J]．湖南科技大学学报:自然科学版，2007，22 ( 3) : 1-4．

[9]金学易．隧道通风与隧道空气动力学[M]．北京:中国铁道出版社，1983．

[10] 王 韦，陈正林，魏 鸿．高速铁路隧道内列车活塞风和空气阻力的解析计算[J]．世界隧道，1999( 1) : 63-66．

(编辑 徐 岩)

Numerical simulation study on mine piston wind effect under different loading conditions

PENG Yun1，ZHAO Fujun2，HUANG Shouyuan3，LIU Chang4
( 1．Changsha Design&Research Institute of Chemical Industry Ministry，Changsha 410116，China;2．School of Energy&Safety Engineering，Hunan University of Science&Technology，Xiangtan 411201，China; 3．Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co．Ltd．，Maanshan 243000，China; 4．Changsha Institute of Mining Research，Changsha 410012，China)

Aimed at reducing the influence of transport equipment on mine ventilation system，this paper describes the development of numerical analysis model for mine piston wind associated with no-load and full load of tramcars，the numerical simulation of piston wind effect occurring in these two cases，and the production of the graph of flow field trace．The paper concludes that，at the same condition between running speed and tunnel ventilation of train，no-load conditions produce a greater piston wind effect than full load ones，with a greater influence on tunnel ventilation resistance; piston wind affords a smaller influence distance to train’s anterior static pressure field in no-load than in full load，while it produces a greater influence distance to train’s rear static pressure field in no-load than in full load; and no-load offers a greater velocity field than full load in both anterior and rear direction．It follows that the control of piston wind should be focused on the situation of no-load．

piston wind; loading condition; pressure field; wind velocity field;influence distance

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 007

TD724

2095-7262( 2014) 01-0030-04

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