巷道交叉对风流稳定影响的模拟分析

苏相立

（广西工业设计研究院有限公司）

矿井通风系统是矿山生产重要系统之一，其将新鲜风流送至矿井，并将井下生产污风排至地表，保障井下生产及作业人员的用风需求，确保生产安全［1-4］。而矿山井下条件复杂，存在大量交叉、转弯等相对复杂巷道通风条件，风流作为一种流体，在巷道运动的过程中，受巷道的影响较大［6-7］，在巷道条件变化处，风流原本的稳定状态被打破，重新进入一种紊乱的状态，这种紊乱状态会对实际通风系统测定的准确性产生影响［8-11］。巷道交叉是井下常见巷道形式，此次研究计划采用流体模拟软件Fluent对十字交叉巷道条件下的风流变化进行模拟分析［12-13］，分析巷道交叉时风流的改变情况，为准确进行通风监测提供相应的理论指导。

1 数值模拟计算方法

采用Fluent软件对风流进行数值模拟，在计算求解的过程中，遵循动量和质量守恒基本原理［14-15］，其守恒方程可表示为

式中，Sm为分散相的质量，kg/m2；ρ 表示流体的密度，kg/m3；t 分散相流体的时间参数，s；νˉ表示流体的相对平均速度，m/s。

式（1）为质量守恒的一般通用表示，并且可用于多种不同类型的压缩流动中。

对2D 的对称形式，其对应方程可用式（2）来表示：

式中，t 为对应时间参数，s；x为轴向的坐标；vx为轴向的速度，m/s；r 为径向的坐标；vr为径向的速度m/s；ρ为流体的密度，kg/m3；Sm为分散相的质量，kg/m2。

对应动量守恒方程，表示如下式：

2 巷道交叉Fluent模拟

2.1 模型建立

本次针对巷道十字交叉风流模拟，具体模型采用ANSYS软件附带软件包ICEM建立［16］，建立模型为2D 巷道十字交叉模型，巷道交叉模型中巷道十字交叉的入风口长15 m，为保证风流能充分发展，十字交叉巷道单边距离交叉口长度设置为30 m，巷道宽度设置为2.7 m，所有巷道的水力直径统一设置为0.7 m，具体模型及参数见图1。

根据上述十字交叉巷道模型基本参数，利用ICEM 建立二维Fluent 的仿真模型，并将建立的模型进行网格划分，见图2。

模型中划分网格最大面积为0.172 m2，最小面积为4.72×10-3m2，模型网格划分整体均匀，尺寸较为合理。将所划分好的网格模型导入Fluent 2D 中，并进行初始检测，完毕后对模型设定相应的边界条件，根据研究分析需要，设置风流从右侧巷道进入巷道，经十字交叉口分风至各分支巷道。考虑风速（风量）对交叉时风流的影响，分别对多种风速条件下进行模拟分析，本次设定风速条件分别为1 m/s，3 m/s，13 m/s，模型巷道表面的粗糙度均设置为0.1 m。各边界条件设置完毕，对模型进行初始化后开始数值模拟计算［17］。

2.2 数值模拟

Fluent 中对构造模型边界条件设置完毕后，进行初始化并计算，在设置入风口风速为1 m/s时，风流在巷道十字交叉条件下模拟的风流分布云图见图3，对应的静压变化云图见图4。

调整模型入风口风速边界条件为3m/s，模型其它的边界条件保持不变，重新初始化并对模型进行模拟计算，具体风流分布云图及对应静压变化云图见图5和图6。

最后，再重新调整模型入风口风速至高风速条件13m/s，并保持其他边界条件不变，初始化并重新模拟计算，得出入风口风速为13m/s 时相对应的风流分布云图及静压变化云图见图7和图8。

2.3 模拟分析

2.3.1 巷道十字交叉对风流影响

以中间风速3m/s 条件下模拟为例，对巷道十字交叉条件的风流影响进行分析，从图5中的3m/s时巷道十字交叉风流分布云图分析如下：

（1）风流入口巷道左侧风流分布相对均匀，在靠近巷道交叉处时，巷道风流向巷道中心聚集，即巷道中心风速大，靠近巷道边壁风流变小。

（2）入风端巷道风流在经过巷道交叉口时，在分支长度相等的条件下（即各分支巷道沿程阻力相同），风流与入风端风流流向方向一致的巷道风流更易达到稳定状态。

（3）入风段巷道风流经过交叉巷道向与原风流方向垂直方向运动时，风流会出现明显扰动，从图5可看出，风流在经过交叉点后向与原巷道垂直方向运动时，在靠近入风端侧的巷道壁会出现明显的风流真空区域，即该区域风速极小，风流在巷道交叉转弯后靠近入风端的一侧巷道，风速在0.3m/s 以下；相对的靠近另一侧巷道的风速则出现明显的升高，风速值约为3.4m/s。

（4）从风速3m/s 时的静压变化云图来看，在巷道十字交叉处，静压出现负值，其范围在-2.17～-0.67 Pa，这也对应上述风流在经过交叉点后向与原巷道垂直方向运动，一侧风流流速极低，另一侧风速相对更高的现象。

2.3.2 不同风速条件巷道十字交叉对风流影响

分别分析图3～图8 巷道入风端风速为1 m/s、3 m/s 和13 m/s 时的风流分布云图及静压云图，纵向对比各云图不同风速时风流经过巷道十字交叉时的形态，巷道中风流的分布形态基本一致，区别仅在于风流在流速上的数值差异，对比各不同风速条件下的各静压云图，其形态也基本一致。由此可看出，风速大小的变化对风流经过十字交叉巷道时对风流的扰动影响，不起决定性作用，即入风端的风速大小对风流经过巷道十字交叉时的风流分布无明显影响。

2.3.3 巷道十字交叉对风流扰动距离分析

根据对不同风速条件巷道十字交叉对风流影响可知，风速大小对风流经过十字交叉巷道时对风流的扰动无明显影响，可认为不同风速巷道十字交叉对风流扰动距离可统一分析，产生扰动距离从风流稳定状态产生变化开始计算，至受扰动后风流重新形成稳定状态的距离，即需对巷道十字交叉模拟结果中风流分布变化状况进行观察，测量风流分布实际变化的距离（以Fluent模拟结果的距离标尺为参考距离标识进行测量），可得到具体的巷道十字交叉对风流扰动的实际的距离。使用上述方法，结合入风端风速为1 m/s、3 m/s 和13 m/s 条件下的风流分布云图及静压云图，分析巷道交叉对各分支巷道影响距离。

（1）以风速为1 m/s 巷道交叉模拟云图为例，对巷道十字交叉入风端风流扰动距离进行分析，可见入风端风流在巷道中稳定流动，在靠近巷道十字交叉位置约7 m 处时，巷道风流呈现出向巷道中心集中的现象（巷道中心风速逐渐变大，巷道两侧边壁风速变小），即风流在此处已经产生明显的扰动，因此，确定入风侧巷道十字交叉对风流稳定的距离为7 m。

（2）从图3、图5 和图7 中3 种风速条件下风流分布云图分析，巷道中的风流在经过十字交叉口后，呈现出圆锥形进入右侧巷道，即巷道中的中心风速稍大，风流经过一段距离后不断向巷道两侧发展，逐渐平衡，重新达到新的风流稳定状态，达到新稳定状态的距离约4 m，确定风流经过十字交叉巷道后，受交叉点的影响距离为4 m，此处受影响距离相对较短，也应与其与入风侧的方向一致性有关。

（3）巷道风流经过十字交叉点，进入与巷道风流相垂直的交叉巷道，由于此十字交叉巷道具有上下对称性，模型模拟的十字交叉巷道的上下部分巷道完全一致，其风流分布也是完全对称的，因此，可以取各风速条件下风流云图中位于交叉点上部的风流巷道的分布进行分析研究，观察各风速条件下的风流分布云图，入风端风流在经过交叉点后与原巷道垂直方向运动时，在贴进入风端巷道这侧，巷道壁在距离交叉点处受扰动形成一处风流流场真空区，风速极小，靠近巷道的另一侧则呈现出高速的射流状态，受巷道十字交叉影响，巷道两侧受扰动风流呈现出椭弧状，逐渐扩散，并形成新的平衡状态，十字交叉巷道中与入风端巷道垂直的风流受扰动影响的距离最远，也最大，巷道交叉口处风流分布极不均匀。经模拟风流分布云图结果对照分析，此种对风流扰动的影响距离约为20 m，这种影响距离较其他2种分支影响距离更远，分析主要原因为风流在通过该分支时经过转弯，风流局部阻力大且不均，造成风流扰动更剧烈，重新达到平衡所需要的距离也更长。

3 结 语

（1）巷道十字交叉对各巷道风流分布均有影响，风流入风端在靠近巷道交叉口时，会出现中心风速变大，两侧风速变小的现象，经过巷道交叉口且入风端巷道方向一致的巷道风流受扰动距离最小，与入风端垂直交叉的巷道受扰动最大，且呈现出风流分布极不均匀的现象，即靠近转弯侧巷道侧风速极小，另一侧风速相对较大的现象。

（2）改变不同风速条件时，巷道交叉对风流的实际流场扰动影响不明显，入风端的风速大小对风流经过巷道十字交叉时的风流分布无明显影响。

（3）巷道十字交叉对各交叉巷道风流扰动距离具有差异性，入风端巷道风流扰动距离为距交叉口7 m；与入风端巷道一致的交叉口右侧的巷道风流受扰动距离最小，仅为4 m；与入风端巷道垂直的巷道风流受扰动影响的距离最大，也最远，约为20 m。

（4）在矿井通风系统测定或监测时，可参照该模拟研究结果，布点应尽量避免设置在受巷道交叉对风流产生影响的范围内。