突扩巷道流场风流分布特征的PIV实验研究*

宋　莹，王　东，郭　欣，杨　率，陈章良，史俊伟

(1.山东工商学院 管理科学与工程学院，山东 烟台 264005；2.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 葫芦岛 125105；3.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁 葫芦岛 125105)

0　引言

风流沿井巷的流动多为湍流运动，风流质点瞬时速度随时间不断产生随机变化，想要实现风流速度的精确测量绝非易事。而矿井风流是热量、粉尘、瓦斯的载体，研究风速分布对于以风流场为基础的巷道瓦斯、火灾气体、粉尘运移规律，温度、湿度分布及传热传质过程规律具有重要意义。目前对于矿井巷道风流分布规律的研究文献仍然较少，并且相关研究多集中在利用数值模拟[1-5]和传统接触性实验测试手段[4-7]。由于数值模拟软件处理多采用对N-S方程的简化模型，模拟结果与实际流场流动必然存在偏差，且采用实验手段进行测试也集中在利用热敏风速仪、热线式风速计、毕托管等常规传统接触性测速工具上，其测量会对流场产生干扰。并且上述文献[1-7]均未考虑矿井风流的本质特征，忽视了湍流脉动对测风精度的影响。文献[8-9]利用非接触激光多普勒测速仪(LDA)测试得到了均直巷道和突扩巷道断面风流分布规律，但从流场测量方式来说，LDA是点测量方法，无法一次反映出流场空间结构的变化，会对研究湍流的核心问题——漩涡结构造成阻碍，而粒子图像测速仪(PIV)则突破了空间点测量的局限性，可在瞬间记录下一个平面(激光片光)内的流动信息，实现全流场的瞬态测量[10]。但是目前，在国内外矿井通风湍流研究领域，将PIV测速技术应用于矿井风流实验测试研究极少见诸文献，因此，本文利用非接触PIV测速技术对突扩巷道纵向截面风流变化进行瞬时测试，并分析速度分布规律，为后续进一步研究巷道风流流态提供理论基础和指导。

1　实验装置与测速系统

1.1　实验装置

本次实验模拟风流在平直巷道的稳定流动及突扩后的风流状态，相似比例1∶25。实验模型采用循环通风方式，主要由通风动力装置、流量计、示踪粒子布撒装置、测试段以及连接管路组成。测试段为矩形突扩巷道，为研究突扩规律，将突扩比夸大，突扩比设为1∶2，测试段总长为7.2 m，巷道突扩前断面尺寸为120 mm×100 mm(宽×高)，突扩后断面尺寸为120 mm×200 mm(宽×高)，利用透光性好，折射率低的光滑亚克力板加工制成，并采用专用的亚克力胶粘贴，系统密闭性良好。突扩巷道实验装置示意如图1所示。

图1　突扩巷道实验装置Fig.1　Experimentaldevice of the sudden enlarged roadway

1.2　测速系统

PIV是利用粒子的成像来测量流体速度的一种测速系统。其基本原理：脉冲激光器发出的激光通过片光源镜头组(由球面镜和柱面镜组成)，形成一扇形脉冲片光源，照亮流场测试区域，通常为一个很薄的面(1～2 mm)。在一定的跨帧时间Δt内，用位于激光面垂直方向的PIV专用跨帧CCD相机记录下测试区域中前后2帧流场示踪粒子图像，然后将数字化的图像送入计算机系统，利用自相关或互相关原理对图像进行矩阵处理，得到流场中各点的速度信息[10-11]。

PIV系统由Dantec公司提供，激光光源采用Dual Power 135-15双脉冲Nd：YAG激光器，其最大输出功率为每脉冲800 mJ，脉冲激光波长为532 nm(绿光)，脉冲持续时间为4 ns，且脉冲间隔可调，激光器光路产生的片光源从实验模型中心上方垂直入射。配置的专用跨帧CCD相机为Nikon公司生产，分辨率达2 048 pixel× 2 048 pixel，并配备532 nm的滤光镜，CCD相机轴线垂直于激光平面拍摄。并采用FlowManager软件对图像进行自相关和互相关算法处理。

2　突扩巷道流场实验测试

2.1　实验测试区域

如图2所示，实验选择了巷道突扩界面前后的测量区域。由于CCD相机有最大可观测范围的限制，调整相机焦距以及片光源的高度，PIV测速技术无法一次完成突扩前后纵向截面速度场信息采集，故实验采取分段测试。

图2　实验测试区域Fig.2　Experimental test area

2.2　实验参数设置

本实验在平均风速分别为2.5 m/s(Re=1.9×104)和4 m/s(Re=3.0×104)2种通风风速下对突扩巷道风流进行测试，实验巷道内风流速度场雷诺数均大于4 000，风流流动状态已呈湍流态，满足了雷诺相似准则，保证与实际井下巷道内的风流流动状态具有动力相似性。

实验所用的专业跨帧CCD相机图像分辨率大小为100 μm/pixel，判读区像素为32×32，即：3.2 mm×3.2 mm。光扩散剂示踪粒子[12]由粒子发生器发出，经过整流格栅均匀进入实验测试区域。CCD相机的拍摄频率设为5 Hz，即每0.2 s拍摄2帧图像，实验在每个通风工况下拍摄200组瞬时二维速度场。跨帧时间Δt的设定对于PIV测量结果具有重要影响，由下式(1)计算，当平均风速为2.5 m/s时，跨帧时间Δt为：

(1)

同理，当平均风速为4 m/s，跨帧时间Δt≈200 μs，并通过在实验中的反复测试，确定适合的跨帧时间分别为320 μs和200 μs。

3　突扩巷道流场风流分布特征分析

3.1　瞬态流场分布

图3为平均风速为2.5 m/s时，突扩巷道风流场在某一时刻的瞬态速度流线与云图。可见风流经突扩巷道后，流场发生了强烈变化，在突扩段后上下隅角形成多个大小不一的漩涡区，漩涡区内风流方向也极不规则，各向均有分布，且随时间不断发生变化，各时刻流场速度分布并没有表现出一致性，变化十分剧烈，速度流线呈现出“杂乱无章”的分布状态。这也进一步说明了PIV测试技术较传统的测试仪器更能够清晰获得复杂流场的瞬态实时速度信息。

图3　突扩巷道风流场在某一时刻的瞬时速度流线与云图Fig.3　Instantaneous velocitystreamline and cloud maps of the wind flow field in the sudden enlarged roadway at a certain moment

3.2　时均流场分布

将实验获得的200组瞬态速度统计平均处理后，得到突扩巷道风流场时均速度流线与云图分布如图4所示。从图4可以看出，应用PIV测量技术可以得到流场空间结构变化，清晰地看到经过突变界面前后风流速度的变化情况。风流在突扩前的平直巷道，速度流线基本呈平滑直线，在突扩段后上下隅角形成回流漩涡区，上隅角回流区较小，回流区长度约在距离突扩界面250 mm处；在下隅角形成了一个狭长且贴近巷道壁面的大回流区域，回流区长度约在距离突扩界面550 mm处，突扩上下隅角形成的回流区并没有表现出对称性。整个回流区内的风流速度值很小，风速均值在-0.6～0.6 m/s之间波动，与主流风速相比，涡流区内风速较低，并且在涡流区域内风流方向极不规则，各向均有分布，表明在煤矿井下测风时可以有条件地忽略涡流区，因为涡流区测风方向极不稳定，而且风速很低。由于涡流区速度明显低于主流风速，在上下隅角区域容易造成有毒有害气体和粉尘积聚，且不易排出，煤矿井下应加大对隅角区域的通风管理工作。

图4　突扩巷道风流场时均速度流线与云图Fig.4　Mean velocity streamline and cloud maps of the windflow field in the sudden enlarged roadway at a certain moment

突扩巷道风流时均速度场与瞬时速度场对比发现，瞬态流场随时间的变化而不断变化，而时均流场中有稳定、规则的漩涡回流。为进一步清晰表达突扩巷道风流场的结构特点，以平均风速为2.5 m/s为例分析流场速度分布特征，图5为沿风流方向x轴上12个特征位置处风流时均速度v分布规律曲线。由图5可见，风流在突扩界面前的平直巷道断面风速分布呈现出中间区域风速较大，越靠近巷道边壁风速越小的趋势。经过突变界面后，风流发生剧烈变化，在突扩上下隅角出现负值风速，表明此位置产生了与主流风速方向相反的流速，存在回流漩涡区，且回流区内的风速值相对于主流风速很小。从纵向速度分布趋势来看，突扩上隅角风速负值约在x=400 mm处结束，即表明上隅角回流区的长度约距离突扩界面250 mm；突扩下隅角风速负值约在x=700 mm处结束，即表明下隅角回流区的长度约距离突扩界面550 mm，突扩上下隅角涡流呈现上小下大的不对称分布。突扩界面前断面中心风速约在3 m/s左右，风流经突扩界面后，能量逐渐耗散和衰减，断面中心风速值减至2 m/s左右。风流经突扩界面后，在距离突扩界面约150 mm区域内风速依然呈现对称分布，随后风流呈现上扬趋势，受突扩段上下隅角区域大涡湍流脉动影响，峰值拐点发生了震荡性偏移。当下隅角回流结束后，由x=800 mm和x=900 mm处风速分布可见，峰值拐点渐渐下移至断面中心位置，断面风流将逐渐呈现对称分布趋势。由于上下隅角涡流的存在，回流区内的断面风速呈现出“Ω”型分布趋势。

3.3　突扩巷道流场实验分析

突扩巷道PIV实验发现，突扩后巷道流场风流状态十分复杂，在突扩隅角区域出现了非对称的涡流漩涡区。流体经过突扩断面后，通常存在2种流动，即对称流动和非对称流动[13]。Durst F和MellingA[14]等通过实验发现雷诺数Re=56时，突扩流动对称的结论。李占松和朱士江[13]利用数值模拟方法得到了不同雷诺数下突扩流动分布状态，并与Durst F[14]等的实验结果进行对比分析，得出了当Re=10时，流动对称；Re=56时流动基本对称；Re=114时流动明显偏转的结论，且认为流体经突扩界面后，主流发生向左或向右偏转是随机的，并且由于数值计算迭代的方向不同会导致主流偏转的方向不同，产生非对称流动现象，这与文献[15]的数值模拟结果吻合。对于突扩管道出现的非对称流动状态，经过一段充分发展的距离，会逐步趋于对称。并且涡流区的形状随突扩比(小断面与大断面的面积比)不同而变化，当突扩前小断面的面积较小，即突扩比较大时，可能造成不对称的涡流区[16]。而在本文实验测试条件中，突扩巷道风流雷诺数达到了104，巷道突扩比为1∶2，实验测试结果出现了突扩流动偏转现象，与上述文献实验[13-16]及数值模拟研究结果具有一致性。

本实验在较为理想状态(巷道光滑)下风流的分布特征都如此复杂，而实际井下巷道表面粗糙，对风流的干扰更加剧烈，风流分布特征必将更为复杂多变，而基于本次实验模型的PIV测试结果可为实际矿井中复杂的风流湍流流动研究奠定实验理论基础。

4　结论

1)PIV技术可以清晰地获得突扩巷道全流场信息，瞬态风流分布“瞬息万变”，时均流场中突扩前平直巷道速度流线基本呈平滑直线，突扩后上下隅角存在回流大涡区，呈现出不对称分布，并且涡流区测风方向极不稳定，而且风速很低，风速平均值大约在-0.6 m/s～0.6 m/s之间波动，表明在煤矿井下测风时可以有条件地忽略涡流区。

2)突扩断面纵对称轴风速分布表明，突扩界面前的平直巷道断面内风流呈对称分布，风流经突扩界面后，上下隅角区域风流速度出现负值，表明此位置区域存在回流。受突扩段上下隅角区域大涡湍流脉动以及矩形管道湍流二次流的影响，风流在距离突扩界面150 mm处开始呈现上扬趋势，突扩断面纵对称轴上风速分布峰值拐点发生了震荡性偏移，当下隅角回流区结束后，风速分布峰值拐点渐渐下移并逐渐呈现对称趋势，回流区内断面风速整体呈现出“Ω”型分布形式。

3)非接触PIV测速技术能够实现流场速度瞬态测量，更加精准地测试巷道流场风流的湍流特性，并反映出突扩巷道流场回流漩涡结构分布特征。

[1]高建良,王春霞,徐昆伦.贯通巷道风流流场数值模拟若干关键问题研究[J].中国安全科学学报,2009, 19(8): 21-27.

GAO Jianliang, WANG Chunxia, XU Kunlun.Research ofseveral key problems in numerical simulation of flow field of perforation airway[J].China Safety Science Journal, 2009, 19(8): 21-27.

[2]郝元伟,陈开岩,蒋中承,等.基于CFD模拟的巷道风速监测值修正处理[J].煤矿安全,2011,42(2):1-3.

HAO Yuanwei, CHEN Kaiyan, JIANG Zhongcheng, et al. Study on amendment of airflow velocity in roadway based on CFD[J].Safety in Coal Mines,2011,42(2):1-3.

[3]鹿广利,张梦寒,樊聪奇.基于CFD的定点风速测定法的分析[J].煤炭技术,2015,34(5):156-157.

LU Guangli, ZHANG Menghan, FAN Congqi. Analysis of fixed-point wind speed measurement method based on CFD [J]. Coal Technology,2015,34(5):156-157.

[4]王丙建.支护结构与输送机布设巷道断面风速分布特征的风洞试验和数值模拟研究[D].山西:太原理工大学,2013.

[5] 丁翠,何学秋,聂百胜.矿井通风巷道风流分布“关键环”数值与实验研究[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2015,34(10):1131-1136.

DING Cui, HE Xueqiu, NIE Baisheng. Numerical and experimental research on “key ring” distribution of ventilation in mine tunnels[J].Journal of Liaoning TechnicalUniversity(Natural Science),2015,34(10):1131-1136.

[6]Luo, Y., Zhao, Y., Wang, Y., Chi, M., Tang, H., Wang, S. Distributions ofairflow in four rectangular section roadways with different supporting methods inunderground coal mines. Tunnelling and Underground Space Technology,2015,46,85-93.

[7] 陈波,卓维海,孙全富,等.矿山巷道断面的风速分布与通风量估算[J].中华放射医学与防护杂志,2008, 28(6): 579-581.

CHEN Bo, ZHOU Weihai, SUN Quanfu, et al. Distribution of wind velocities and the ventilation estimation in a cross section of mine lane [J].Chinese Journal of Radiological Medicine and Protection,2008, 28(6):579-581.

[8]刘剑,宋莹,刘明浩,等.基于LDA的均直巷道断面风速分布规律实验研究[J].中国安全生产科学技术,2015,11(12):78-84.

LIU Jian, SONG Ying, LIU Minghao, et al. Experimental study on distribution laws of wind velocity in straight roadway section based on LDA[J]. Journal of Safety Science and Technology,2015,11(12):78-84.

[9]刘剑,宋莹,李雪冰,等.基于LDA的均直巷道断面突扩风速分布规律实验研究[J].煤炭学报,2016,41 (4):892-898.

LIU Jian, SONG Ying, LI Xuebing, et al. Experimental study on wind speed distribution of the straight roadway and sudden enlarged sections based on LDA[J].Journal of China Coal Society,2016,41(4):892-898.

[10] 吴嘉.流速测量方法综述及仪器的最新进展[J].计测技术,2005,25(6):1-4.

WU Jia. Review of flow velocity measurement techniques and the new developments of instrument [J]. Metrology & Measurement Technology,2005,25(6):1-4.

[11] 杨敏官.流体机械内部流动测量技术[M].北京:机械工业出版社,2011:131-138.

[12] 刘剑,李雪冰,白崇国,等.管道风流PIV实验中示踪粒子特性[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2016,35(10):1057-1062.

LIU Jian,LI Xuebing,BAI Chongguo, et al. Characteristics of tracer particles used in PIV experiment of pipeflow[J].Journal of Liaoning Technical University (Natural Science),2016,35(10):1057-1062.

[13]朱士江,李占松.突扩流动主流偏转特性数值模拟研究[J].水科学进展,2009,20(2):249-254.

ZHU Shijiang, LI Zhansong. Numerical simulation for deflexion features of sudden expansion laminar in main flow [J].Advances in Water Science,2009,20(2):249-254.

[14]DURSTF, MELLINGA, WHITE JH, et al. Low Reynolds number flow over a plane symmetric sudden espansion [J].FluidMech,1974,64:111-128.

[15] WANG Liaosha, JIANG Junfeng, HONG Ruoyu, et al. Transition to asymmetry of non-Newtonian fluids:in an abrupt expansion[J]. Computersand Applied Chemistry,2008,25(12):1473-1476.

[16]周爱平.过流截面突然扩大和突然缩小时局部阻力的测量与分析[J].焦作工学院学报(自然科学版),2000,19(1):45-49.

ZHOU Aiping. Measurement and analysis of local resistance on flow section expanded and narrowed suddenly[J].Journal of Jiaozuo Institute of Technology (Natural Science),2000,19(1):45-49.