付建濤

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶 沙坪壩 400037)

0 引言

目前，我國煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)嚴(yán)峻[1]、重特大事故頻發(fā)，專家在對(duì)大量事故進(jìn)行調(diào)查分析中發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)瓦斯爆炸[2]的原因都涉及礦井通風(fēng)[3]問題。礦井通風(fēng)是煤礦生產(chǎn)中治理瓦斯、火災(zāi)、粉塵災(zāi)害的常用有效手段，是礦井安全生產(chǎn)的基本保障。通風(fēng)一方面能向井下各用風(fēng)點(diǎn)連續(xù)輸送足夠的新鮮空氣，保證井下作業(yè)人員的人身安全、改善勞動(dòng)環(huán)境;另一方面還能夠稀釋并排出各種有害氣體和浮塵，降低環(huán)境溫度，創(chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境，并能夠在發(fā)生災(zāi)變時(shí)，配合其他措施，根據(jù)撤人救災(zāi)的需要調(diào)節(jié)和控制風(fēng)向及風(fēng)量，防止災(zāi)害的擴(kuò)大。國家在2002年提出了“先抽后采、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、以風(fēng)定產(chǎn)”的瓦斯治理十二字方針[4]。其中“以風(fēng)定產(chǎn)”[4]是指在通風(fēng)能力允許的情況下生產(chǎn)，這是防治瓦斯最重要的管理措施，也是防止井下瓦斯積聚的先決條件。掌握煤礦井下風(fēng)速、風(fēng)量的變化情況，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。礦用低速風(fēng)洞[5]作為檢定和檢測(cè)礦用風(fēng)速儀表的標(biāo)準(zhǔn)裝置，其準(zhǔn)確性尤為重要。本文通過詳細(xì)介紹目前我國煤礦行業(yè)使用的礦用低速風(fēng)洞，分析其各自優(yōu)缺點(diǎn)，以便更好地使用和提供檢測(cè)檢驗(yàn)技術(shù)。

1 礦用低速風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)

能造成氣流流動(dòng)并能在其中進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的裝置叫風(fēng)洞，它是從航空部門引進(jìn)的。風(fēng)洞應(yīng)用廣泛，按氣流速度分類，可分為六大類，如表1所示[6]。表1中，M為馬赫數(shù)，即流體的相對(duì)速度與音速之比。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，當(dāng)溫度為15℃時(shí)，音速為340.8 m/s。

表1 風(fēng)洞類型與氣流速度Tab.1 Types of wind tunnels and airflow velocity

通常，用于礦用風(fēng)速儀表檢測(cè)等工程流體力學(xué)試驗(yàn)的低速風(fēng)洞稱為礦用低速風(fēng)洞。它是當(dāng)前世界各國檢定風(fēng)速表、風(fēng)速傳感器和皮托管的主要裝置。這里著重介紹當(dāng)前我國用于風(fēng)速儀表檢測(cè)的幾種風(fēng)洞。

1.1 閉口直路式風(fēng)洞

閉口直路或風(fēng)洞分為單工作段和雙工作段兩種。為了提高低速風(fēng)表檢定結(jié)果的準(zhǔn)確度，我國目前普遍采用雙工作段風(fēng)洞，其組成如圖1所示。

圖1 閉口直路式風(fēng)洞示意圖Fig.1 Schematic diagram of the closed circuit straight line wind tunnel

雙工作段風(fēng)洞各組成部分的作用如下。

①集風(fēng)口:氣流匯集流入風(fēng)洞的入風(fēng)口。

②穩(wěn)定段:它通常是一個(gè)等截面段，內(nèi)設(shè)有蜂窩器和阻尼網(wǎng)。氣流流經(jīng)蜂窩器，引導(dǎo)直氣流的方向，使它的流向與風(fēng)洞軸線一致。阻尼網(wǎng)是目數(shù)較小的銅絲網(wǎng)，氣流通過阻尼網(wǎng)，清除流動(dòng)中產(chǎn)生的旋渦。氣流經(jīng)過穩(wěn)定段后，沿風(fēng)洞軸線平直、均勻、穩(wěn)定地向前流動(dòng)。

③收縮段:其作用是將由穩(wěn)定段流來的氣流加速，使流入工作段的氣流達(dá)到試驗(yàn)所需要的速度。

④工作段:它是檢測(cè)風(fēng)速儀表、皮托管和進(jìn)行其他空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的場(chǎng)所。因此，要求工作段的氣流以分布均勻、穩(wěn)定并沿風(fēng)洞軸向的速度流動(dòng)。工作段氣流的軸向靜壓梯度、紊(喘)流度等也必須根據(jù)風(fēng)洞的用途加以設(shè)計(jì)、計(jì)算。

⑤擴(kuò)壓段:亦稱擴(kuò)散段，斷面尺寸以一定擴(kuò)散錐角擴(kuò)大，逐漸降低從工作段流出的氣流速度，使氣流的一部分動(dòng)壓轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓，減少風(fēng)洞的能量損失。風(fēng)洞的能量損失與氣流速度的三次方成正比，所以氣流流經(jīng)工作段后，應(yīng)盡可能降低其流速。

⑥風(fēng)機(jī):它由圓形管道、葉輪、電機(jī)、調(diào)速系統(tǒng)和支護(hù)腳架組成。在風(fēng)機(jī)的作用下，氣流在風(fēng)洞的進(jìn)出口造成壓差促使其流動(dòng)。在風(fēng)洞內(nèi)流動(dòng)的氣流由于摩擦、斷面積的擴(kuò)大或縮小等原因，會(huì)造成一定的能量損失，因此為了保證工作段在檢測(cè)或進(jìn)行其他試驗(yàn)時(shí)達(dá)到所要求的氣流速度，必須通過動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)損失的能量加以調(diào)節(jié)和補(bǔ)充。

1.2 閉口單回流式風(fēng)洞

閉口單回流式風(fēng)洞[7]同樣分單工作段和雙工作段兩種。用于風(fēng)速表、皮托管檢定的風(fēng)洞是閉口單回流式雙工作段風(fēng)洞。

閉口單回流式風(fēng)洞的組成如圖2所示。

圖2 閉口單回流式風(fēng)洞示意圖Fig.2 Schematic diagram of the closed circuit single return flow wind tunnel

當(dāng)檢定風(fēng)表、皮托管時(shí)，被檢儀表、檢測(cè)儀表的安裝位置與閉口直路式雙工作段風(fēng)洞相同。

閉口單回流式雙工作段風(fēng)洞主要組成部分與閉口直路式雙工作段風(fēng)洞基本相同，工作面都是封閉的，不同點(diǎn)在于回流式是環(huán)形，氣流在風(fēng)洞內(nèi)循環(huán);直路式是流入實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)不很規(guī)則的回流道。

1.3 開式風(fēng)洞

開式風(fēng)洞的組成如圖3所示。

圖3 開式風(fēng)洞示意圖Fig.3 Schematic diagram of the open circuit wind tunnel

開式風(fēng)洞的風(fēng)機(jī)即動(dòng)力段(包括風(fēng)機(jī)、電機(jī)、調(diào)整裝置和支護(hù)腳架)。開式風(fēng)洞的動(dòng)力段所用風(fēng)機(jī)為離心式風(fēng)機(jī)，以壓風(fēng)的形式將氣流壓入風(fēng)洞內(nèi)，然后由噴口以自由射流的形式噴出。

開式風(fēng)洞的收縮段、擴(kuò)壓段、穩(wěn)定段的作用與閉口直路式或閉口單回流式風(fēng)洞的作用相同，其余組成部分作用介紹如下。

①噴口:作用是使噴出的氣流加速，以達(dá)到試驗(yàn)所需的風(fēng)速要求。噴口進(jìn)出口斷面比不應(yīng)小于4，否則難以保證噴出的自由射流能形成均勻、穩(wěn)定的風(fēng)速區(qū)。

②節(jié)流裝置:習(xí)慣稱為孔板流量計(jì)。它是通過補(bǔ)償微壓差計(jì)測(cè)取孔板前后壓差來計(jì)算實(shí)際風(fēng)速的計(jì)量裝置。孔板必須按國家標(biāo)準(zhǔn)加工制造，孔板直徑和安裝孔板管道直徑之比應(yīng)在0.2～0.8之間。

③開式風(fēng)洞的工作段，亦即噴口外的自由射流區(qū):當(dāng)風(fēng)速為0.2～5 m/s時(shí)，工作區(qū)域應(yīng)在噴口出口的倍噴口直徑處;當(dāng)風(fēng)速大于5 m/s時(shí)，工作區(qū)域應(yīng)在噴口直徑處。

2 礦用低速風(fēng)洞的要求

2.1 性能要求

①外觀要求

風(fēng)洞的外觀應(yīng)整潔、美觀;內(nèi)壁應(yīng)光滑、無凹凸不平;觀察窗、孔及各段連接處應(yīng)封閉嚴(yán)密、不漏氣[8]。

②主工作段直徑要求

閉口直路式和閉口單回流式風(fēng)洞的主工作段(雙工作段風(fēng)洞第一工作段)斷面直徑要求應(yīng)不小于250 mm;開式風(fēng)洞的噴口直徑應(yīng)不小于150 mm。

③工作段風(fēng)速性能要求

礦用低速風(fēng)洞的風(fēng)速范圍應(yīng)大于風(fēng)表的測(cè)量范圍，氣流均勻性不大于1.50%，氣流穩(wěn)定性不大于0.50%。

④工作段阻塞比及收縮比要求

閉口直路式或閉口單回流式單、雙工作段風(fēng)洞，風(fēng)表在工作段內(nèi)的阻塞比應(yīng)不大于5%，其工作段直徑應(yīng)不小于250 mm。雙工作段風(fēng)洞總收縮比應(yīng)不小于10;單工作段風(fēng)洞收縮比應(yīng)不小于4;開式風(fēng)洞的噴口直徑應(yīng)不小于150 mm，收縮比應(yīng)不小于4，風(fēng)表直徑不大于噴口直徑的60%。

⑤工作環(huán)境溫度要求

礦用低速風(fēng)洞工作的環(huán)境溫度應(yīng)為5～35℃。

2.2 安裝要求

礦用風(fēng)速儀表檢定裝置應(yīng)安裝在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。閉口單回流式風(fēng)洞與四周墻壁的距離應(yīng)不小于1 m;閉口直路式風(fēng)洞進(jìn)出風(fēng)口與前后墻壁的距離應(yīng)不小于集風(fēng)口直徑，兩側(cè)與墻壁的距離應(yīng)不小于1 m;開式風(fēng)洞噴口、出口與墻壁的距離應(yīng)不小于1.5 m，兩側(cè)與墻壁的距離應(yīng)不小于1 m。在上述距離范圍內(nèi)應(yīng)無障礙物，進(jìn)行風(fēng)表檢定或檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)關(guān)閉好門窗，避免外界氣流的干擾。

3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.1 閉口直路式風(fēng)洞

①優(yōu)點(diǎn)

相比閉口單回流式風(fēng)洞，閉口直路式風(fēng)洞占地面積較小，工作段風(fēng)速均勻、穩(wěn)定，使用皮托管和數(shù)字精密微差壓計(jì)做標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速采樣裝置時(shí)可通過計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢驗(yàn)。

②缺點(diǎn)

由于閉口直路式風(fēng)洞的動(dòng)力段采用軸流式風(fēng)機(jī)，以抽風(fēng)的形式將氣流經(jīng)集風(fēng)口抽入風(fēng)洞內(nèi)，在工作段形成均勻、穩(wěn)定的氣流，然后由擴(kuò)壓段排放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。氣流在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)往復(fù)循環(huán)，因此易受外界氣流干擾，試驗(yàn)時(shí)需關(guān)閉門窗，試驗(yàn)人員不能來回走動(dòng)。另外，該結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞采用皮托管和補(bǔ)償式微差壓計(jì)做標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速采樣裝置時(shí)，無法準(zhǔn)確測(cè)量0.5 m/s以下的風(fēng)速值，基本靠試驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)估讀。

3.2 閉口單回流式風(fēng)洞

①優(yōu)點(diǎn)

閉口單回流式風(fēng)洞采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，風(fēng)流在風(fēng)洞內(nèi)往復(fù)循環(huán)，不易受外界氣流干擾，使用皮托管和數(shù)字精密微差壓計(jì)做標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速采樣裝置時(shí)可通過計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢驗(yàn)。

②缺點(diǎn)

由于閉口單回流式風(fēng)洞采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，風(fēng)流在風(fēng)洞內(nèi)循環(huán)，長時(shí)間工作時(shí)，風(fēng)流受風(fēng)洞內(nèi)壁的摩擦，風(fēng)洞內(nèi)部溫度會(huì)不斷升高，而規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)中要求檢定或檢驗(yàn)一臺(tái)風(fēng)速表前后溫差不能超過1 K。

3.3 開式風(fēng)洞

①優(yōu)點(diǎn)

開式風(fēng)洞在三種風(fēng)洞中占地面積最小，由于采用標(biāo)準(zhǔn)孔板組和差壓計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速采樣裝置，該結(jié)構(gòu)風(fēng)洞測(cè)量微風(fēng)速比前兩種結(jié)構(gòu)風(fēng)洞更準(zhǔn)確。

②缺點(diǎn)

開式風(fēng)洞的工作段在噴口外的自由射流區(qū)，比閉口直流式風(fēng)洞更易受外界氣流干擾，測(cè)量一臺(tái)風(fēng)速儀表需要多次更換孔板，更易發(fā)生老化漏氣的現(xiàn)象，也因?yàn)樵撛颍_式風(fēng)洞不能完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。

4 結(jié)束語

礦用低速風(fēng)洞是當(dāng)前煤礦行業(yè)用于風(fēng)速儀表的標(biāo)準(zhǔn)裝置，作為從事風(fēng)速儀表計(jì)量檢定或檢驗(yàn)的人員應(yīng)了解日常使用的標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點(diǎn)，以便更好地使用和提供檢測(cè)檢驗(yàn)技術(shù)。

[1] 金鈮.我國煤礦事故的特征及微觀原因分析[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011，7(6):104 －106.

[2] 周心權(quán)，吳兵，徐景德.煤礦井下瓦斯爆炸的基本特性[J].中國煤炭，2002，28(9):8 －11.

[3] 程衛(wèi)民，辛嵩，劉偉韜.礦井通風(fēng)與安全[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2009:11－15.

[4] 武建國.解讀“十二字方針”[J].煤礦安全，2008，399(2):108 －109.

[5] 胡宗雄.KBF-1-19型礦用風(fēng)洞[J].煤炭工程師，1988(2):1－8.

[6] 武際可.說說風(fēng)洞[J].物理教學(xué)，2009，31(6):2 －5.

[7] 鄭建光，任海洋，聶年曉.回流式低速風(fēng)洞流動(dòng)特性的研究[J].中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，17(3):212 －216.

[8] 煤炭工業(yè)部.JJG(煤炭)02-96礦用風(fēng)速測(cè)量儀表檢定裝置[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.