彭 云，趙伏軍，黃壽元，劉 暢

( 1．化工部長(zhǎng)沙設(shè)計(jì)研究院，長(zhǎng)沙410116; 2．湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，湖南湘潭411201;3．中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000; 4．長(zhǎng)沙礦山研究院，長(zhǎng)沙410012)

不同裝載情況下礦井活塞風(fēng)效應(yīng)的數(shù)值模擬

彭 云1，趙伏軍2，黃壽元3，劉 暢4

( 1．化工部長(zhǎng)沙設(shè)計(jì)研究院，長(zhǎng)沙410116; 2．湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，湖南湘潭411201;3．中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000; 4．長(zhǎng)沙礦山研究院，長(zhǎng)沙410012)

為了減少運(yùn)輸設(shè)備對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影響，分別建立了礦車在空載和滿載兩種情況下的礦井活塞風(fēng)數(shù)值分析模型，對(duì)兩種情況下的活塞風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，繪制流場(chǎng)跡線圖。在相同列車運(yùn)行速度和巷道通風(fēng)速度條件下，得出空載情況下產(chǎn)生的活塞風(fēng)大于滿載時(shí)效應(yīng)、對(duì)巷道通風(fēng)阻力影響較大;空載條件下活塞風(fēng)對(duì)列車運(yùn)行前方靜壓場(chǎng)影響距離小于滿載情況下影響距離，對(duì)列車運(yùn)行后方影響距離大于滿載情況下影響距離;空載條件下活塞風(fēng)對(duì)列車運(yùn)行前方、運(yùn)行后方速度場(chǎng)影響距離均大于滿載情況;活塞風(fēng)控制應(yīng)著重空載情況。

活塞風(fēng);裝載情況;壓力場(chǎng);風(fēng)速場(chǎng);影響距離

收稿日期: 2013-11-12
第一作者簡(jiǎn)介:彭 云( 1987-)，男，湖南省益陽(yáng)人，助理工程師，碩士，研究方向:礦井通風(fēng)與安全，E-mail: pyj791@126．com。

0引言

當(dāng)運(yùn)輸設(shè)備如汽車、火車及礦車等，在隧道或井巷等密閉空間運(yùn)行時(shí)，運(yùn)輸設(shè)備正前方空氣受壓，設(shè)備后方空氣稀薄，運(yùn)輸設(shè)備首尾一定局部空間內(nèi)形成沿設(shè)備運(yùn)行方向的壓力梯度，對(duì)隧道或礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在一定影響[1-5]。

礦井系統(tǒng)中，運(yùn)輸大巷通常也是主要通風(fēng)干道，對(duì)礦井通風(fēng)有極其重要的作用。電機(jī)車牽引礦車在礦井井巷中運(yùn)動(dòng)時(shí)，巷道中的空氣分布不斷變化，呈現(xiàn)出極強(qiáng)的瞬態(tài)性。巷道內(nèi)的空氣流動(dòng)本來(lái)就比較復(fù)雜，加上活塞風(fēng)的變化，使得巷道內(nèi)風(fēng)流分布更加復(fù)雜。因此，如對(duì)真實(shí)的礦井巷道系統(tǒng)進(jìn)行模擬，當(dāng)前的數(shù)值模擬軟件難以解決[6-8]，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，筆者作了一些假設(shè)，對(duì)不同裝載情況下礦井活塞風(fēng)效應(yīng)的數(shù)值模擬進(jìn)行研究。

1活塞風(fēng)動(dòng)力學(xué)分析

巷道內(nèi)風(fēng)流分布做如下假設(shè):第一，巷道通過(guò)的風(fēng)流不可壓縮;第二，井巷中風(fēng)流為湍流狀態(tài);第三，礦車在井巷中勻速運(yùn)動(dòng)。礦車在井巷中運(yùn)行，可簡(jiǎn)化分析模型如圖1所示?；钊L(fēng)效應(yīng)可分為1～4等作用區(qū)間、3個(gè)不同流段，即環(huán)狀空間的進(jìn)口流段1～2，均勻流段2～3和出口流段3～4。

圖1 活塞風(fēng)分析模型Fig．1 Piston wind analysis model

當(dāng)巷道和列車的截面積分別為At和A0時(shí)，環(huán)隙面積則為At-A0。根據(jù)運(yùn)動(dòng)列車對(duì)巷道空氣的排擠作用，對(duì)于巷道參照系，列車作用區(qū)段與巷道滿足流動(dòng)的連續(xù)性條件為[9]可得環(huán)狀空間平均速度:

其中α= A0/At。

由能量方程

式中: p1-p4——列車產(chǎn)生的增壓，即壓源提供的活塞風(fēng)壓力p0;

pin、pout——分別是環(huán)狀空間進(jìn)、出口流動(dòng)的局部阻力壓降。

式中: CDt——繞流阻力系數(shù)。

2 數(shù)值模擬

為了方便計(jì)算和分析，將單量列車(礦車組)在井巷中運(yùn)行情況進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。巷道斷面為半圓拱巷道，巷寬取3 m，巷道直墻高1.2 m，巷道長(zhǎng)度100 m;礦車寬度1 m，高度1. 2 m，列車長(zhǎng)度取20 m。重車(滿載)情況礦車簡(jiǎn)化為1 m×1. 2 m×20 m的長(zhǎng)方體;空車(空載)情況列車劃分為10輛礦車，每輛礦車長(zhǎng)度為2 m，礦車內(nèi)部容量為寬0. 8 m、長(zhǎng)1. 8 m、高1. 1 m，因礦車間空隙遠(yuǎn)小于礦車容積，因此，對(duì)礦車間連接簡(jiǎn)化為沒(méi)有空隙。

導(dǎo)入Fluent中，入口設(shè)置成風(fēng)速入口，入口風(fēng)速2 m/s，Turbulence選擇Intensity and Hydraulic Diameter，其中Turbulence Intensity 5%、Hydraulic Diameter取1 m;出口為壓力出口，Gauge Total Pressure設(shè)置為0，Turbulence Intensity設(shè)置成5%、Hydraulic Diameter取1 m。求解使用定常流、Implicit、k-epsilon Model( 2 epn)，其他參數(shù)保持默認(rèn)[10];為了分析礦車在巷道中運(yùn)行產(chǎn)生的活塞風(fēng)，將礦車區(qū)域設(shè)置成Moving Reference Frame，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)槟骘L(fēng)方向，即從模型的出口向入口方向運(yùn)行，運(yùn)行速度為8 m/s。

分別對(duì)以上兩種模型經(jīng)過(guò)Fluent解算，分析其結(jié)果。為了便于分析，特選取平行于巷道底板、垂直于巷道底板(非巷道橫截面)及巷道橫截面3種平面計(jì)算結(jié)果。

2. 1 壓力

兩種模型中，均選取平行巷道底板平面(垂距為1 m)模擬結(jié)果，兩種情況巷道入口與出口之間全壓之差即為巷道的阻力，兩種情況下全壓平面分布如圖2所示。

圖2 平面全壓場(chǎng)Fig．2 Plane full field

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，巷道出口與入口之間全壓差滿載情況為346. 7 Pa，空載情況為356. 5 Pa。

為了進(jìn)一步研究活塞風(fēng)的影響差異，在兩種情況下，選取距車頭、車尾一定距離的巷道橫截面靜壓場(chǎng)進(jìn)行分析。圖3～圖4為平面靜壓場(chǎng)模擬結(jié)果。

圖3 礦車行駛前方平面靜壓場(chǎng)(橫截面)Fig．3 Mine car driving front plane static field ( cross sectiion)

據(jù)模擬結(jié)果可知，對(duì)車頭前面巷道內(nèi)靜壓影響距離空車為3. 1 m，重車為3. 5 m。

對(duì)車尾后面巷道內(nèi)靜壓影響距離空車為0. 7 m，重車為0. 5 m。

圖4 礦車行駛后方平面靜壓場(chǎng)(橫截面)Fig．4 Mine car driving behind plane static field( cross section)

2. 2 風(fēng)速

平面速度場(chǎng)模擬結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 礦車行駛前方平面速度場(chǎng)(橫截面)Fig．5 Mine car driving front plane velocity field( cross section)

據(jù)模擬結(jié)果可知，對(duì)車尾后面巷道內(nèi)風(fēng)速影響距離空車為2. 9 m、重車為2. 6 m。

對(duì)車尾后面巷道內(nèi)風(fēng)速影響距離空車為12.0 m，重車為11. 0 m。

為了分析兩種情況下流場(chǎng)的差異，選取平行巷道底板和垂直巷道底板平面風(fēng)速跡線進(jìn)行研究，如圖7所示。圖7a、b為垂直于底板平面，圖7c、d為平行于底板平面。

圖6 滿載情況礦車行駛后方平面速度場(chǎng)(橫截面)Fig．6 Mine car driving rear plane velocity field( cross section)

圖7 平面風(fēng)速跡線Fig．7 Surface wind traces

從圖7可以看出，空載情況下流場(chǎng)更加復(fù)雜，繞流、環(huán)流現(xiàn)象更加突出，礦車運(yùn)行方向后方回流較大。表1為模擬結(jié)果的匯總。

表1模擬結(jié)果對(duì)比Table 1 Simulation results

表1可見(jiàn)，空載條件下活塞風(fēng)效應(yīng)更強(qiáng)，且對(duì)運(yùn)行前方、后方速度場(chǎng)影響距離也大于滿載情況。

3結(jié)論

在相同的列車運(yùn)行速度、巷道通風(fēng)速度條件下，得出以下結(jié)論:

( 1)空載條件下產(chǎn)生的活塞風(fēng)對(duì)巷道通風(fēng)阻力影響大于滿載情況;空載條件下活塞風(fēng)效應(yīng)更強(qiáng)。

( 2)空載條件下產(chǎn)生的活塞風(fēng)對(duì)列車運(yùn)行前方靜壓場(chǎng)影響距離小于滿載情況;對(duì)列車運(yùn)行后方影響距離大于滿載情況。

( 3)空載條件下產(chǎn)生的活塞風(fēng)對(duì)列車運(yùn)行前方、運(yùn)行后方速度場(chǎng)影響距離均大于滿載情況。

( 4)礦井礦車運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)當(dāng)控制礦車運(yùn)行速度，尤其要控制空載時(shí)礦車運(yùn)行速度。

( 5)空載情況下流場(chǎng)更加復(fù)雜，繞流、環(huán)流現(xiàn)象更加突出，礦車運(yùn)行方向后方回流較大。

[1] 吳 慧，蔡嗣經(jīng)．基于Fluent軟件的角聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模擬[J]．中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012，8( 1) : 22-26．

[2] 王從陸，吳 超，王衛(wèi)軍．Lyapounov理論在礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J]．中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2005，15 ( 4) : 46-49．

[3]韓占忠，王 敬，蘭小平．FLUNET流體工程仿真計(jì)算機(jī)實(shí)例與應(yīng)用[M]．北京:北京理工大學(xué)出版社，2004．

[4]王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用[M]．北京:清華大學(xué)出版社，2004．

[5] 田 峰，工海橋，黃俊散．礦井立井提升容器活塞作用理論分析[J]．黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，16( 3) : 163-166．

[6] 王從陸．非災(zāi)變時(shí)期金屬礦一復(fù)雜礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性及數(shù)值模擬研究[D]．長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2007．

[7] 王海橋，田 峰，吳 強(qiáng)．裝備提升容器的通風(fēng)井簡(jiǎn)非穩(wěn)態(tài)活塞風(fēng)研究[C]/ /中國(guó)(淮南)煤礦瓦斯治理技術(shù)國(guó)際會(huì)議論文集．北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007: 497-502．

[8] 王海橋，田 峰，施式亮，等．礦井井筒提升容器活塞風(fēng)效應(yīng)分析及計(jì)算[J]．湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，22 ( 3) : 1-4．

[9]金學(xué)易．隧道通風(fēng)與隧道空氣動(dòng)力學(xué)[M]．北京:中國(guó)鐵道出版社，1983．

[10] 王 韋，陳正林，魏 鴻．高速鐵路隧道內(nèi)列車活塞風(fēng)和空氣阻力的解析計(jì)算[J]．世界隧道，1999( 1) : 63-66．

(編輯 徐 巖)

Numerical simulation study on mine piston wind effect under different loading conditions

PENG Yun1，ZHAO Fujun2，HUANG Shouyuan3，LIU Chang4
( 1．Changsha Design&Research Institute of Chemical Industry Ministry，Changsha 410116，China;2．School of Energy&Safety Engineering，Hunan University of Science&Technology，Xiangtan 411201，China; 3．Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co．Ltd．，Maanshan 243000，China; 4．Changsha Institute of Mining Research，Changsha 410012，China)

Aimed at reducing the influence of transport equipment on mine ventilation system，this paper describes the development of numerical analysis model for mine piston wind associated with no-load and full load of tramcars，the numerical simulation of piston wind effect occurring in these two cases，and the production of the graph of flow field trace．The paper concludes that，at the same condition between running speed and tunnel ventilation of train，no-load conditions produce a greater piston wind effect than full load ones，with a greater influence on tunnel ventilation resistance; piston wind affords a smaller influence distance to train’s anterior static pressure field in no-load than in full load，while it produces a greater influence distance to train’s rear static pressure field in no-load than in full load; and no-load offers a greater velocity field than full load in both anterior and rear direction．It follows that the control of piston wind should be focused on the situation of no-load．

piston wind; loading condition; pressure field; wind velocity field;influence distance

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 007

TD724

2095-7262( 2014) 01-0030-04

A