出口压力对煤矿主风机风门温度场的影响

宋胜伟，杨 志，陈国辉，赵淑莹

(1．黑龙江科技大学 机械工程学院，哈尔滨150022；2．黑龙江科技大学 理学院，哈尔滨150022)

出口压力对煤矿主风机风门温度场的影响

宋胜伟1，杨 志1，陈国辉1，赵淑莹2

(1．黑龙江科技大学 机械工程学院，哈尔滨150022；2．黑龙江科技大学 理学院，哈尔滨150022)

为探究出口压力对煤矿主风机风门温度场的影响，通过实验测定某煤矿主风机风道内某点温度值与各通风口初始值，利用流体动力学分析软件Fluent模拟出口不同压力下分支风道多场耦合传热特性。结果表明：实验与仿真结果两者变化趋势保持一致，最大误差为8.9%；出口压力对风门温度影响显著，当出口压力较小时，风门低温区域只发生在风门上半部分，且多集中上中部分，整个风门温度场分布呈非对称特征；随着压力的增加，低温域以逆时针特点向风门左半部分扩散，在风门左下半部分尤为明显；高温区域一般集中在风门边缘处。该研究为防治煤矿主风机的风门低温冻害提供参考依据。

煤矿主风机; 温度场；出口压力；传热；风机的风门

风门作为煤矿主通风系统的重要设备，掌控着风量的大小与方向，然而寒区的煤矿常常因为其风道内湿空气相变结霜使得风门无法正常开闭，严重影响矿井安全生产[1]。为此，宋胜伟[2-3]以风门湿度为目标因子，研究风道不同结构对其影响和风道内流场特性。魏亚兴[4]给出了通风热交换规律，但并没有考虑相变放热最终点温度的影响。此外，针对煤矿风道传热，国内其他学者也进行了大量的研究[5-8]，但未涉及出口压力对主风机的风门温度场影响的研究。国外学者在传热方面虽进行了相关研究，但都是针对压入式短小风道的结霜，而对煤矿抽出式通风的大径风道传热研究相对较少[9-12]。因此，笔者分析出口压力对煤矿主风机的风门温度场影响，以期为防治风门低温冻害提供科学的参考。

1 参数的测定

由于煤矿主风机的风门所处位置与形状的特殊性，无法直接测量其表面温度值，文中利用七台河某煤矿主通风风道，测点布置如图1所示。

图1 煤矿主通风分支风道Fig.1 Main ventilation branch pipeline of coal mine

所测数据为数值模拟提供了可靠的压力p与温度T初始值。根据自动检测仪器显示，在调节过程中，测量了出口处温度值为12 ℃，同时检测到五组出口压力值与相应风门3号测点处的温度值，具体值见表1。

表1 不同出口压力下泄露入口处温度值Table 1 Temperature at 50 cm in front of ventilation door under different outlet pressure

2 计算模型与边界条件

2.1 计算模型

图1 给出了煤矿主风机的分支风道结构包括入口直管段L1，斜管段L2和出口直管段L3，其长度分别为10、18、12 m，两分支风道夹角γ为60°，风道为等直径圆柱，直径d0为3.4 m，壁厚δ为0.06 m，风门厚度为0.36 m。风道材料由混凝土和铁制圆柱管构成，根据多层圆筒壁热阻理论，计算其风道总传热系数为1.26 W/(m·k)，风门材料为45#钢，其传热系数为49.5 W/(m·k)。采用三维建模软件Pro/E软件对主通风风道建立实体模型，在前处理软件Gambit中采用体网格对几何模型划分，经过多次迭代计算，最终确定网格总数为679 546个。

2.2 边界条件

通风系统风道内气体流速与温度较低，忽略辐射传热对热量交换的影响。风道内湍流流动模型选择标准k-ξ两方程模拟。主入口设为压力入口，出口设置为压力出口，出口处初始压力大小为-2 300 Pa，由于抽出式通风的特点，应为负值。实验测定等效泄露宽度为100 mm，泄露入口压力值为800 Pa，通过调节风机功率，测量了主入口压力值为2 400 Pa,温度值为14 ℃，主入口与出口水力直径为3 400 mm。

为了揭示风门与风道内温度场分布规律，必须先弄清两分支风道内微观流体流动特征，为此先对风道流体进行研究：风道内流体流动状态(层流还是湍流)进行理论分析与计算，当雷诺数大于临界值Recr(实际工程计算中圆管牛顿流体流动通常取为2 320)视为湍流，反之则为层流。雷诺数Re表示为

(1)

式中:ρ——流体的密度，kg/m3；

v——风道中流体平均速度，m/s；

dH——风道有效水力直径，m；

μ——流体的动力黏度，Pa·s。

风道的有效水力直径为自身的内径，文章中考虑了泄漏情况，此时的泄露入口水力直径为其风道两圆环半径之差

dH=r1-r2，

(2)

式中:r1——风道外环半径，m；

r2——风道内环半径，m。

依据实验所测数据，经计算Re=666 340>Recr=2 320，即风道内气流流动为湍流状态。

风道中湍流强度I为

I=0.16×Re(-1/8)。

(3)

经计算压力出口湍流强度为3%，泄露入口水力直径为100 mm，泄露入口湍流强度为5%。壁面边界条件取无滑移项。

3 计算方法与模型可行性

3.1 计算方法

由于井下气体为高温度湿空气，在抽出过程中遇到地面风道内冷空气发生相变放热，这部分热量将对风门温度场的分布产生影响，予以考虑。相变过程焓微分方程为

(4)

潜热释放是相变过程中不同于一般导热问题的一个显著特点，由于释放热量，傅里叶定律变成了具有内热源的温度场。其方程有

(5)

式中:c——比热容，J/kg·K;

λ——导热率，J/(m·h·℃);

L——潜热，J/kg;

fs——固相率，也可以表示潜热释放;

t——时间，s;

x、y、z——三维坐标，m。

整理式(4)、(5)得

(6)

相变问题实际上可以作为非线性瞬态热分析处理，计算过程中，可以通过定义材料的焓随温度变化来考虑潜热的数值[13-16]。文中选择计算流体动力学分析软件Fluent，选择基于压力基，非稳态传热模块，通过Mixture模型与解释型相变程序完成对风门温度场的研究，其迭代步为10 000步，时间间隔为25 s。

3.2 可行性分析

给定实验所测得出口压力值，对分支风道进行仿真，提取2号测点风门前50 cm处温度值，并与实验所测结果对比分析，如图2所示，随着出口压力的增大，风门前50 cm处温度降低，与实验时所测相应值对比，二者变化趋势保持一致，最大误差8.9%，证明模型可行。

图2 实验与仿真对比Fig.2 Experiment and simulation comparison

4 结果分析

4.1 低温区域占比

将低于零度的温度定义为低温。图3给出了不同出口压力下，风门低温区域的变化规律，为了直观地表达风门低温区域在整个风门中的比重，图3中以低温区域占比为纵坐标。从图3中可以看出，随着出口压力的增大，低温域占比η显著增加，在当出口压力为-2 350 Pa时，风门一半以上区域处于低温状态。

图3 压力对低温区域的影响Fig.3 Influence of outlet pressure on low temperature region

4.2 低温区域位置

为了表达出风门低温域的位置，将风门看成以风门中心为圆心，半径为1 650 mm的圆。将逆时针方向定义为从小到大的方向，即低温区域右边界切线与原点夹角为α小角，左边界切线与原点夹角β为大角。图4给出了不同压力下角度φ的变化曲线，曲线表明：当压力较小时，低温只发生在风门上半部分，随着出口压力的增加，低温区域边界夹角逐渐增大，并且区域左边界以逆时针方向扩展，当压力值达到-2 300 Pa时，夹角差为360°，即在每一个象限内都存在低温区域。

图4 出口压力对低温边界夹角的影响Fig.4 Influence of outlet pressure on included angle of low temperature boundary

图5 给出了低温边界与原点之间的距离(近距离dj、远距离dy)变化曲线，为了表达更为清楚，从象限的角度考虑，将风门上半部分定义为正值，下半部分为负值，正负仅代表其位置，不表示大小。对比图5可知当压力较小时，低温域只发生在风门上半部分，而随着压力的增大，逐渐向风门左半部分边缘扩散，特别是风门左下半部分尤为显著，这是由于风道中的气体湍流影响所至。

a 最近距离

b 最远距离

4.3 沿风门竖直中心线温度

图6给出了出口不同压力下，风门沿竖直中心线温度变化规律，其中横纵坐标交点为风门中心点，横坐标从左至右对应为风门顶端沿竖直中心线到低端，横坐标以下数值为负温，以上的数值为正值。从图中可知，高温多集中在风门上下边缘处，且下半部分风门整体温度高于上半部分。而低温区域主要分布在风门偏上部分，且随着出口压力的增加，范围逐渐扩大。整个风门沿竖直中心线温度的变化趋势近似呈开口向上的抛物线特点。

图6 出口压力对风门竖直中心线温度的影响Fig.6 Influence of outlet pressure on temperature of vertical center line

4.4 沿风门水平中心线温度

同4.3小节，规定横坐标为风门水平中心线，左右方向一致。从图7中可知，压力较小时，沿风门水平中心线无负温值，当压力值为-2 300 Pa时，水平中心线偏向风门右半部分出现小区域负温值，最低为-13 ℃。而随着压力值进一步增大，负温逐渐向左移动，即风门左半部分整体温度低于右半部分温度，如图7左下角曲线。

图7 出口压力对风门水平中心线温度的影响Fig.7 Influence of outlet pressure on temperature of level center line

5 结 论

(1)仿真结果与实验结果对比分析表明，基于有限元计算主风机的风门温度的方法可行；对出口不同压力下，风门低温区域、低温位置、数值中心线温度与水平中心线的温度研究结果表明，出口压力对风门温度影响显著，当出口压力较小时，风门低温区域只发生在风门上半部分，且多集中上中部分，整个风门温度场分布呈非对称特征;

(2)随着压力的增加，低温域以逆时针特点向风门左半部分扩散，在风门左下半部分尤为明显；高温区域一般集中在风门边缘处。

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(编校 李德根)

Influence of outlet pressure on temperature field of ventilation door of main fan in coal mines

SongShengwei1，YangZhi1，ChenGuohui1，ZhaoShuying2

(1.School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022,China;2.School of Sciences,Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022,China)

This paper is aimed at exploring the influence of outlet pressure on the temperature field of ventilation door of main fan in coal mine.The study measures the temperature of some point in air duct and the initial value in coal mine through experiment and simulates branch duct multi-field coupled heat transfer under different outlet pressure using the fluid dynamics analysis software Fluent.The work shows that the experiment and simulation results have a consistent change trend,with a maximum error of 8.9%.The research on low temperature region,low temperature position,numerical centerline temperature,and horizontal centerline temperature under different outlet pressure shows that outlet pressure has significant influence on ventilation door temperature; in the case of the small outlet pressure,the low temperature region occurs only on upper part of ventilation door,and mostly in middle part and the temperature field distribution has asymmetric characteristics; the increased pressure allows low temperature region to diffuse to the left half,particularly to the lower left half of ventilation door; and the high temperature region is generally concentrated in the edge of ventilation door.The study could provide some references for prevention and control freeze damages of ventilation door of main fan in coal mine.

main fan in cool mines; temperature field; outlet pressure; conduct heat; ventilation door

2017-01-20

黑龙江省自然科学基金项目(E2016064)；黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12541726)

宋胜伟(1968-)，男，黑龙江省桦南人，教授，硕士，研究方向：现代机械设计及理论，E-mail:song8045676@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.02.010

TD712.7

2095-7262(2017)02-0144-05

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