氣流組織對掘進巷道隔熱分流排熱降溫效果的影響研究

繆一明

（上海理工大學建筑與環境學院，上海200093）

0 引言

隨著礦井開采深度的增加，地溫不斷升高，高溫礦井的熱害越來越嚴重，解決高溫礦井的熱害問題迫在眉睫。縱觀國內外的礦井降溫技術，總體上可分為非人工降溫和人工制冷降溫［1－4］。其中非人工降溫主要有通風降溫［5－7］、控制熱源法降溫、充填采礦法降溫及預冷進風風流［8］。人工降溫法主要有人工制冷水降溫技術、人工制冰降溫技術［9］和空氣壓縮式制冷技術。但是人工制冷降溫效率低，耗能大。后來，張習軍等［10］提出機械制冷降溫技術結合傳統的降溫方法進行綜合降溫。何滿潮等［11］提出利用礦井涌水作為冷源的HEMS深井降溫技術。在能源緊缺的當今社會，發展非人工降溫方法非常重要?；诖耍u聲華等［12］針對以井巷圍巖放熱為主的高溫礦井，提出了一種非人工降溫技術——掘進工作面隔熱分流排熱降溫技術。本文擬對此進行進一步的研究。

掘進工作面隔熱分流排熱降溫技術主要在離巷道周壁一定距離設置一道由導熱系數小于0.05 W／m·K的絕熱材料制作的密閉性較好的隔熱板，將壓入式局扇送進的風流一分為二。隔熱板以內的空間為主流道，其中的風流為主導風流，它決定巷道的溫濕環境；隔熱板與巷道圍巖組成的環狀通道是副流道，其中的風流為排熱風流，主要排放掘進工作面的部分有害氣塵和熱濕以及巷道圍巖的散熱散濕。為了組織好工作面的氣流和提高副流道的排放能力，位于工作面隔熱板端頭連接有可調節角度的導流板。此隔熱板在巷道周邊也形成了一種多組分、非勻質的復合傳熱結構（巷道圍巖、隔熱板及其之間的空氣層），它增大了巷道周壁的傳熱熱阻，減少了巷道圍巖向巷道空間的導熱量；還隔斷了巷道圍巖周圍空氣與巷道空間空氣的對流傳熱和濕交換，阻止了巷道圍巖與巷道中的人體、設備、設施之間的輻射傳熱等。相比其他降溫方法，該法構造簡單，維護方便，運行經濟，降溫效果明顯。

其物理模型如圖1所示。

圖1 巷道隔熱分流物理模型

1 氣流組織數值模擬

在掘進工作面隔熱分流排熱降溫技術中，影響降溫效果的因素很多。本文采用Fluent軟件，基于特定模型，主要對送風速度、隔熱板與巷道圍巖壁的距離及導流板的角度等對巷道的降溫效果進行了模擬分析。

1.1 數學模型

掘進巷道中風流流動的物理條件較為復雜，影響因素較多，為方便研究，作如下假設：

（1）巷道內風流為不可壓縮流體，忽略由流體黏性力做功引起的耗散熱；

（2）不計水蒸氣蒸發和瓦斯解吸，將固體和氣體的物理特性參數視為常數；

（3）流動為穩態紊流，流體的紊流黏性具有各向同性，紊流黏性系數νt作為標量處理；

（4）壁面密閉好，不漏風，且氣流的各組分之間沒有化學反應；

（5）只考慮由圍巖散熱引起的巷道內空氣溫度升高，不考慮掘進設備及其他熱源的影響。

氣流在掘進巷道的流動遵守質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。傳熱湍流模型采用標準k－ε雙方程模型，其控制方程組包括連續性方程、動量方程、能量方程、k方程、ε方程。這些方程可表示為如下通用形式［13］：

式中，u、v、w 為速度分量；φ為通用變量，可以代表u、v、w、T 等求解變量；Γ為擴散系數；Sφ為通用方程的源項。

1.2 幾何模型

巷道為直墻半圓拱形，在離巷道周壁一定距離設置一道密閉性較好的隔熱板，為了模擬方便，對模型進行了一定簡化，并基于Fluent軟件進行數值模擬。巷道斷面寬度為3 m，高為2.8 m（墻高 1.3 m、拱高 1.5 m），長為 25 m。隔熱 板 長16.5 m，端頭離掘進工作面3.5 m。風筒直徑為0.3 m，送風口距離工作面6 m。隔熱板與巷道周壁間距分別設為0.2 m、0.25 m、0.3 m，送風速度在1～5 m／s范圍內改變。導流板的尺寸為0.6 m×2 m、角度分別設為15°、30°、45°、60°、75°。坐標原點設在下游風流的隔熱板端頭處，該處離掘進工作面20 m，離出口5 m，其三維簡化模型如圖2所示。

1.3 數值模擬參數及邊界條件的設置

圖2 巷道三維簡化模型

采用Fluent軟件對掘進巷道風流溫度進行數值模擬時，計算模型設置為標準k－ε雙方程模型；材料屬性參數設定中空氣的密度設為1.225 kg／m3、黏性系數為1.79×10－5Pa·s；操作條件參數中操作壓力設置為1.01×105Pa；以風筒送風口為速度入口邊界，送風溫度T＝293 K，根據該巷道模型的尺寸大小，選取5 m／s范圍內的速度進行了研究。以巷道自由斷面為壓力出口邊界，邊界條件為p＝pout，沒有相對壓力。圍巖等壁面設定為無滑移、恒壁溫邊界條件，巷道圍巖溫度為313 K，掘進工作面設定為314 K，巷道底板為299 K。隔熱板與主流道、副流道交界面為流固耦合傳熱邊界，選定耦合（coupled）條件，墻體厚度為0.01 m，導熱系數為0.047 W／m·K。求解器參數中壓力速度耦合方式設置為SI MPLE，壓力離散方式設置為標準格式，離散格式設置為一階迎風格式。

水力直徑按下面公式計算：

式中，A為風流斷面面積（m2）；S為流體與固體接觸周長（m）。

湍流強度計算公式［13］：

式中，u′為湍流脈動速度（m／s）；u為平均速度（m／s）；ReH為按水力直徑D計算的雷諾數，Re＝，其中ν為空氣運動學HH黏度，為14.8×10－6m2／s。

2 掘進巷道氣流組織對巷道降溫效果影響的數值模擬分析

2.1 送風速度對巷道降溫效果的影響

根據模型的尺寸及風筒離掘進工作面的距離，取風筒的送風速度為1～5 m／s。并取定隔熱板與巷道圍巖壁的距離為0.25 m，導流板的角度為45°。模擬得到主流道風流溫度分布線圖（圖3）。

圖3 不同送風速度下主流道風流溫度分布線圖

從圖中可以看出，隨著送風風流和掘進巷道內工作面及高溫圍巖附近的空氣不斷進行換熱，主流道風流溫度從掘進工作面到巷道自由斷面基本成遞增趨勢。當送風速度為1 m／s時，工作面附近空氣溫度接近25℃，主流道溫度最高達到29.7℃；增加速度至2 m／s時，工作面附近溫度下降了約1℃，主流區最高溫度下降了2.2℃；當風速達到3 m／s時，主流區最高溫度下降了1.2℃；再繼續增加風速，降溫的幅度減少。因而，在實際設計中，應當綜合降溫能力和經濟因素，選擇合適的送風速度。

2.2 隔熱板與巷道圍巖壁的距離對巷道降溫效果的影響

取送風速度為3 m／s，導流板角度為45°，改變隔熱板與巷道圍巖壁的距離，分別設為0.2 m、0.25 m、0.3 m。模擬后得到其主流道溫度分布線圖（圖4）。

圖4 隔熱板與巷道圍巖壁不同距離下主流道風流溫度分布線圖

從圖中可以看出，當隔熱板與巷道圍巖壁的距離為0.2 m時，主流道溫度和掘進工作面附近溫度是最低的。隨著隔熱板與巷道圍巖壁距離的增加，主流道的分風量減少，主流道溫度和掘進工作面附近溫度都增加。當B＝0.25 m時，掘進工作面附近溫度增加了1℃，主流道溫度最高增加達3℃。而當B＝0.3 m時，掘進工作面附近溫度增加了0.5℃，主流道溫度最高增加了1.6℃。因而，在滿足施工安裝要求的情況下，應盡量減少隔熱板與巷道圍巖壁的距離。但在隔熱板出口處，B＝0.3 m時的溫度要低于B＝0.25 m時的溫度，且都在沒有隔熱板保護的區域發生了較大的溫度波動。這主要是由于B＝0.25 m、0.3 m時，副流道的分風量增加，在導流板的沖擊作用下，產生高速氣流，使來自副流道的一部分未與高溫圍巖充分換熱的氣流在隔熱板末端處與主流道的風流進行了換熱，從而使該處的溫度有所下降。

2.3 導流板角度對巷道降溫效果的影響

當送風速度為3 m／s，隔熱板與巷道圍巖壁的距離為0.2 m時，改變導流板的角度，分別設為15°、30°、45°、60°、75°，其主流道溫度分布線圖如圖5所示。

在掘進巷道中，送風風流和掘進工作面處的風流進行了強烈的換熱，撞擊工作面產生一次回風風流。而一次回風風流在導流板的沖擊作用下，又產生二次回流，其中一部分風重新進入巷道端頭區域，使該處溫度進一步降低，另一部分通過副流道與高溫圍巖進行換熱，還有一部分和未與導流板發生撞擊的風流混合進入主流道，維持主流道的溫濕度環境。當a＝15°時，在導流板的作用下，主流道分風量小且風速較小，從而使主流道溫度分布不均勻且有較大的波動。隨著導流板角度的增加，主流道溫度分布有所改善，溫度分布較均勻。但當導流板角度大于45°時，溫度分布又出現了較大的波動，在掘進工作面處溫度也有所升高，其中a＝60°時效果最差。

圖5 導流板不同角度下主流道風流溫度分布線圖

2.4 掘進巷道內風流溫度及速度分布規律

圖6 和圖7分別為送風速度為3 m／s，隔熱板與巷道圍巖壁的距離為0.2 m及導流板角度為45°時溫度和速度分布的等值線圖。從圖6可以看出，送風風流與掘進工作面進行了強烈的熱交換，使掘進工作面附近溫度在23℃以下?；仫L風流在隔熱板的作用下，一分為二。主流道和副流道內的溫度沿風流流動方向均不斷升高，且副流道回風風流溫度高于主流道風流溫度，副流道風流溫度增加梯度高于主流道風流溫度增加梯度。由于導流板的遮擋作用，在導流板的背流區產生了風流渦漩區，該處的溫度相對于周圍的空氣偏高。總體上來看，隔熱板的隔熱降溫作用取得了較好的效果。從圖7可以看出，巷道內的風速除了在送風風口處有較大的速度梯度外，其他區域速度較低，且分布比較均勻。

圖6 掘進巷道內風流溫度分布等值線圖

圖7 掘進巷道內風流速度分布等值線圖

3 結論

（1）掘進巷道中設置的隔熱板，減少了巷道圍巖向巷道空間的導熱量，并隔斷了巷道圍巖周圍空氣與巷道空間空氣的熱濕交換和巷道圍巖與巷道中的人體、設備、設施之間的輻射傳熱等，取得了較好的隔熱降溫效果。

（2）本文采用FLUENT軟件，主要模擬了送風速度的大小、隔熱板與巷道圍巖壁的距離及導流板的角度對巷道降溫效果的影響。結果表明：隨著送風速度增加，巷道內的溫度逐漸降低，當風速達到一定值時，繼續增加風速，降溫效果不明顯。因而，在實際設計中，應當綜合降溫能力和經濟因素，選擇合適的送風速度；隔熱板與巷道圍巖壁的距離會影響巷道的氣流組織，進而影響降溫效果，在滿足施工安裝要求的前提下，應盡量減少隔熱板與巷道圍巖壁的距離；隨著導流板角度的增加，氣流組織效果先變好再變差，其中在導流板角度為30°～45°之間時取得的效果最好。

（3）除了以上分析的因素外，風管及隔熱板端頭離掘進工作面的距離、隔熱板的長度及隔熱板的材料等都會對巷道的氣流組織產生影響。本文只是對特定的一個模型進行了定性分析，有一定的局限性。因此，對于具體設計，應該根據實際情況，綜合考慮各因素的綜合影響，從而得到最佳的隔熱板分流降溫的設計方案。

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