戴旻旻

（山東大學(xué)熱科學(xué)與工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061）

近年來，隨著人類社會(huì)對(duì)礦產(chǎn)需求的不斷增加，地表和近地表的礦產(chǎn)資源被開發(fā)殆盡，人們不得不將目光轉(zhuǎn)向更深地底的礦產(chǎn)資源。目前國內(nèi)許多礦山已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)向深部采場開采，但隨著礦山開采深度的增加，地壓增大、巖溫增高、礦山的提升、排水、支護(hù)、通風(fēng)等方面的困難也隨之增大，面臨的技術(shù)難題將不斷增加，其中最為突出的問題就是井下熱環(huán)境的惡化[1-2]，井下熱環(huán)境的惡化會(huì)嚴(yán)重影響礦山生產(chǎn)的效率和人員安全[3-5]。采場通風(fēng)降溫是消除井下熱害的重要途徑，提高采場通風(fēng)降溫效率對(duì)降低冷卻系統(tǒng)能耗、提高礦山經(jīng)濟(jì)性、保障人員安全有重要意義[6]。

王海橋等[7]使用CFD 軟件建立了獨(dú)頭采場三維模型，得出了獨(dú)頭巷道有限空間受限貼附射流通風(fēng)流場分區(qū)、射流起始段、射流貼附過程和流速變化等流場特征。高建良等[8]用三維k-ε 紊流模型模擬了壓入式局部通風(fēng)掘進(jìn)工作面風(fēng)流與巷道圍巖的熱交換過程以及巷道壁面水分和風(fēng)流之間的熱濕交換，得出掘進(jìn)工作面風(fēng)流溫度和濕度的分布關(guān)系。龍騰騰等[9]通過對(duì)同一掘進(jìn)巷道模型在壓入式和抽出式兩種通風(fēng)方式下速度場和溫度場進(jìn)行分析計(jì)算，證明壓入式通風(fēng)能更好滿足人體熱舒適要求。昝軍等[10]基于獨(dú)頭巷道受限貼附射流特征參數(shù)，計(jì)算分析風(fēng)筒出口直徑與流場的關(guān)系、風(fēng)筒出口風(fēng)速與射流軸心速度變化的關(guān)系。王海寧等[11]建立了空氣幕風(fēng)流理論模型，認(rèn)為空氣幕在礦井通風(fēng)中可以與風(fēng)門、風(fēng)窗起到相同的效果。Miao 等[12]通過對(duì)采用機(jī)械法降溫后煤礦工作面通風(fēng)冷卻成本進(jìn)行分析，建立了風(fēng)量與通風(fēng)冷卻成本的關(guān)系。Sasmito 等[13]計(jì)算研究了影響礦井隧道熱管理的各種因素，評(píng)價(jià)了原始巖體溫度、通風(fēng)空氣流量和通風(fēng)空氣溫度的影響，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)空氣溫度對(duì)整個(gè)隧道的溫度分布影響最大，其次是原始巖體溫度和通風(fēng)空氣流量。Tariq 等[14]研究了風(fēng)管出風(fēng)口距工作面距離以及出風(fēng)風(fēng)速對(duì)采場內(nèi)流場和溫度場。

本文以深部金屬礦獨(dú)頭采場為研究對(duì)象，建立了采場通風(fēng)降溫?cái)?shù)值模型，并與通風(fēng)降溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的有效性。

1 金屬礦深部采場數(shù)值模型

1.1 數(shù)值模型建立

金屬礦深部采場多呈現(xiàn)拱形截面，如圖1 所示，寬度約6.0 m，高度約4.5 m，長度可達(dá)數(shù)百米。為簡化數(shù)值模型，采用1∶4 縮小的尺寸構(gòu)建幾何模型，如下頁圖2 所示，模型截面寬度1.5 m（X 方向），高度1.125 m（Y 方向），長度3 m（Z 方向）。冷風(fēng)由直徑為0.13 m 的風(fēng)管送到采場工作面附近，在冷卻完采場后，熱風(fēng)在風(fēng)壓作用下從采場出口流出，實(shí)現(xiàn)采場通風(fēng)與降溫的目的。

圖1 金屬礦深部采場橫截面示意圖

圖2 金屬礦采場通風(fēng)降溫物理模型

1.2 控制方程

本文采用fluent 軟件對(duì)采場通風(fēng)降溫模型進(jìn)行模擬計(jì)算，在采場的熱交換中，考慮了壁面熱量的散發(fā)及通風(fēng)空氣的冷卻作用，采用質(zhì)量、動(dòng)量和能量控制方程。

質(zhì)量守恒方程：

式中：ρ 為密度；t 為時(shí)間；u、v、w 分別為x、y、z 方向的速度矢量。

動(dòng)量守恒方程：

式中：μ 為流體動(dòng)力黏度；P 為表面力矢量；g 為作用于單位體積流體的體積力；f 為作用于單體積流體反方向的阻力。

能量守恒方程：

式中：Cp是比熱容；t 為時(shí)間；p 為壓力；T 為溫度；k是流體導(dǎo)熱系數(shù)；Sr為黏性耗散項(xiàng)。

通過對(duì)比各種湍流模型的模擬結(jié)果，湍流方程選用k-ε 湍流模型如下：

式中：Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM為由于在可壓縮湍流中過渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；Sk、Rε為需要定義的源項(xiàng)；μt為湍動(dòng)黏度。

湍動(dòng)黏度計(jì)算公式為：

式中：Cμ為常數(shù)。

1.3 邊界條件和求解方法

由于數(shù)值模型為實(shí)際采場的幾何縮小模型，因此邊界條件也需滿足相似條件。管道入口使用速度入口邊界條件，根據(jù)流動(dòng)相似準(zhǔn)則，速度入口邊界為實(shí)際采場的1/4。

采場壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，采場壁面均設(shè)置為恒定壁溫，結(jié)合工程實(shí)際設(shè)為45 ℃。采場出口設(shè)置為壓力出口，管道出口為內(nèi)部面類型邊界條件。選用SIMPLEC 算法求解，動(dòng)量方程、湍動(dòng)能、湍動(dòng)能耗散率和能量方程均采用二階迎風(fēng)離散格式。

1.4 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

為保證數(shù)值模型的有效性，需要進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。以坐標(biāo)值（0.75，0.5，1.5）處空氣溫度為標(biāo)準(zhǔn)，分別選取16 萬、38 萬、96 萬、168 萬、233 萬數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5 給出了在相同邊界條件下，坐標(biāo)值（0.75，0.5，1.5）處空氣溫度隨網(wǎng)格數(shù)量的變化，在網(wǎng)格數(shù)大于96 萬網(wǎng)格后，溫度幾乎不變，誤差小于1%，為保證準(zhǔn)確度和計(jì)算速度，選取網(wǎng)格數(shù)量為96萬的數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算。

圖5 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

2 采場通風(fēng)降溫?cái)?shù)值模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃喗?/h3>

為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模型的有效性，圖6 給出了搭建的采場通風(fēng)降溫實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采場實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c數(shù)值模型的幾何尺寸一致。冷空氣從風(fēng)管通入到采場實(shí)驗(yàn)箱中，壁面保溫層由電熱絲和石棉構(gòu)成，可維持壁面恒定溫度，采場內(nèi)的溫度測點(diǎn)如下頁圖7 所示，由2 個(gè)位于采場實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部的2 個(gè)空氣測點(diǎn)和9 個(gè)位于采場實(shí)驗(yàn)箱壁面的壁面測點(diǎn)組成。

圖6 采場實(shí)驗(yàn)箱

圖7 采場實(shí)驗(yàn)箱溫度測點(diǎn)圖

設(shè)置采場實(shí)驗(yàn)箱的壁面恒定溫度為45 ℃，分別進(jìn)行如下頁表1 所示的8 組不同參數(shù)冷風(fēng)通風(fēng)情況下的采場實(shí)驗(yàn)箱降溫實(shí)驗(yàn)，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄穩(wěn)定工況的溫度測點(diǎn)數(shù)據(jù)。

表1 采場實(shí)驗(yàn)箱通風(fēng)降溫實(shí)驗(yàn)工況

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用與實(shí)驗(yàn)相同的入口風(fēng)溫和入口風(fēng)速邊界條件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，求解得到采場內(nèi)的溫度分布和流場分布，圖7 給出了1 號(hào)空氣測點(diǎn)溫度和2 號(hào)空氣測點(diǎn)溫度的實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比。從圖中可以看出，1 號(hào)測點(diǎn)和2 號(hào)測點(diǎn)的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的誤差都低于5%，可以認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果可信，數(shù)值模型準(zhǔn)確。

圖7 空氣測點(diǎn)對(duì)比結(jié)果

3 參數(shù)變化下采場通風(fēng)降溫的模擬結(jié)果

為了研究風(fēng)速對(duì)采場內(nèi)部通風(fēng)降溫效果的影響，在相同入口風(fēng)溫條件下，將進(jìn)口風(fēng)速分別設(shè)置為7.15 m/s、9.15 m/s、11.15 m/s、13.15 m/s、15.15 m/s、17.15 m/s、19.15 m/s、21.15 m/s。圖8 和圖9 為不同風(fēng)速下采場達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度場與速度場云圖。由圖8、圖9 中可知，隨著風(fēng)管入口風(fēng)速的增加，采場實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的平均空氣溫度緩慢降低，從30.1 ℃降低到28.3 ℃，出口區(qū)域的低溫區(qū)逐漸增加；同時(shí)，速度場變化逐漸劇烈，高風(fēng)速區(qū)域逐漸增多。

圖8 不同通風(fēng)速度下的溫度場分布云圖

圖9 不同通風(fēng)速度下的速度場分布云圖

為了研究風(fēng)溫對(duì)采場內(nèi)部降溫效果的影響，在相同入口風(fēng)速條件下將進(jìn)口風(fēng)溫分別設(shè)置為12 ℃、14 ℃、16 ℃、18 ℃、20 ℃、22 ℃、24 ℃、26 ℃。圖10和圖11 為不同通風(fēng)風(fēng)溫下采場內(nèi)的溫度場與速度場分布云圖。由圖10、圖11 可知，隨著風(fēng)管入口風(fēng)溫的增加，采場實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的平均空氣溫度快速升高，從24.4 ℃升高到31.5 ℃；由于入口風(fēng)速保持不變，因此速度場基本沒有變化。

圖10 不同通風(fēng)溫度下的溫度場云圖變化

圖11 不同通風(fēng)溫度下的速度場云圖變化

對(duì)比圖8 與圖10 中可以看出，風(fēng)溫和風(fēng)速變化對(duì)于采場實(shí)驗(yàn)箱的溫度場變化影響程度不同，將采場中壁面和空氣的對(duì)流換熱量定義為采場散熱負(fù)荷，引入采場散熱負(fù)荷來評(píng)價(jià)風(fēng)溫和風(fēng)速對(duì)通風(fēng)降溫效果的影響程度，采場散熱負(fù)荷越大，表明從采場中移除的熱量越多。圖12 給出了不同通風(fēng)參數(shù)下的采場散熱負(fù)荷變化。隨著通風(fēng)風(fēng)速的增加，散熱負(fù)荷從1 975 W 升高到5 114 W，而實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的平均空氣溫度僅僅降低了1.8 ℃。隨著風(fēng)溫的降低，散熱負(fù)荷從2 451 W 升高到4 030 W，實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的平均空氣溫度降低了7.1 ℃。由此可見，通過降低風(fēng)溫對(duì)采場進(jìn)行降溫比提高風(fēng)速更具經(jīng)濟(jì)性。

圖12 通風(fēng)參數(shù)變化時(shí)散熱負(fù)荷的變化

4 結(jié)論

采場通風(fēng)降溫能有效改善金屬礦深部礦井熱環(huán)境，通過改變參數(shù)條件下的采場通風(fēng)降溫?cái)?shù)值模擬，得到了不同風(fēng)速和風(fēng)溫下采場內(nèi)的溫度場和速度場分布云圖。結(jié)果表明，隨著采場風(fēng)速增加，采場實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的平均空氣溫度緩慢降低，高風(fēng)速區(qū)域增加；隨著通風(fēng)溫度增加，實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的平均空氣溫度快速升高。通過對(duì)比分析不同風(fēng)溫和風(fēng)速條件下的采場散熱負(fù)荷變化，表明降低風(fēng)溫對(duì)采場降溫更具有經(jīng)濟(jì)性。