張京兆，張紅記，姜紅敏，李燕峰，高 鵬

(1.西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054；2.霍州煤電呂臨能化煤電綜合項目部，山西 呂梁 033200)

矩形巷道轉彎后測風站位置的數值分析

張京兆1,2，張紅記2，姜紅敏2，李燕峰2，高 鵬2

(1.西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054；2.霍州煤電呂臨能化煤電綜合項目部，山西 呂梁 033200)

提出井下測風站應設在巷道風流的充分發展段，并以某矩形巷道為原型建立六個模型進行數值試驗。數值結果表明，進風順槽測風站合理位置距離轉彎處遠超10m；不同轉彎角度時進風順槽測風站的合理位置在距離轉彎處163～176m之后；模型3在計算表面粗糙度范圍內，測風站合理位置在距轉彎處144～177m之后。

矩形巷道；充分發展流動；測風站；數值模擬

礦井通風是保證煤礦安全生產的重要技術手段之一，準確測定礦井通風參數是其基礎工作[1]。目前我國煤礦井下測風主要采用機械式風表人工測風與風速傳感器實時監測相結合的方式實施。在測風儀器正常工作的情況下，人工測風因測風員的測風經驗和方式而存在偏差，風速傳感器監測相對穩定，但其可能因懸掛位置不同或固定不好等因素導致更大的誤差。當前，大部分礦井更信任人工測風數據，煤礦人工測風在井下測風站進行。根據文獻[2]的解釋，井下主要巷道均應建立測風站，測風站應設在平直的巷道中，其前后10m范圍內不得有障礙物或巷道拐彎等局部阻力，以保證所測風量的準確性。

由某礦實際現場測風結果可知，在系統沒有任何變化的情況下，對某一個測風站，不同的測風員測風結果不同，這是因為測風方法和技術有所誤差；同一個測風員在固定位置測風結果幾乎相同，而在測風站范圍內更換測風位置后會得到不同的結果，這說明該測風站位置不合理。由流體力學可知，流體在管道內流動時，內流中邊界層相遇之后的流動被稱作充分發展流動，其流動參數不隨流向發生變化。井下巷道空氣的流動也屬于管道流的范疇，如果測風站布置在風流充分發展段，在測風站范圍內任意斷面上測風，固定的測風員由于其測風習慣相同可測得一致的數據，從而提高所測風速(風量)的準確性。本文以一矩形巷道為例，對巷道轉彎后測風站合理位置進行數值分析。

1 數值模型及數值方法

以某斷面為5m×3m的采煤面進風順槽為例進行建模。采區進風巷風流在壓差作用下分流至該進風順槽的風量一定，由于其斷面積固定，則其入風口的風速為一定值。建立采區進風巷與進風順槽之間夾角分別為45°(模型1)、60°(模型2)、90°(模型3)、120°(模型4)、135°(模型5)、150°(模型6)六個模型，其中模型3示意圖如圖1所示，其他模型同模型3結構相同。模型包括進口段，轉彎段和出口段三部分，進口段用來模擬采區進風巷，出口段用來模擬進風順槽，轉彎段模擬采區進風巷與進風順槽之間的連接處，圖1(b)為模型3轉彎段的處理方式。一般井下實際的采區進風巷為矩形或拱形，斷面尺寸也較進風順槽要大，此處僅考慮為進風順槽分配的部分風流在轉彎后的擾動影響，同時為了數值模擬的方便，將其設計為與進風順槽斷面相同的情況。

采用FLUENT軟件進行數值模擬。流體物性經現場測定取空氣密度為1.2 kg/m3，粘度1.44×10-5kg/(m/s)。邊界條件包括：進口風速v=常數；巷道頂板、底板及側幫為無滑移壁面wall，粗糙度取0.04，粗糙度常數取0.8；出口為outflow。

湍流計算采用k-e湍流模型，速度-壓力耦合為SIMPLE算法，所有方程的求解全部采用二階精度的二階迎風離散格式，收斂標準全為2×10-6。

2 井下巷道風流充分發展的判定

以模型3為例，取進口風速為0.75m/s、1.0m/s、1.25m/s、1.5m/s、1.75m/s、2.0m/s、2.25m/s七種情況進行模擬計算。

2.1 定性分析

針對不同進口風速情況，在出口段取x分別為20m、70m、120m、170m、220m、270m等5個斷面的速度梯度分布情況。由于篇幅原因，這里只給出進口風速為0.75m/s、1.25m/s、1.75m/s、2.25m/s等4種情況的速度梯度分布，如圖2為所示。

從圖2可看出，4種不同進口風速情況下，風流由直角彎進入進風順槽后，沿x方向不同斷面的速度梯度分布發展趨勢是一致的，風流達到充分發展流動的位置都在x=170m附近，x=270m的位置可看做進風順槽風流充分發展的基準面。

2.2 定量分析

針對不同進口風速情況，分別取x為20m、70m、120m、170m、270m五個斷面的水平中心線各節點速度梯度值。各以x=270m情況為基準，計算前四個位置各節點速度梯度相對x=270m的偏差并進行比較，如圖3所示。

由圖3的4個子圖的縱坐標參數變化可知，進風順槽內風流受轉彎擾動的影響隨距離轉彎段距離的增大而減小；4條取值線在不同進口風速條件下與相對應的充分發展的x=270m位置取值線的風流速度梯度相對偏差完全一致，這說明進風順槽風流達到充分發展的位置與進口風速無關，這是因為所選計算風速都保證巷道內風流處于湍流狀態。選用1.5m/s作為后續分析的進口風速。

考慮井下巷道實際情況，將進風順槽風流充分發展的條件限定為整個斷面各計算節點與x=270對應節點速度梯度的最大相對偏差的絕對值小于1%，如式(1)所示。

(1)

式中，v270i和vxi分別為基準面與x斷面第i個相對應節點的速度梯度值。

3 數值結果及分析

在前述方法基礎上，對不同轉彎角度的六個模型在相同的粗糙度條件下進行數值實驗，分別確定進風順槽風流充分發展位置如圖4所示，其中縱坐標D為風流充分發展位置距轉彎處的距離。

由圖4可知，計算所選六個進風順槽模型風流充分發展位置距進口處距離范圍為163～176m，這與文獻[2]的解釋有較大差別。隨著采區進風巷與進風順槽之間夾角的增大，進風順槽風流充分發展位置的變動較小，趨勢表現為先增大后減小。采區進風巷與進風順槽之間夾角在45～135°之間變化時，進風順槽風流充分發展位置逐漸增大，這因為轉角角度小時，風流由采區進風巷至進風順槽后幾乎轉向，擾動較大，較易達到充分發展狀態；135～150°之間充分發展位置減小需今后研究分析。

以模型3為例，在通過改變巷道壁面粗糙度高度分析表面粗糙度對進風順槽風流充分發展的影響，結果如圖5所示。

圖5表明計算范圍內進風順槽風流充分發展位置為144～177m，隨著巷道表面粗糙度的增大風流更易達到充分發展，變化趨勢接近負斜率直線，這是因為巷道表面粗糙度加大后增加進口段擾動，另一方面，表面粗糙度增大減少了風流流動空間，相當于減小斷面積或增大風速，而前面已分析相同情況下風流充分發展位置與進口風速無關，因此巷道斷面減小會使巷道風流更早進入充分發展階段。

圖4 不同轉彎夾角下充分發展位置

圖5 不同表面粗糙度下充分發展位置

由此可以得出，采區進風巷與進風順槽之間不同轉彎夾角下測風站位置的合理范圍為距轉彎處163～176m之后，轉彎段為90°夾角的進風順槽測風站合理位置與其表面粗糙度有關，計算表面粗糙度范圍內，測風站合理位置為距轉彎處144～177m之后。

4 結論

1)提出井下測風站可設在巷道風流的充分發展段以提高風量測定的精度。

2)進風順槽測風站合理位置超出文獻[2]的建議范圍。

3)計算的平直采區進風巷與進風順槽之間轉彎角度在45～150°范圍內時測風站的合理范圍為距離進風口163～176m之后。

4)轉彎段為90°夾角的進風順槽測風站合理位置與其表面粗糙度有關，在計算表面粗糙度范圍內，測風站合理位置為進風口144～177m之后。

[1] 張國樞.通風安全學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2011.

[2] 煤礦安全規程專家解讀編委會.煤礦安全規程專家解讀(2011年修訂版)[M].徐州：中國礦業大學出版社，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

國家自然科學基金項目資助(編號：51104116；51104117)；霍州煤電高層專業人才實踐工程資助項目資助(編號：HMGS2012XX)

張京兆(1976-)，男，博士研究生，主要從事通風與安全方面研究工作。E-mail：zhangjz98@126.com。

TD723

A

1004-4051(2015)01-0142-04