巷道直角转弯对风流影响的Fluent 模拟分析

莫苏鹏

(中蓝长化工程科技有限公司，湖南 长沙 410116)

良好的矿井通风条件是保障矿山安全生产的重要基础，巷道风量（风速）指标是衡量矿井通风条件的重要指标之一，而矿山井下条件复杂，影响巷道风速测量值的因素众多，如何选取合适的测量位置是准确测量出巷道真实风速值的基础。根据《金属非金属地下矿山通风技术规范》（AQ 2013.3—2008）的规定，井下测风位置应选择巷道断面规整、支护良好的地方，前后10 m 内巷道无障碍和拐点，标准中仅给出指导性意见，实际为何如此规定，对测风准确性的影响原因亦未明确解释。

为探究巷道改变对风流影响，指导实际风量测定，本文拟采用Fluent 软件模拟井下直角转弯巷道的风流分布情况，为准确测定巷道变化情况下的风速提供理论依据。

1 Fluent 计算理论基础

对于所有流体解算问题，Fluent 求解遵循质量守恒和动量守恒方程，此次研究对象为惯性坐标系中流动守恒方程，其质量守恒方程或连续性方程可表示如下：

式中，Sm为分散相或自定义源项附加于连续相的质量，式（1）是质量守恒的一般通用表示，而且可用于不同类型的压缩流动场。

对于对称的2D 结构，其连续方程可表示为：

式中，x表示轴向坐标；r表示径向坐标；vr表示径向速度；vx表示轴向速度。

惯性参考系中动量守恒方程见式（3）：

2 直角转弯风流Fluent 模拟

2.1 矿井巷道直角转弯工程概况

井下巷道转弯处的风流受到离心力、局部阻力的作用，风流在经过转弯处将向巷道外边壁偏转，而在转弯后靠近内外转角处发生局部失压，出现风流反向，从而产生局部涡流。直角转弯处的风流因受到扰动，随着转弯后风流继续流动，转弯过后风流在巷道摩擦阻力的作用下，断面风流重新分布，逐渐向稳定状态发展。

根据矿井巷道实际情况，选取矿井通风中常见的直角转弯巷道风流为研究对象，如图1 所示，风流沿直角相交巷道的一侧流入，经过巷道转弯处扰动后，风流从直角相交巷道的另一侧流出。本研究通过构建巷道直角转弯风流模型，深入研究风流在巷道转弯过程中变化分布情况，以便为工程实际提供指导。

图1 直角转弯巷道风流示意

2.2 模型建立

运用ANSYS 内部自带的ICEM 建立巷道直角转弯简单二维模型，模型中巷道直角转弯前后距离为30 m，保证风流能够充分发展，巷道断面规格设置为宽2.7 m，巷道水力直径为0.6976 m，模型各指标见表1。

表1 模型参数值

根据设计的模型参数，建立Fluent 的二维仿真模型并划分网格，如图2 所示。

图2 模型网格划分

模型中网格的最大面积为0.183 m2，最小面积为3.45×10-3m2，整体网格划分质量较好。将所建立的模型导入Fluent 中进行初始检测，并对模型设定相应的边界条件，设置风流从右侧自由流入。考虑到同一巷道、不同风速下的风流发展可能存在差异，因此本次模拟设置风流分别为低、中、高3 种流速状态，即入口风速分别设定为1 m/s、3 m/s、7 m/s，风流湍流强度统一设置为5%，巷道壁面粗糙度设置为0.05 m。对模型各参数进行初始化后，进行模拟计算。

2.3 模拟计算

按照设定的各边界条件，运用Fluent 进行模拟计算，首先计算风速为1 m/s 的工况，模拟计算得到的直角转弯巷道风速分布云图如图3 所示。

图3 入口风速为1 m/s 的模拟结果

在不改变其他参数的条件下，更改入口风速为3 m/s，并进行模拟计算，模拟计算结果如图4 所示。

图4 入口风速为3 m/s 的模拟结果

同理，改变入口风速为7 m/s，模拟计算结果如图5 所示。

图5 入口风速为7 m/s 的模拟结果

2.4 模拟结果分析

2.4.1 单风速条件下分析

巷道入口风速为1 m/s 时，风流在入口平直段巷道保持稳定状态，风流分布较为均匀，无明显扰动现象，但在靠近直角转弯处（距离直角转弯约10 m），风流分布开始受巷道直角转弯的影响，并呈现出越靠近巷道直角转弯处，影响越明显的趋势。观察模拟结果可知，在靠近巷道转弯3 m 内，直角转弯巷道内弯部风速值明显增大，外弯处风速值明显减小，风流在巷道转弯入弯时出现明显的偏轴现象；风流在流出转弯处时同样受其影响，而且影响距离较入弯时更远，在超过巷道出弯处20 m 后，巷道风流才明显稳定；巷道转弯出口处风流呈现出类似射流的现象，即在巷道出弯处偏中心位置的风速值明显高于靠边壁的风速值，这种现象随转弯后距离的增加而不断减小。

2.4.2 多风速条件下对比分析

分别对比巷道入口风速为1 m/s、3 m/s 和7 m/s条件下的风流变化分布云图，可见不同入口风速条件下的巷道转弯处风流分布云图形状大体相同，差别仅在于巷道内风流的实际风速值不同，即可认为巷道直角转弯对不同条件下风流的影响是相同的，巷道入口风流速度变化不改变巷道转弯对风流分布的影响。

2.4.3 巷道直角转弯风流重新稳定距离

从模拟结果可知，各风速条件下巷道直角转弯对风流分布影响趋势相同，即不同风速条件下对风流稳定距离可统一考虑，从风流分布云图中可明显看出，风流在巷道转弯前10 m 左右开始受到影响，风流在过弯后约20 m 才基本稳定。因此，在实际通风测定时应尽量避免因巷道转弯对风流的扰动而导致风流测定失真的问题，选择测点时应尽量远离巷道转弯扰动区域。

3 结语

本文利用Fluent 流体模拟计算软件对矿井通风中常见的巷道直角转弯对风流分布的影响进行模拟计算并分析，形成相关结论如下。

（1）受巷道转弯影响，风流入弯及出弯都会影响风流的稳定，根据模拟结果显示，风流入弯时弯内侧的风流数值较外侧风流数值大，风流在流出直角弯时，巷道中心风流呈现出射流状，巷道中心风速明显更大，风流稳定需要的距离也更远。

（2）不同风速条件下，巷道转弯处的风流流场变化大体一致，巷道转弯对风流扰动跟入口风速大小无关。

（3）在实际测风时，可依据模拟分析结果，应尽量避免在巷道转弯位置进行风量测定。根据Fluent 模拟结果，巷道测风点参考位置要满足：风流入弯时，测风点应距入转弯节点10 m 距离以上；风流出弯后，测风点应距离转弯位置20 m 以上。按照上述距离要求设定测风点，方能保证矿井风量测定的准确性。

本研究利用Fluent 软件对巷道直角转弯在不同风速条件下对风流扰动影响进行了模拟分析，模拟分析出巷道内流场分布情况及风流稳定所需的距离，为准确测定巷道转弯情况下的风速提供了指导。