莫蘇鵬

(中藍(lán)長(zhǎng)化工程科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410116)

良好的礦井通風(fēng)條件是保障礦山安全生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，巷道風(fēng)量（風(fēng)速）指標(biāo)是衡量礦井通風(fēng)條件的重要指標(biāo)之一，而礦山井下條件復(fù)雜，影響巷道風(fēng)速測(cè)量值的因素眾多，如何選取合適的測(cè)量位置是準(zhǔn)確測(cè)量出巷道真實(shí)風(fēng)速值的基礎(chǔ)。根據(jù)《金屬非金屬地下礦山通風(fēng)技術(shù)規(guī)范》（AQ 2013.3—2008）的規(guī)定，井下測(cè)風(fēng)位置應(yīng)選擇巷道斷面規(guī)整、支護(hù)良好的地方，前后10 m 內(nèi)巷道無(wú)障礙和拐點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)中僅給出指導(dǎo)性意見(jiàn)，實(shí)際為何如此規(guī)定，對(duì)測(cè)風(fēng)準(zhǔn)確性的影響原因亦未明確解釋。

為探究巷道改變對(duì)風(fēng)流影響，指導(dǎo)實(shí)際風(fēng)量測(cè)定，本文擬采用Fluent 軟件模擬井下直角轉(zhuǎn)彎巷道的風(fēng)流分布情況，為準(zhǔn)確測(cè)定巷道變化情況下的風(fēng)速提供理論依據(jù)。

1 Fluent 計(jì)算理論基礎(chǔ)

對(duì)于所有流體解算問(wèn)題，F(xiàn)luent 求解遵循質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒方程，此次研究對(duì)象為慣性坐標(biāo)系中流動(dòng)守恒方程，其質(zhì)量守恒方程或連續(xù)性方程可表示如下：

式中，Sm為分散相或自定義源項(xiàng)附加于連續(xù)相的質(zhì)量，式（1）是質(zhì)量守恒的一般通用表示，而且可用于不同類(lèi)型的壓縮流動(dòng)場(chǎng)。

對(duì)于對(duì)稱(chēng)的2D 結(jié)構(gòu)，其連續(xù)方程可表示為：

式中，x表示軸向坐標(biāo)；r表示徑向坐標(biāo)；vr表示徑向速度；vx表示軸向速度。

慣性參考系中動(dòng)量守恒方程見(jiàn)式（3）：

2 直角轉(zhuǎn)彎風(fēng)流Fluent 模擬

2.1 礦井巷道直角轉(zhuǎn)彎工程概況

井下巷道轉(zhuǎn)彎處的風(fēng)流受到離心力、局部阻力的作用，風(fēng)流在經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)彎處將向巷道外邊壁偏轉(zhuǎn)，而在轉(zhuǎn)彎后靠近內(nèi)外轉(zhuǎn)角處發(fā)生局部失壓，出現(xiàn)風(fēng)流反向，從而產(chǎn)生局部渦流。直角轉(zhuǎn)彎處的風(fēng)流因受到擾動(dòng)，隨著轉(zhuǎn)彎后風(fēng)流繼續(xù)流動(dòng)，轉(zhuǎn)彎過(guò)后風(fēng)流在巷道摩擦阻力的作用下，斷面風(fēng)流重新分布，逐漸向穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展。

根據(jù)礦井巷道實(shí)際情況，選取礦井通風(fēng)中常見(jiàn)的直角轉(zhuǎn)彎巷道風(fēng)流為研究對(duì)象，如圖1 所示，風(fēng)流沿直角相交巷道的一側(cè)流入，經(jīng)過(guò)巷道轉(zhuǎn)彎處擾動(dòng)后，風(fēng)流從直角相交巷道的另一側(cè)流出。本研究通過(guò)構(gòu)建巷道直角轉(zhuǎn)彎風(fēng)流模型，深入研究風(fēng)流在巷道轉(zhuǎn)彎過(guò)程中變化分布情況，以便為工程實(shí)際提供指導(dǎo)。

圖1 直角轉(zhuǎn)彎巷道風(fēng)流示意

2.2 模型建立

運(yùn)用ANSYS 內(nèi)部自帶的ICEM 建立巷道直角轉(zhuǎn)彎簡(jiǎn)單二維模型，模型中巷道直角轉(zhuǎn)彎前后距離為30 m，保證風(fēng)流能夠充分發(fā)展，巷道斷面規(guī)格設(shè)置為寬2.7 m，巷道水力直徑為0.6976 m，模型各指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 模型參數(shù)值

根據(jù)設(shè)計(jì)的模型參數(shù)，建立Fluent 的二維仿真模型并劃分網(wǎng)格，如圖2 所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

模型中網(wǎng)格的最大面積為0.183 m2，最小面積為3.45×10-3m2，整體網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好。將所建立的模型導(dǎo)入Fluent 中進(jìn)行初始檢測(cè)，并對(duì)模型設(shè)定相應(yīng)的邊界條件，設(shè)置風(fēng)流從右側(cè)自由流入?？紤]到同一巷道、不同風(fēng)速下的風(fēng)流發(fā)展可能存在差異，因此本次模擬設(shè)置風(fēng)流分別為低、中、高3 種流速狀態(tài)，即入口風(fēng)速分別設(shè)定為1 m/s、3 m/s、7 m/s，風(fēng)流湍流強(qiáng)度統(tǒng)一設(shè)置為5%，巷道壁面粗糙度設(shè)置為0.05 m。對(duì)模型各參數(shù)進(jìn)行初始化后，進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.3 模擬計(jì)算

按照設(shè)定的各邊界條件，運(yùn)用Fluent 進(jìn)行模擬計(jì)算，首先計(jì)算風(fēng)速為1 m/s 的工況，模擬計(jì)算得到的直角轉(zhuǎn)彎巷道風(fēng)速分布云圖如圖3 所示。

圖3 入口風(fēng)速為1 m/s 的模擬結(jié)果

在不改變其他參數(shù)的條件下，更改入口風(fēng)速為3 m/s，并進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

圖4 入口風(fēng)速為3 m/s 的模擬結(jié)果

同理，改變?nèi)肟陲L(fēng)速為7 m/s，模擬計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。

圖5 入口風(fēng)速為7 m/s 的模擬結(jié)果

2.4 模擬結(jié)果分析

2.4.1 單風(fēng)速條件下分析

巷道入口風(fēng)速為1 m/s 時(shí)，風(fēng)流在入口平直段巷道保持穩(wěn)定狀態(tài)，風(fēng)流分布較為均勻，無(wú)明顯擾動(dòng)現(xiàn)象，但在靠近直角轉(zhuǎn)彎處（距離直角轉(zhuǎn)彎約10 m），風(fēng)流分布開(kāi)始受巷道直角轉(zhuǎn)彎的影響，并呈現(xiàn)出越靠近巷道直角轉(zhuǎn)彎處，影響越明顯的趨勢(shì)。觀察模擬結(jié)果可知，在靠近巷道轉(zhuǎn)彎3 m 內(nèi)，直角轉(zhuǎn)彎巷道內(nèi)彎部風(fēng)速值明顯增大，外彎處風(fēng)速值明顯減小，風(fēng)流在巷道轉(zhuǎn)彎入彎時(shí)出現(xiàn)明顯的偏軸現(xiàn)象；風(fēng)流在流出轉(zhuǎn)彎處時(shí)同樣受其影響，而且影響距離較入彎時(shí)更遠(yuǎn)，在超過(guò)巷道出彎處20 m 后，巷道風(fēng)流才明顯穩(wěn)定；巷道轉(zhuǎn)彎出口處風(fēng)流呈現(xiàn)出類(lèi)似射流的現(xiàn)象，即在巷道出彎處偏中心位置的風(fēng)速值明顯高于靠邊壁的風(fēng)速值，這種現(xiàn)象隨轉(zhuǎn)彎后距離的增加而不斷減小。

2.4.2 多風(fēng)速條件下對(duì)比分析

分別對(duì)比巷道入口風(fēng)速為1 m/s、3 m/s 和7 m/s條件下的風(fēng)流變化分布云圖，可見(jiàn)不同入口風(fēng)速條件下的巷道轉(zhuǎn)彎處風(fēng)流分布云圖形狀大體相同，差別僅在于巷道內(nèi)風(fēng)流的實(shí)際風(fēng)速值不同，即可認(rèn)為巷道直角轉(zhuǎn)彎對(duì)不同條件下風(fēng)流的影響是相同的，巷道入口風(fēng)流速度變化不改變巷道轉(zhuǎn)彎對(duì)風(fēng)流分布的影響。

2.4.3 巷道直角轉(zhuǎn)彎風(fēng)流重新穩(wěn)定距離

從模擬結(jié)果可知，各風(fēng)速條件下巷道直角轉(zhuǎn)彎對(duì)風(fēng)流分布影響趨勢(shì)相同，即不同風(fēng)速條件下對(duì)風(fēng)流穩(wěn)定距離可統(tǒng)一考慮，從風(fēng)流分布云圖中可明顯看出，風(fēng)流在巷道轉(zhuǎn)彎前10 m 左右開(kāi)始受到影響，風(fēng)流在過(guò)彎后約20 m 才基本穩(wěn)定。因此，在實(shí)際通風(fēng)測(cè)定時(shí)應(yīng)盡量避免因巷道轉(zhuǎn)彎對(duì)風(fēng)流的擾動(dòng)而導(dǎo)致風(fēng)流測(cè)定失真的問(wèn)題，選擇測(cè)點(diǎn)時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離巷道轉(zhuǎn)彎擾動(dòng)區(qū)域。

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用Fluent 流體模擬計(jì)算軟件對(duì)礦井通風(fēng)中常見(jiàn)的巷道直角轉(zhuǎn)彎對(duì)風(fēng)流分布的影響進(jìn)行模擬計(jì)算并分析，形成相關(guān)結(jié)論如下。

（1）受巷道轉(zhuǎn)彎影響，風(fēng)流入彎及出彎都會(huì)影響風(fēng)流的穩(wěn)定，根據(jù)模擬結(jié)果顯示，風(fēng)流入彎時(shí)彎內(nèi)側(cè)的風(fēng)流數(shù)值較外側(cè)風(fēng)流數(shù)值大，風(fēng)流在流出直角彎時(shí)，巷道中心風(fēng)流呈現(xiàn)出射流狀，巷道中心風(fēng)速明顯更大，風(fēng)流穩(wěn)定需要的距離也更遠(yuǎn)。

（2）不同風(fēng)速條件下，巷道轉(zhuǎn)彎處的風(fēng)流流場(chǎng)變化大體一致，巷道轉(zhuǎn)彎對(duì)風(fēng)流擾動(dòng)跟入口風(fēng)速大小無(wú)關(guān)。

（3）在實(shí)際測(cè)風(fēng)時(shí)，可依據(jù)模擬分析結(jié)果，應(yīng)盡量避免在巷道轉(zhuǎn)彎位置進(jìn)行風(fēng)量測(cè)定。根據(jù)Fluent 模擬結(jié)果，巷道測(cè)風(fēng)點(diǎn)參考位置要滿足：風(fēng)流入彎時(shí)，測(cè)風(fēng)點(diǎn)應(yīng)距入轉(zhuǎn)彎節(jié)點(diǎn)10 m 距離以上；風(fēng)流出彎后，測(cè)風(fēng)點(diǎn)應(yīng)距離轉(zhuǎn)彎位置20 m 以上。按照上述距離要求設(shè)定測(cè)風(fēng)點(diǎn)，方能保證礦井風(fēng)量測(cè)定的準(zhǔn)確性。

本研究利用Fluent 軟件對(duì)巷道直角轉(zhuǎn)彎在不同風(fēng)速條件下對(duì)風(fēng)流擾動(dòng)影響進(jìn)行了模擬分析，模擬分析出巷道內(nèi)流場(chǎng)分布情況及風(fēng)流穩(wěn)定所需的距離，為準(zhǔn)確測(cè)定巷道轉(zhuǎn)彎情況下的風(fēng)速提供了指導(dǎo)。