无风墙机站风流调控效应

彭云

(1.紫金矿业集团股份有限公司， 福建 龙岩市 364200； 2.昆明理工大学， 云南 昆明 650093)

0 引言

矿井通风系统中多个采场等用风地点构成并联风路，因通风线路长度不一、通风井巷断面差异及局部阻力等影响导致并联分支阻力各异，致使用风地点风量不符合设计风量。为保障各用风地点按需供风，需采取风流调控措施，常用的调控方式有增阻调节和增能调节两种方式[1-5]。

增阻调节方式只需在阻力小、风量大的并联分支上设置调节风窗增加本分支阻力，具有通风系统简单、通风设备少等优势，但在分支上增加风阻会导致通风系统阻力增加、通风能耗增加。增能调节方式在阻力大、风量小的分支内安装通风机增加分支风量，具有通风设备多且分散、通风管理复杂等不足，但比增阻调节方式通风系统能耗低，从能耗方面考虑，宜优先选用增能调节方式。

增能调节方式因分支内风机命名为辅助通风机，增能调节方式又称为主—辅扇调控系统。根据辅扇机站布置形式分为有风墙和无风墙两种，有风墙机站风机受炮轰波冲击易导致叶片脱落，辅扇常布置成无风墙机站形式[6-8]。有风墙机站风量调控效应与常规主扇通风并无实质差异，而无风墙机站风流调控效应较为复杂，因此，本文对无风墙机站调控效应进行研究。

1 无风墙机站通风效应分析

无风墙机站工作原理如图1所示，为方便无风墙机站风机放置在巷道中央，风机出口断面积为A0、出口风速v0，巷道断面积为A、巷道内风速为v，巷道与机站风机间的环状空间内面积为A-A0、风速为W。

图1 无风墙机站工作原理分析

根据机站风机风量与巷道内风量，可分为如下3种情况：

（1） 风机风量小于巷道内风量，即A0*v0＜A*v。从断面4过来的风流到达断面3后分成两路，一路经环状空间、另一路经风机内部由断面3到达断面1混合，即引射状态。风量出口处风流在风机出口动能作用下呈喇叭状向外扩散，因风机风量小，扩散面积有限，无法扩散至巷道全断面。此种状态下，机站风机只对部分风流做功，且风流扩散面积较小，无法形成风流帷幕效应，通风效应较小。

（2） 风机风量等于巷道内风量，即A0*v0=A*v。从断面4过来的风流到达断面3后全部经风机内部由断面3到达断面2，并扩散到断面1，即单流状态。此种状态下，风量出口处风流在风机出口动能作用下呈喇叭状向外扩散至巷道全断面，形成风流帷幕效应，机站风机对全部风流做功，通风效应较大。

（3）风机风量大于巷道内风量，即A0*v0＞A*v。从断面4过来的风流到达断面3后与断面1返回的部分循环风混合后，全部经风机内部由断面3到达断面2并扩散到断面1，即循环状态，本状态和单流状态一样形成风流帷幕效应、机站风机对全部风流做功，且断面1有部分风流流向断面3，可知断面1风流能量大于断面3，通风效应最大。

2 数值模拟

通过数值模拟分析无风墙机站风流调控效应，为分析方便采用二维平面分析模型，建立简单的两条并联巷道模型，如图2所示。模型内有1个风流入口、2个风流出口。为简化模型，巷道宽度均为5 m，机站风机长度为4 m，尺寸如图2所示。

图2 分析模型

模型中2条并联分支共用的风流入口设置为velocity-inlet、5 m/s；2条风流出口设置为pressure- outlet、0；风机出、入口均设置为velocity-inlet。所有边界Turbulent intensity 均为10%，Hydraulic Diameter均为1 m。为了分析机站风机在不同出口断面下的调控效应，以机站风机在不同出口风速下的调控效应和机站在不同出口宽度（断面）下的调控效应两种情况进行分析[9-10]。

（1）机站风机在不同出口风速下的调控效应。选取风机出口宽度2 m模型在出口风速0，2.2，5.5 m/s和8 m/s等4种风速下的调控效应，4种风速分别对应无机站风机作用、小于、等于和大于工作巷内风量4种状态。

（2）机站风机在不同出口宽度（断面）下的调控效应。出口风速5.5 m/s时出口宽度分别为1 m、2 m和3 m 3种情况下的调控效应。图3为风机出口宽度2 m、出口风速2.2 m/s的速度云图，图4为风机出口宽度3 m、出口风速5.5 m/s的速度云图。根据各种情况下的分析结果得出不同出口风速下分析结果见表1，不同出口宽度（断面）下分析结果见表2。

表2 风机风速5.5 m/s在不同出口宽度（断面）下分析数据

图3 风机出口宽度2 m、出口风速2.2 m/s速度云图

图4 风机出口宽度3 m、出口风速5.5 m/s速度云图

表1 风机出口宽度2 m在不同出口风速下分析数据

根据分析数据，绘制出机站风机风速（风量）与工作巷、并联巷内风量关系曲线如图5所示。同理根据表2分析数据可绘制出风机在相同出口风速下的风机出口宽度（断面）与工作巷、并联巷内风量、风阻关系曲线如图6所示。

图5 风机风速（风量）与风量关系曲线

图6 风机宽度（断面）与风量关系曲线

表1为风机出口宽度2 m，风机在不同出口风速下的通风效应分析结果：当风机出口风速为0，即无风机作用时，工作巷内风量为11 m3/s；当风机出口风速为2.2 m/s，即机站风量为4.4 m3/s小于无风机作用时工作巷内风量（11 m3/s）时，工作巷内风量为12 m3/s；当风机出口风速为5.5 m/s，即机站风量为11 m3/s等于无风机作用时工作巷内风量（11 m3/s）时，工作巷内风量为13.4 m3/s；当风机出口风速为8 m/s，即机站风量为16 m3/s大于无风机作用时工作巷内风量（11 m3/s）时，工作巷内风量为15.7 m3/s。可知，无风墙机站风机风量在小于、等于和大于工作巷内无风机作用时风量3种状态下均能调控工作巷内风流，增加工作巷内风量，调控效应随风机风速而增加。

表2为风机出口风速保持5.5 m/s，风机在不同出口宽度下的通风效应分析结果：风机出口宽度分别为1，2和3时，工作巷内风量分别为12.7 m3/s、13.4 m3/s和14.25 m3/s。可知，工作巷断面保持不变，风流调控效应随风机断面增大而增大，相对的风机断面越大则工作巷断面越小，巷道断面越小则通风效应越大。

3 结论

通过建立无风墙机站数值分析模型，模拟分析了无风墙机站在不同风量和不同出口断面下通风效应，得出如下结论。

（1）无风墙机站风机风量在小于、等于和大于工作巷内无风机作用时风量均能有效调控风流，增加工作巷内风量；

（2）无风墙机站风流调控效应与机站风机风速、机站风机断面成正比，与工作巷断面成反比。