矿井运输巷道内活塞风流的数值模拟

李立峰夏 辉

（1.山东工商学院，山东 烟台 264005；2.烟台市环保工程咨询设计院，山东 烟台 264000）

矿井运输巷道内活塞风流的数值模拟

李立峰1夏 辉2

（1.山东工商学院，山东 烟台 264005；2.烟台市环保工程咨询设计院，山东 烟台 264000）

为了全面深入地了解矿井活塞风，采用FLUENT建立运数值分析模型，得出在运输设备不同运动状态下巷道内的速度场与压力场变化，分析研究活塞风流对矿井通风系统稳定性的影响作用。研究结果对保持通风系统的稳定性，保证矿井安全生产具有参考意义。

活塞风；风流状态；数值模拟；通风系统

随着矿井生产能力和矿井机械化程度的提高，矿井运输和提升设备工作时导致的活塞风问题愈加突出。井下活塞风会对矿井通风系统的稳定性造成扰动，而其变化没有规律，且是经常性的。所以，要加强对矿井活塞风的控制，确保矿井通风系统的稳定性［1］。

1 活塞风流的数值模拟

中段运输是矿山一项经常性工作，且速度较大。由此产生的活塞风对该中段区域的矿井通风稳定性影响很大。此时处于运输巷道内的矿内大气湍流流动是一个复杂的三维流动体系，以该体系作为模拟对象，采用FLU⁃ENT软件对其速度场、压力场等进行模拟［2，3］。

1.1 模型几何及网格划分

在运输设备在巷道内产生活塞风的实际情况的基础上，为了方便计算和分析，将运输巷道简化，取巷道断面为矩形，其尺寸为50m×3.2m×3m；运输设备尺寸为8m× 2m×2m，模型的计算域为巷道内气流空间，如图1所示。采用GAMBIT软件来构建矿井活塞风模拟的几何模型［4］，见图2。为了详细了解细小部位的风流，对局部网格进行加密，网格单元尺寸为0.1m，共得到402 820个体积单元。

图1 建立巷道模型图

图2 模型网格划分结果

1.2 模型边界与计算方法

模型边界出入口采用系统中的风流出入口，入口风速设定为2m/s，假设风速均匀分布，以巷道壁面作为固定边界。出口类型为充分发展流，即outflow。求解流速和压力耦合时采用SIMPLEC算法；接口黏度系数与密度按照相邻节点的算术平均值计算；采用标准k-ξ湍流模型NS时均方程；压力场采用标准离散方式，其他采用二阶迎风格式离散［5］。

2 模拟结果分析

经过FLUENT解算，得到中段运输时产生的活塞风的流场及速度分布［6，7］。为了便于分析活塞风效应，对以下3种情况的活塞风气流进行了三维模拟：运输设备速度分别为0、8、-8m/s时产生的活塞风，其中0风速的数据用于对比。为了便于分析巷道内各部分的风流状态，将其划分为多个子平面，即：平行于巷道底面的Z=0、1.0、1.9、2.8m子平面；垂直于中轴线的X=-4、0、4、8m子平面；平行于侧壁的Y=0、0.4、0.8、1.2m子平面。

2.1 v=0m/s时各子平面速度分布

其速度流场如图3、4、5所示。分析可得，对巷道风流来说，静止的运输设备就是一个正面障碍物，当巷道风流逐渐接近时，在运输设备的正前方有一个加压减速区；在运输设备与巷道之间的环状空间内，由于风流通过截面的缩小，风流速度急剧增大。绕过运输设备后，再次出现加压减速区，并在运输设备的后部出现小速度尾流，并有反向的回流形成漩涡。

图3 速度v=0m/s时平行于地面的子平面上速度场云图

图4 速度v=0m/s时平行于侧壁的子平面上速度场云图

图5 速度v=0m/s时垂直于底面的子平面上速度场云图

2.2 v=-8m/s时各子平面速度分布

运输设备以速度-8m/s运行，与原风流方向相反。巷道内风流分布具体见图6、7、8。

图6 速度v=-8m/s时平行于底面的子平面上速度场云图

图7 速度v=-8m/s时平行于侧壁的子平面上速度场云图

图8 速度v=-8m/s时垂直于底面的子平面上速度场云图

从图6、7、8中可以看出，原本分布均匀的风流速度流场在逐渐靠近运输设备时，风流分布变得不规则，随着距离的缩小，平行于底面的子平面上风流速度出现一个条带状低速区。由于运输设备的阻碍作用，在运输设备的正前方，有一个该方向速度为0的分界面，为保持流体的连续性，风流在另外2个方向流动。在巷道与运输设备间形成的环状空间内，风流速度出现局部急剧增大的现象，在运输设备的前方上角部位出现风速最大值。绕过运输设备后，由于边界层分离，各种漩涡发展充分，风流速度减小。

2.3 v=8m/s时各子平面速度分布

运输设备以速度8m/s运行，与原风流方向一致。巷道内风流分布具体见图9、10、11。

图9 速度v=8m/s时平行于底面的子平面上速度场云图

图10 速度v=8m/s时平行于侧壁的子平面上速度场云图

图11 速度v=8m/s时垂直于底面的子平面上速度场云图

由于速度一致，此时对于巷道内风流来说，运输设备已经不作为障碍物存在。从图9、10、11中可得出：在风流的入口段，风流流场结构较为简单，基本接近均匀分布。由于运输设备运行产生的速度流场作用，在运输设备前后出现风流高速区，在环状空间内的风流速度反而出现了速度降低的情况。平行于底面的子平面上，运输设备前方，风流速度较高，在运输设备通过后，速度迅速下降。垂直于底面的子平面上，在运输设备后方临近处出现风流高速区，在运输设备后方的中间区域出现最大速度。

为分析运输设备不同运动状态情况下巷道内沿程速度分布与压力分布的详细情况，选取巷道底板中轴线上方Z=2.1m处的沿程速度与压力分布曲线，如图12、13所示。

从图12、13中可以看出：运输设备在巷道风流相向运行时，运输设备前端会有一个高压带，冲击巷道原有的速度场；而在环形区域内速度场将剧烈震荡，在接近运输设备时速度达到最大值，随之锐减，复又增加，至设备末端；其总体速度也高于其他2种情况；在相向运行时，沿程压力变化不大，未出现明显的震荡情况。

3 结论

当活塞风方向与矿井通风系统的风流方向相同时，对矿井通风是有利的；当活塞风方向与矿井通风系统的风流方向相反时，通风区域内风量会随之减少，减少的幅度随活塞风的大小变化，甚至可能出现局部时段的反风。从通风系统稳定性的角度来看，这是对原通风状态的扰动，巷道断面上的风流速度会随之发生很大变化，是不希望发生的。因此，在确定和测定矿井通风风流的风量时和通风网络构建过程中，要考虑活塞风的存在，必要时对矿井活塞风进行有效控制。

图12 巷道沿程速度分布曲线图

图13 巷道沿程压力分布曲线图

［1］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，2007（3）：1-4．

［2］钟汉枢，李卫民，徐建闽.单向交通隧道通风控制模式研究［J］.现代隧道技术，2005（2）：76-80．

［3］郑雪红，刘传聚，洪丽娟，等.地铁区间隧道事故通风数值模拟研究［J］.都市快轨交通，2005（2）：67-72．

［4］徐元利，徐元春，梁兴，等.FLUENT软件在圆柱绕流模拟中的应用［J］.水利电力机械，2005（1）：39-40．

［5］丰存礼，刘成，张敏华.商业软件Gambit和FLUENT在化工中的应用［J］.计算机与应用化学，2005（3）：231-234．

［6］G Evola，V Popvo.Computational Analysis of Wind Driven Natural Ventilation in Buildings［J］.Energy and Buildings，2006（5）：491-501．

［7］王从陆，吴超.矿井通风及其系统可靠性［M］.化学工业出版社，2007：330-342．

Numerical Simulation of Piston Wind on the Ventilation of Mining Tunnels

Li lifeng1Xia hui2
（1.Shandong Technology and Business University，Yantai Shandong 264005；2.Yantai Insftitue of Comsfultation and Design of Environmental Protection Engineering，Yantai Shandong 264000）

In order to comprehensively and deeply understand the coal mine piston wind,a numerical analysis model was established by using FLUENT,the change of velocity field and pressure field in the tunnel under different move⁃ment conditions was obtained,and the influence of the piston air flow on the stability of mine ventilation system was analyzed.The research results have reference value for keeping the stability of the ventilation system and ensuring the safe production of the mine.

piston wind；airflow state；numerical simulation；ventilation system

TD724

A

1003-5168(2016)09-0111-03

2016-09-01

2013年度山东工商学院青年基金项目（2013QN002）。

李立峰（1987-），女，硕士，讲师，研究方向：安全管理、安全评价；夏辉（1985-），男，硕士，中级工程师，研究方向：环境评价、城镇排水与污水处理、工业污染防治。