掘进工作面附壁射流紊动特性的LDA实验

刘 剑,李雪冰,邓立军,蒋清华,尹昌盛,高 伦

(1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000; 2.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁 阜新 123000; 3.新疆工程学院 安全工程系，新疆乌鲁木齐 830000)

掘进工作面附壁射流紊动特性的LDA实验

刘 剑1,2,李雪冰1,2,邓立军1,2,蒋清华1,尹昌盛1,高 伦3

(1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000; 2.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁 阜新 123000; 3.新疆工程学院 安全工程系，新疆乌鲁木齐 830000)

掘进工作面附壁射流具有置换和掺混双重作用，体现为流场的时均和紊动特性。射流的紊动在瓦斯粉尘的迁移扩散中起着关键性作用，如工作面粉尘的悬浮运动完全靠风流的紊动得以维持。由于紊动本身的复杂性以及实验设备的限制，以往对独头巷附壁射流的研究一般停留在时均量上，对紊动量的认识还不够深入。为此，采用三维激光多普勒测速仪，在独头巷射流通风实验模型内，对三维脉动风速进行了测量。根据紊流统计理论，分析得到了风流的各向紊动强度，并对紊动强度的分布规律和量级进行了研究。结果表明：受限条件下，由于回流存在，射流的紊动在射流区和回流区都很剧烈，3个方向的紊动强度具有量级相同和各向异性的特点。在射流剪切层内，紊动强度从射流轴线到射流边界呈先增后减趋势;在射流剪切层以外的回流区，紊动整体变化不明显，始终维持着与平均风速大小相当的强度。流场内较大的速度梯度导致流层之间剪切失稳是形成剧烈紊动的重要原因。由于紊动具有与平均风速相近的强度，在研究独头巷风流排污效率、瓦斯粉尘运移规律等问题时，无论理论分析还是数值计算，都应对运动方程中的速度脉动项给予充分重视。

掘进工作面;紊动特性;附壁射流;受限射流;激光多普勒测速

井下巷道钻爆开挖过程中广泛采用射流送风进行空气调节，射流以紊流形态由附壁风筒喷出，在流动和扩展中受到巷道周界的限制和影响，形成有限空间内的附壁射流[1]。对掘进工作面紊动射流特性的研究可以增进人们对风流传质传热现象的认识和理解，在解决工作面瓦斯、粉尘和热害等实际问题中都具有重要应用价值。早在1959年，吴中立教授便对掘进工作面内的射流通风过程进行了系统研究，他指出射流具有置换和掺混双重作用，置换作用反映了射流的时均特性，而后一作用是射流紊动扩散的结果[2]。由于受限紊动射流的复杂性和实验水平所限，近十几年的相关研究主要以数值模拟手段为主，在射流有效射程[3-5]、风速分布规律[6-9]等流动时均特性方面的研究已比较成熟，紊动射流作用下，毒害气体、粉尘及热量分布运移规律方面的研究文献也很多[10-14]，但专门针对射流紊动特性的研究却不多见。王海桥[1]定性描述了紊动对射流卷吸掺混的作用机制，但并未进行系统的定量研究。陈宝智[15]在模型实验中发现，射流影响下，工作面空间的风流紊动比一般巷道风流剧烈，这种特性使风流具有较好的掺混和质量交换作用，甚至可以将有效射程之外的烟尘稀释并排出，但实验仅获得了很少量的紊动参数，不足以反映紊动特性。李玉柱[16]利用热线风速仪研究了堵头管内轴对称射流的紊动特性，但实验模型与掘进工作面内的附壁射流存在诸多差异，参考价值十分有限。

鉴于紊动特性在独头巷射流通风中的重要性，而目前又缺少可供参考的实验资料，本文设计制作了独头巷附壁射流通风实验模型，采用激光多普勒测速仪(Laser Doppler Anemometer)对三维脉动风速进行了测量。根据紊流统计理论，计算获得了风流各向紊动强度并对其量级和分布规律进行了分析。这项工作也为受限紊动射流流场的理论分析和数值模拟研究提供了实验依据。

1 实 验

1.1 实验装置

实验装置主要由实验模型和测速系统两部分组成。测量仪器采用丹麦Dantec公司的Fiberflow型三维激光多普勒测速系统(LDA)。其测速原理是利用运动微粒散射光的多普勒频移，来获得流场的三维瞬时速度信息。如图1所示，LDA主要由激光器、分光器、激光发射接收探头、信号处理器和计算机组成。激光探头固定于三维坐标架上，发射激光并接收多普勒频移信号，该信号返回分光器，经光电转换和数据处理传至计算机存储。计算机借助坐标架控制器调整激光探头位置从而改变测量点位，最小位移精度可达0.1 mm。实验时，在流场内连续播撒具有良好跟随性的燃香烟雾做示踪粒子。整个实验过程为非接触式测量，避免了传统测速手段对流场产生干扰，测速精度可达0.1%。

图1 激光多普勒测速仪系统组成Fig.1 Sketch map of the laser doppler anemometer

实验模型如图2所示。利用一端封闭，边长l=200 mm的有机玻璃方腔模拟掘进工作面。选用矩形巷道模型可以保证激光垂直壁面入射，避免折射带来的位移误差。用内径d=40 mm厚5 mm的有机玻璃管模拟风筒，用卡扣将其稳固于巷道模型侧壁中央。考虑到工程中风筒与侧壁不能完全贴附的实际情况，在此保留10 mm间隙。风筒出口距掘进工作面400 mm，出口风速um=17.3 m/s，保证了射流雷诺数处于自模区(Re>104)。风筒与送风风机之间设燃烧室，内放燃香，风流携带燃香烟气进入实验段，作为LDA测试用示踪粒子。巷道回流侧设排风通道，污浊气体经风机排至室外。

图2 实验模型Fig.2 Sketch map of the experimental model 1—送风机;2—软接头;3—燃烧室;4—风筒;5—风筒 卡扣;6—掘进工作面;7—排风通道;8—排风机

1.2 测量方法

实验段为出射断面至掘进工作面之间的区域。由于风筒设于侧壁中央，流场结构具有上下对称的特点，在此仅取上半部分为测量对象。测量区域的流动分布具有明显的三维特征，但在整个空间区域布满测点以满足研究需求是不实际也是不必要的。已有研究表明[6-7，15]，待测区域包括前进流动、返回流动和围绕回转中心的循环流动。笔者认为，掌握以上3种流动形态的紊动参量即可窥见整个射流空间的紊动特性。基于这种考虑，实验共选择了4个典型的测量断面，如图3所示。采用直角坐标系，坐标原点设在出射断面风筒轴心。射流轴线作为x轴，射流沿横向和垂向的扩展方向分别为y，z轴。图3中，sec1为x-y截面，sec2，sec3，sec4是与射流轴线不同距离的x-z截面。在每个测量截面上，测点沿5条直线布置，第1条线与初射断面相距60 mm(1.5d)，相邻两条直线间隔60 mm，测点间距4 mm，每个测点采集2 000个瞬时速度样本。实验时根据测点当地风速和示踪粒子浓度及时调整激光电流和滤波器宽带，确保各测点风速收敛于正态分布[17]。

图3 测量断面及测点布置Fig.3 Arrangement of the measuring sections and points

2 结果及分析

根据紊流统计理论，恒定紊流可认为是各态历经的平稳随机过程[18]，因此可参照统计理论对紊流的分析，首先对实验得到的瞬时风速序列采用式(1)处理，得到特定方向上的时均风速。

进一步得到该方向上的紊动强度

2.1 x-y截面紊动强度分布

x-y截面紊动强度分布如图4所示。图4中，纵轴是以巷道宽度l为特征长度的无因次距离;不同曲线表示距射流出口不同距离(以出口直径d为特征长度)处的紊动强度分布。虚线是根据时均风速分布确定的射流边界。可以看出，距出口不同距离断面上的紊动强度分布规律具有相似性，沿射流扩展方向，大致分为3个阶段：① 随着远离轴线，紊动强度急剧增加，在不远处达到最大，而后逐渐降低至某一强度，这一过程发生在射流边界与轴线之间的剪切层，约占整个巷道宽度的20%～40%;② 超出射流边界后紊动维持这一强度直至侧壁附近，该区域约占据巷道宽度的50%～70%;③ 在近壁区，紊动强度出现微弱的峰值，随后迅速消失。

图4 x-y截面紊动强度分布Fig.4 Distribution of the turbulence intensity in x-y cross-section

对整个过程做如下分析：① 紊动强度的最大值并未出现在射流轴线，而是与轴线持有一定距离，但沿着射流方向，轴线上紊动强度不断增加，其分布峰度持续减小，跨度范围不断扩张，这与圆形断面自由紊动射流的实验资料一致[19]，充分说明了紊动是由出口边界向两侧侵入的过程。② 与自由射流不同的是，紊动并未在超出射流边界后消失，而是继续持有相当的强度。其原因是，受固壁和射流影响，回流内部、回流与射流之间存在较大的速度梯度，造成流层间的剪切失稳而引起剧烈紊动。③ 临近侧壁，进入壁面边界层时，速度梯度升高，导致了紊动强度突然加剧，但其发展受到壁面阻滞，最终消失。对比紊动强度沿射流扩展方向出现的两次波动可以看出，射流的剪切掺混作用大于固壁边界层。

2.2 不同x-z截面紊动强度分布

y=0截面上半部分的紊动强度分布如图5所示，其中虚线是根据时均风速分布确定的射流边界。对比图4可以看出，紊动强度的分布在两个相互垂直的射流平面，特别是射流边界层内，具有明显的相似性，这是由圆形射流出口的轴对称特性决定的。与x-y截面不同的是，在射流边界层外，初始阶段(x/d=1～4.5)并未形成回流，而是在附壁风流的剪切诱导下继续跟随射流向前发展，同时这种剪切作用也使射流边界外的紊动得以维持。在距出口较远处(x/d=6～7.5)，顶板附近的紊动强度出现了小幅度的峰值。这是因为，当射流到达掘进工作面后，部分气流沿顶板返回，与来流相互剪切，使局部紊动加剧。这部分回流与来流进行动量交换后再次被卷吸到射流当中形成循环流动，这也是在初始阶段(x/d=1～4.5)射流边界外，未形成回流的原因。

图5 y=0截面紊动强度分布Fig.5 Distribution of the turbulence intensity in y=0 section

y=65 mm和y=145 mm截面上半部分的紊动强度分布如图6，7所示。两截面上紊动强度的大小相差不多，在分布规律上存在些许不同。

图6 y=65 mm截面紊动强度分布 Fig.6 Distribution of the turbulence intensity in section of y=65 mm

图7 y=145 mm截面紊动强度分布Fig.7 Distribution of the turbulence intensity in section of y=145 mm

在y=65 mm截面，回流受上下壁面阻滞，时均速度剖面与未充分发展的管流相似，速度由巷道中心向两侧迅速递减，越靠近中心，风速分布越均匀，速度梯度越小，紊动越弱。因此在y=65 mm截面上，紊动强度出现顶部略高于中心的特点，随着回流继续发展，上下流层间的剪切运动使流动渐趋均匀，这一特点也随之减弱。

在y=145 mm截面，回流贴近侧壁，具有附壁效应，时均速度在巷道中间和上下壁面附近较高，呈W型分布。在速度发生变化的拐点，流层间的剪切作用增强，紊动强度也随之升高，因此在图7中可以看到紊动强度有波动的现象。

2.3 沿射流轴线紊动强度分布

流动参数沿射流轴线的变化是研究射流有效作用长度的重要依据，因此有必要针对射流轴线的紊动特性做专门分析。图8是射流轴线时均风速和紊动强度的沿程分布。

图8 沿射流轴线紊动强度分布Fig.8 Distribution of the turbulence intensity along the axis of the jet

从图8可以看出，射流离开喷口后，起初保持出口风速，紊动强度也持续处于较低水平，表明射流中心部分尚未受到掺混影响;随着射流的发展，被卷吸并与射流一起运动的风量越来越多，射流与周围流体的掺混自边缘逐渐向中心侵入，在距出射断面3d处，发展到射流中心，此时掺混区的激烈紊动传递至中心，紊动强度逐渐增加，原来的风流失去动量而降低速度。当紊动强度达到最大时未像自由射流那样得以维持[20]，而是呈下降趋势。这是由于射流的发展受到掘进工作面壁面的限制，最终形成冲击射流。冲击射流对冲散工作区烟尘和壁面换热能够起到一定积极作用，本文不予讨论，但从时均风速和紊动强度的衰减来看，射流的卷吸掺混作用在本次实验条件下并未得到充分发挥，有大部分能量支持冲击射流的形成。

2.4 各向紊动强度之比

为了解其余两个方向的紊动强度，本文选择射流横截面上(x-y平面)距出口x/d=4.5的位置，给出横向和垂向紊动强度分别与纵向紊动强度的比值，如图9所示。

图9 射流横截面上各方向紊动强度比(x/d=4.5)Fig.9 Turbulence intensity radios of three direction in x-y cross-section(x/d=4.5)

如图9所示，各向紊动强度比值不等于1，说明紊动具有各向异性的特点。在射流区纵向紊动强烈，横向和垂向紊动较弱;在回流区，垂向紊动剧烈，横向紊动最弱，但3个方向紊动强度的大小在两个区域属于相同量级。

本次实验中，回流区的时均风速范围为0～3.8 m/s，平均风速约为1.02 m/s，而紊动强度大多集中在1 m/s附近，表明回流区中，紊动风速与平均风速的大小是相当的，足见受限射流中紊动的剧烈程度。

3 结 论

(1)射流剪切层内的紊动强度普遍高于回流区。在射流剪切层内，紊动强度从射流轴线到射流边界呈先增后减的趋势;在射流剪切层以外的回流区，紊动整体变化不明显，始终维持着与平均风速大小相当的强度。

(2)在射流、回流和巷道壁面的共同作用下，流场风速分布极不均匀，存在较大的速度梯度，导致流层之间剪切失稳形成了剧烈紊动。

(3)受限条件下，由于回流存在，射流的紊动在射流区和回流区都很剧烈，各向紊动强度具有量级相同和异性的特点。由于紊动具有与平均风速相近的强度，在研究独头巷风流排污效率、瓦斯烟尘运移规律等问题时，无论理论分析还是数值计算，都应对运动方程中的速度脉动项给予充分重视。

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Turbulencecharacteristicsofwalljetinheadingfaceusingalaserdoppleranemometer

LIU Jian1,2,LI Xuebing1,2,DENG Lijun1,2,JIANG Qinghua1,YIN Changsheng1,GAO Lun3

(1.CollegeofSafetyScienceandEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China; 2.KeyLaboratoryofMineThermodynamicDisastersandControlofMinistryofEducation,Fuxin123000,China; 3.SafetyEngineeringDepartment,XinjiangInstituteofEngineering,Urumqi830000,China)

Wall jet in heading face has both mean and turbulence characteristics that makes it have replacement and mixing effects on the air flow field.Thus,wind fluctuations play critical roles in the transportation and diffusion of gas and dust,for example,dust suspension entirely depends on that effect.However,the available experimental data on the subject are rather limited due to the limitations of experimental equipment and its complexity.This paper studies the turbulence characteristics of wall jet in heading face.For this purpose,the authors carried out some measurements of instantaneous 3D velocity in experimental model by using a three-dimensional laser doppler anemometer.After that,the authors have studied the distribution and scale of the turbulence intensity that calculated from the experiment data based on the statistical theories of turbulence.The experimental results indicate that there are serious wind fluctuations not only in the jet zone but also in the recirculation zone affected by the return flow and the side walls.The turbulence intensity in three directions are anisotropy but in the same order.Besides,the authors noticed that turbulence intensity increases firstly and then decreases with the distance from the axis of the jet reached the recirculation zone where the turbulence intensity are closer to the magnitudes of the mean air velocity.According to the analysis,shear instability that caused by velocity gradient between the flow layer is an important factor to cause the violent turbulence.At last,the authors suggest that a full attention should be given to the fluctuation term in motion equations when a further study of ventilation efficiency and migration law of gas and dust in heading face is made by any means.

heading face;turbulence characteristics;wall jet;confined jet;laser doppler anemometer

10.13225/j.cnki.jccs.2016.1589

TD725

:A

:0253-9993(2017)08-1926-06

国家自然科学基金资助项目(51574142)

刘 剑(1961—)，男，内蒙宁城人，教授，博士生导师，博士。E-mail：lj1961@vip.sina.com

刘剑,李雪冰,邓立军,等.掘进工作面附壁射流紊动特性的LDA实验[J].煤炭学报,2017,42(8):1926-1931.

LIU Jian,LI Xuebing,DENG Lijun,et al.Turbulence characteristics of wall jet in heading face using a laser doppler anemometer[J].Journal of China Coal Society,2017,42(8):1926-1931.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.1589