矿井活塞风效应数值模拟

彭　云

(化工部长沙设计研究院,长沙 410116)



矿井活塞风效应数值模拟

彭云

(化工部长沙设计研究院,长沙 410116)

为研究活塞风对矿井通风系统的影响,运用Fluent移动参考网格建立数值分析模型,分析电机车牵引矿车在矿井井巷中运动时的矿井活塞风效应。结果表明:列车行驶前方为增压减速区,区内压力随距离的增大而减小,风速随距离的增大而增大。列车行驶后方先后存在减压增速区和增压减速区,两区内风速均随距离的增大而减小,减压增速区内压力随距离的增大而增大,增压减速区内压力随距离的增大先后存在一个增压和减压区。列车行驶前方和后方,风速和压力平面影响面积均随距离的增大而增大。列车中前部矿车活塞风风速较大。矿车内尾部、底部活塞风效应较强。

活塞风;增压减速区;减压增速区;影响范围;风流迹线

随着我国高产高效矿山的建设,矿井机械化程度不断提高,无轨运输因其机动灵活、所需人员少、工作效率高等优势而得到了广泛的应用,但无轨运输对矿井断面和坡度等条件要求苛刻,因此,目前我国矿井的辅助运输仍以轨道运输居多[1-4]。轨道运输具有投资少、运输能力大的优势,但也存在运输环节多、维护量大,用工多、效率低等缺点,要实现高产高效,就必须提高电机车运行速度和工作效率。地下矿山是一个复杂的工程系统,仅有通风口,人员、设备出入口与地表连通,其他部分基本与大气隔绝,电机车牵引矿车在矿井井巷中运动时,矿井活塞风效应致使巷道中的空气分布不断变化,呈现出极强的瞬态性,对通风系统具有一定影响[5]。为研究活塞风对矿井通风系统的影响,笔者运用Fluent软件,建立矿井活塞风数值模型,分析矿井活塞风效应。

1　活塞风风压效应分析

矿车与巷壁间环隙流段流动分析模型如图1所示。

图1　矿车与巷壁间环隙流段流动分析模型

结合图1分析活塞风风压效应。

(1)列车头部

能量方程和连续性方程:

(1)

式中:α——阻塞比,α=A0/At;

A0、At——列车、隧道的截面积；

p1、p2——断面1—1、2—2处风流静压;

pin——环状空间进口流动的局部阻力压降;

v0、v1、v2——列车速度、活塞风速度、环状空间内风流速度。

整理后可得环隙进口1—2流段的静压差:

(2)

由于车头相对很短,可以不考虑环隙表面对流动的剪切力,建立控制体的动量方程[6-8],即

ρ(v0+v2)2(At-A0)-ρ(v0-v1)2At=p1At-p2At-FD,

(3)

CDN——隧道气流相对于列车的受限绕流阻力系数。

联立解方程式(1)～(3)得环隙入口段的牵引力增压表达式:

(4)

式中:CDt——绕流阻力系数。

(2)列车尾部

环隙出口3—4流段的静压差为

(5)

式中:pout——环状空间出口流动牵引力增压;

p3、p4——断面3～3、4～4处风流静压。

在控制体上建立动量方程,即

ρ(v0-v1)2At-ρ(v0+v2)2(At-A0)=p3At-p4At。

(6)

联立解方程式(5)、(6)得环隙出口段的牵引力增压表达式:

(7)

2　数值模拟

2.1数值模型

为了方便计算及分析,将矿车在井巷中运行情况进行适当简化[9-10],建立模型,如图2所示。巷道断面为半圆拱巷道,巷宽取3 m,巷道直墙高取1.2 m,巷道长度取100 m;矿车宽度1 m,高度1.2 m,列车长度取20 m。列车划分为10辆矿车,矿车长度为2 m,矿车容量尺寸为宽0.8 m、长1.8 m、高1.1 m。对矿车间连接进行简化,矿车间没有空隙,矿车模型如图2c所示。

导入Fluent中,入口设置为风速入口,入口风速为2 m/s,Turbulence选择Intensity and Hydraulic Diameter,其中Turbulence Intensity设置成5%，Hydraulic Diameter取1 m;出口设置为压力出口,Gauge Total Pressure 设置为0,Turbulence Intensity设置为5%，Hydraulic Diameter取1 m。求解使用定常流、Implicit、k-epsilon Model(2epn),其他参数保持默认。为了分析矿车在巷道中运行产生的活塞风,将矿车区域设置为Moving reference frame(移动参考网格),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。

图2　模型示意

2.2结果分析

经过Fluent解算,分析其压力、速度分布结果。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)及巷道横截面三种平面场及平面、三维迹线图进行分析。

2.2.1巷道风流压力

为了分析活塞风对巷道风流压力的影响,分别对距离列车行驶前方、尾后方不同距离的巷道横截面,距离巷道底板不同距离的巷道水平面进行压力场分析。距离列车头部、尾部不同距离的巷道横截面平面静压场如图3所示,距离底板不同距离平面静压场如图4所示。

图3　矿车行使前后方不同距离平面静压场(横截面)

图4　平行巷道底板不同水平平面静压场(水平面)

分析图3、4所示压力平面静压场可知,在列车行驶前方距列车头部一定距离范围巷道内,风流存在一个增压区,增压区压力随着距列车头部距离的增大而减小,直至等于截面平均风压；增压区的面积随着距列车头部距离的增大而增大,直至等于巷道截面积,增压区影响距离为3.1 m。

在列车行驶后方距列车尾部一定距离范围巷道内风流先后存在一个减压区和增压区,两区之间存在一定间隔,减压区压力随着距列车头部距离的增大而增大,直至等于截面平均风压；减压区的面积随着距列车尾部距离的增大而减小,直至为零,减压区影响距离为0.7 m。增压区大小先后随着距列车尾部距离的增大而增大、减小,最后减小至0,其影响范围为距车尾距离1.3～3.1 m。

随着距巷道底板距离的增加，列车头部增压区压力和影响范围越来越小,列车尾部减压区和增压区影响范围越来越小,两区之间间隔越来越长。

2.2.2巷道风流速度

同样选取距离列车头部、尾部不同距离的巷道横截面及距离巷道底板不同距离的巷道水平面进行速度场分析。距离列车头部、尾部不同距离的巷道横截面平面速度场如图5所示,距离底板不同距离平面速度场如图6所示。

图5　矿车行使前后方不同距离平面速度场(横截面)

分析图5、6所示的平面速度场可知,在列车行驶前方距列车头部一定距离范围巷道内,风流存在一个减速区,减速区风速随着距列车头部距离的增大而增大,直至等于截面平均风速；减速区的面积随着距列车头部距离的增大而增大,直至等于巷道截面积,减速区影响距离为2.9 m。

图6　平行底板不同水平平面速度场(平行底板)

在列车行驶后方距列车尾部一定距离范围巷道内，风流先后存在一个增速区和减速区,增速区和减速区内风速随着距列车头部距离的增大而减小,直至等于截面平均风速,其影响范围为距车尾距离12 m。

随着距巷道底板距离的增加列车头部减速区风速越来越大,影响范围越来越小,列车尾部增速区和减速区影响范围越来越小,增速区风速越来越小。

图7　矿车与巷壁间环隙流段不同位置平面速度场(横截面)

综合分析空载情况下不同位置平行底板平面和巷道横截面平面速度场可知,列车与巷壁环隙流段速度最大,列车上部均存在一个减速区,列车前端周围存在一个环形减速区;列车中前面矿车内产生的活塞风风速大于后面矿车内风速;同一辆车矿车内后下部产生的活塞风风速大于前上部风速;矿车内风速随着列车高度增加而减小。

2.2.3巷道风流迹线

图8显示了巷道风流迹线。由图8可知,矿车内部有风流灌入及流出,风流分布比较复杂，矿车上部环流、活塞风效应非常明显,矿井风流在矿车头部前方开始绕流,矿车及其前后存在一个明显的活塞环。

图8　风流迹线

3　结　论

(1)在列车行驶前方距列车头部一定距离范围巷道内，风流存在一个增压减速区,此区内压力随着距列车头部距离的增大而减小,风速随着距列车头部距离的增大而增大；面积随着距列车头部距离的增大而增大,直至等于巷道截面积。

(2)在列车行驶后方先后存在一个减压增速区、增压减速区,减压增速区内压力随着距列车距离

的增大而增大；风速随着距列车距离的增大而减小。增压减速区内压力随着距列车距离的增大先后存在一个增压和减压区;风速随着距列车距离的增大而减小。

(3)列车中前面矿车内产生的活塞风风速大于后面矿车内风速;同一辆矿车内尾部产生的活塞风风速大于头部风速,矿车内风速随着列车高度增加而减小,矿车底部、尾部活塞风效应最强;矿车与巷壁间环隙流段速度最大,列车上部均存在一个减速区,列车前端周围存在一个环形减速区。

(4)随着距巷道底板距离的增加，列车头部增压减速区压力和影响范围越来越小，风速越来越大；列车尾部减压增速区和增压减速区风速和影响范围越来越小,两区之间(压力)间隔越来越大。

(5)矿井风流在矿车头部前方开始绕流,矿车及其前后存在一个明显的活塞环。

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(编辑荀海鑫)

Research on numerical simulation on mine piston wind effect

PENG Yun

(Changsha Design &Research Institute of Chemical Industry Ministry,Changsha 410116,China)

This paper is devoted to studying the influence of piston wind on the mine ventilation system.The study uses Fluent mobile reference grid to develop numerical analytical model and analyzes the impact of mine piston wind due to the electric locomotive tow harvesters moving in the mine tunnel.The results shows that in front of the trains there occurs a booster deceleration zone where the greater distance means the smaller pressure and the greater wind speed;behind trains are the decompression growth area and booster deceleration area,in both of which the wind velocity decreases with increasing distance;the decompression growth area involves pressure increasing with increasing distance and booster deceleration area is associated with pressure accompanied by both pressurization and decompression zone due to increasing distance one after another;before and behind the trains are wind speed and pressure affecting the area(cross section) which increases with longer distance;in the front portion of trains is the larger speed of piston wind;and the tail and bottom of harvesters are subjected to the strong impact of piston wind.

piston wind;wind pressure increase and wind speed decrease region;wind pressure decrease and wind speed increase region;influence scope;wind trace

2015-03-13

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。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.02.006

TD721

2095-7262(2015)02-0143-05

A