矩形巷道转弯后测风站位置的数值分析

张京兆，张红记，姜红敏，李燕峰，高 鹏

(1.西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054；2.霍州煤电吕临能化煤电综合项目部，山西 吕梁 033200)

矩形巷道转弯后测风站位置的数值分析

张京兆1,2，张红记2，姜红敏2，李燕峰2，高 鹏2

(1.西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054；2.霍州煤电吕临能化煤电综合项目部，山西 吕梁 033200)

提出井下测风站应设在巷道风流的充分发展段，并以某矩形巷道为原型建立六个模型进行数值试验。数值结果表明，进风顺槽测风站合理位置距离转弯处远超10m；不同转弯角度时进风顺槽测风站的合理位置在距离转弯处163～176m之后；模型3在计算表面粗糙度范围内，测风站合理位置在距转弯处144～177m之后。

矩形巷道；充分发展流动；测风站；数值模拟

矿井通风是保证煤矿安全生产的重要技术手段之一，准确测定矿井通风参数是其基础工作[1]。目前我国煤矿井下测风主要采用机械式风表人工测风与风速传感器实时监测相结合的方式实施。在测风仪器正常工作的情况下，人工测风因测风员的测风经验和方式而存在偏差，风速传感器监测相对稳定，但其可能因悬挂位置不同或固定不好等因素导致更大的误差。当前，大部分矿井更信任人工测风数据，煤矿人工测风在井下测风站进行。根据文献[2]的解释，井下主要巷道均应建立测风站，测风站应设在平直的巷道中，其前后10m范围内不得有障碍物或巷道拐弯等局部阻力，以保证所测风量的准确性。

由某矿实际现场测风结果可知，在系统没有任何变化的情况下，对某一个测风站，不同的测风员测风结果不同，这是因为测风方法和技术有所误差；同一个测风员在固定位置测风结果几乎相同，而在测风站范围内更换测风位置后会得到不同的结果，这说明该测风站位置不合理。由流体力学可知，流体在管道内流动时，内流中边界层相遇之后的流动被称作充分发展流动，其流动参数不随流向发生变化。井下巷道空气的流动也属于管道流的范畴，如果测风站布置在风流充分发展段，在测风站范围内任意断面上测风，固定的测风员由于其测风习惯相同可测得一致的数据，从而提高所测风速(风量)的准确性。本文以一矩形巷道为例，对巷道转弯后测风站合理位置进行数值分析。

1 数值模型及数值方法

以某断面为5m×3m的采煤面进风顺槽为例进行建模。采区进风巷风流在压差作用下分流至该进风顺槽的风量一定，由于其断面积固定，则其入风口的风速为一定值。建立采区进风巷与进风顺槽之间夹角分别为45°(模型1)、60°(模型2)、90°(模型3)、120°(模型4)、135°(模型5)、150°(模型6)六个模型，其中模型3示意图如图1所示，其他模型同模型3结构相同。模型包括进口段，转弯段和出口段三部分，进口段用来模拟采区进风巷，出口段用来模拟进风顺槽，转弯段模拟采区进风巷与进风顺槽之间的连接处，图1(b)为模型3转弯段的处理方式。一般井下实际的采区进风巷为矩形或拱形，断面尺寸也较进风顺槽要大，此处仅考虑为进风顺槽分配的部分风流在转弯后的扰动影响，同时为了数值模拟的方便，将其设计为与进风顺槽断面相同的情况。

采用FLUENT软件进行数值模拟。流体物性经现场测定取空气密度为1.2 kg/m3，粘度1.44×10-5kg/(m/s)。边界条件包括：进口风速v=常数；巷道顶板、底板及侧帮为无滑移壁面wall，粗糙度取0.04，粗糙度常数取0.8；出口为outflow。

湍流计算采用k-e湍流模型，速度-压力耦合为SIMPLE算法，所有方程的求解全部采用二阶精度的二阶迎风离散格式，收敛标准全为2×10-6。

2 井下巷道风流充分发展的判定

以模型3为例，取进口风速为0.75m/s、1.0m/s、1.25m/s、1.5m/s、1.75m/s、2.0m/s、2.25m/s七种情况进行模拟计算。

2.1 定性分析

针对不同进口风速情况，在出口段取x分别为20m、70m、120m、170m、220m、270m等5个断面的速度梯度分布情况。由于篇幅原因，这里只给出进口风速为0.75m/s、1.25m/s、1.75m/s、2.25m/s等4种情况的速度梯度分布，如图2为所示。

从图2可看出，4种不同进口风速情况下，风流由直角弯进入进风顺槽后，沿x方向不同断面的速度梯度分布发展趋势是一致的，风流达到充分发展流动的位置都在x=170m附近，x=270m的位置可看做进风顺槽风流充分发展的基准面。

2.2 定量分析

针对不同进口风速情况，分别取x为20m、70m、120m、170m、270m五个断面的水平中心线各节点速度梯度值。各以x=270m情况为基准，计算前四个位置各节点速度梯度相对x=270m的偏差并进行比较，如图3所示。

由图3的4个子图的纵坐标参数变化可知，进风顺槽内风流受转弯扰动的影响随距离转弯段距离的增大而减小；4条取值线在不同进口风速条件下与相对应的充分发展的x=270m位置取值线的风流速度梯度相对偏差完全一致，这说明进风顺槽风流达到充分发展的位置与进口风速无关，这是因为所选计算风速都保证巷道内风流处于湍流状态。选用1.5m/s作为后续分析的进口风速。

考虑井下巷道实际情况，将进风顺槽风流充分发展的条件限定为整个断面各计算节点与x=270对应节点速度梯度的最大相对偏差的绝对值小于1%，如式(1)所示。

(1)

式中，v270i和vxi分别为基准面与x断面第i个相对应节点的速度梯度值。

3 数值结果及分析

在前述方法基础上，对不同转弯角度的六个模型在相同的粗糙度条件下进行数值实验，分别确定进风顺槽风流充分发展位置如图4所示，其中纵坐标D为风流充分发展位置距转弯处的距离。

由图4可知，计算所选六个进风顺槽模型风流充分发展位置距进口处距离范围为163～176m，这与文献[2]的解释有较大差别。随着采区进风巷与进风顺槽之间夹角的增大，进风顺槽风流充分发展位置的变动较小，趋势表现为先增大后减小。采区进风巷与进风顺槽之间夹角在45～135°之间变化时，进风顺槽风流充分发展位置逐渐增大，这因为转角角度小时，风流由采区进风巷至进风顺槽后几乎转向，扰动较大，较易达到充分发展状态；135～150°之间充分发展位置减小需今后研究分析。

以模型3为例，在通过改变巷道壁面粗糙度高度分析表面粗糙度对进风顺槽风流充分发展的影响，结果如图5所示。

图5表明计算范围内进风顺槽风流充分发展位置为144～177m，随着巷道表面粗糙度的增大风流更易达到充分发展，变化趋势接近负斜率直线，这是因为巷道表面粗糙度加大后增加进口段扰动，另一方面，表面粗糙度增大减少了风流流动空间，相当于减小断面积或增大风速，而前面已分析相同情况下风流充分发展位置与进口风速无关，因此巷道断面减小会使巷道风流更早进入充分发展阶段。

图4 不同转弯夹角下充分发展位置

图5 不同表面粗糙度下充分发展位置

由此可以得出，采区进风巷与进风顺槽之间不同转弯夹角下测风站位置的合理范围为距转弯处163～176m之后，转弯段为90°夹角的进风顺槽测风站合理位置与其表面粗糙度有关，计算表面粗糙度范围内，测风站合理位置为距转弯处144～177m之后。

4 结论

1)提出井下测风站可设在巷道风流的充分发展段以提高风量测定的精度。

2)进风顺槽测风站合理位置超出文献[2]的建议范围。

3)计算的平直采区进风巷与进风顺槽之间转弯角度在45～150°范围内时测风站的合理范围为距离进风口163～176m之后。

4)转弯段为90°夹角的进风顺槽测风站合理位置与其表面粗糙度有关，在计算表面粗糙度范围内，测风站合理位置为进风口144～177m之后。

[1] 张国枢.通风安全学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2011.

[2] 煤矿安全规程专家解读编委会.煤矿安全规程专家解读(2011年修订版)[M].徐州：中国矿业大学出版社，2011.

Numerical analysis of air measuring station location in a rectangular airway after turning

ZHANG Jing-zhao1,2，ZHANG Hong-ji2，JIANG Hong-min2，LI Yan-feng2，GAO Peng2

(1.School of Energy Engineering，Xi′an University of Science and Technology，Xi′an 710054，China；2.Coal and Electricity Department of Energy and Chemical Company，Huozhou Coal and Electricity Group Co.，Lvliang 033200，China)

The air measuring station of mine airway should be located in the fully developed region is proposed and numerical tests are conducted based on six models with a coal face as a prototype.The results show that，the distance between the reasonable location of air measuring station in head entry and the turning corner is much more than 10m.The reasonable location of air measuring station in different turning angles is 163～176m after the turning corner.In calculation the range of roughness heights of model 3，the reasonable air measuring station should set after the turning corner of 144～147m.

rectangular airway；fully developed flow；air measuring station；numerical simulation

2014-02-09

国家自然科学基金项目资助(编号：51104116；51104117)；霍州煤电高层专业人才实践工程资助项目资助(编号：HMGS2012XX)

张京兆(1976-)，男，博士研究生，主要从事通风与安全方面研究工作。E-mail：zhangjz98@126.com。

TD723

A

1004-4051(2015)01-0142-04