基于FLUENT的掘進作業面通風降溫數值模擬研究

聶曉鄴

(湖南新龍礦業有限責任公司， 湖南邵陽市 422000)

基于FLUENT的掘進作業面通風降溫數值模擬研究

聶曉鄴

(湖南新龍礦業有限責任公司， 湖南邵陽市 422000)

掘進作業面是礦山開采的主要工作面之一，研究高溫礦井掘進作業面通風降溫，可為井下深部開采通風系統的設計提出理論依據。根據空氣動力學、流體力學和傳熱學等理論，利用FLUENT軟件，在不同送風風速下對巷道內的溫度場的分布進行數值模擬研究。結果表明，送風風速是影響巷道內溫度場分布的重要因素之一，巷道圍巖溫度為35℃，在入口風溫為20℃，風速為6m/s，模擬得到掘進迎頭處的溫度在26℃左右，在距離掘進2m的區域內的溫度都在28℃以下，基本滿足安全規程要求，當風速增加到10m/s時，可更有效的帶走迎頭巖壁的熱量，通風降溫效果越好。

通風降溫；掘進面；高溫礦井；數值模擬；溫度場

0 引 言

隨著我國礦井開采深度逐漸增加和采掘機械化水平不斷提高，礦井熱害問題日益凸顯，已嚴重影響了礦井的安全生產和井下作業人員的身體健康[1]。為了保障礦山正常有序的生產，我國礦山安全條例規定，井下工人作業地點的空氣溫度，不得超過28℃，超過時應當采取降溫或其他防護措施[2]。目前，我國金屬礦井已逐漸進入千米開采時代，井下原巖溫度在40℃左右，有些礦井甚至高達50℃。據統計，我國有三分之一的礦井即將進入深部開采[3]，預計在未來20～50 a內，將大量涌現深井礦山，一部分礦山的開采深度可能進入2000m，個別礦山開采深度可能更大[4]。近年來，為改善井下高溫高濕作業環境，國內外已有許多專家學者進行了研究，并提出了相應的解決辦法，歸納起來主要有兩大類:一類是通風降溫措施；另一類是人工制冷冷卻風流的措施[5-10]。根據礦山的生產實踐，當采用隔離熱源、加強通風和冷水噴霧等降溫措施不足以解決井下熱害時，才采用人工制冷降溫措施。本文根據巷道風流流動特性、空氣動力學、熱力學、流體力學和計算流體動力學等基礎理論[11]，建立高溫礦井掘進作業面的物理模型和數學模型，利用FLVENTt軟件[12]研究高溫礦井掘進作業面在不同送風風速的冷風流下的流場分布規律及降溫效果。

1 數值模型的建立

1.1 物理模型

為了便于分析，選用簡化的長為50m的長方體巷道進行數值模擬解算。把風筒的出口作為模型入口邊界，風筒位于巷道壁旁，采用直徑為0.6m的單層帆布風筒，風筒出口距掘進迎頭的距離為5m，風筒距離地面高度1m，巷道內巖壁溫度為35℃。模型示意如圖1所示。

圖1 掘進作業面通風降溫模擬模型示意

1.2 數學模型

礦井內的風流流動復雜多變，大多數屬于湍流運動狀態[13]。在進行數值模擬計算之前，需要對礦內風流作以下假設:風氣為不可壓縮流體，不考慮空氣重力影響；壁面密閉性好，不漏風；流動的湍流粘性具有各向性，湍流粘性系數作為標量處理；流動為穩態湍流，滿足Boussinesq假設[14]。基于以上假設，可采用以下數學模型[14]:

式中:k為湍流的動能，m2/s2；ε為湍流動能耗散率，m2/s3；t為時間，s；v為層流粘度系數，Pa·s；p為修正時均壓力，Pa；ρ為空氣的密度，kg/m3；vt為湍流粘度系數，Pa·s；cp是比熱容，J/(kg·K)；ui為速度分量，m/s；xi為坐標分量，m；fi為質量力，m/s2；ST是流體內熱源和機械能轉換成熱量多余的部分能量；Gk為平均速度梯度引起的湍動能產生項。

2 參數設定

2.1 網格劃分

根據巷道的結構特點，鑒于非結構化網格對不規則的幾何邊界的適應性強，能夠很好地處理邊界問題，在使用Gambit繪制物理模型時采用非結構化網格進行離散。劃分網格主要采用四面體網格元素組成，4個物理模型中，計算區域最少劃分網格191743個，最大網格體積為3.552819×10－3，最小網格體積為1.171481×10－4，網格體積小于0.1m3的數量占總數的86.2%，網格的大小能夠滿足計算精度的要求。

2.2 邊界條件

根據掘進巷道的物理模型，設定風筒的出口速度為模型的入口邊界，以巷道的自由斷面處為模型的出口邊界，巷道及風筒的其他面設定為壁面。

入口的邊界條件為:入口類型為Velocity－inlet，入口溫度為T＝293 K，入口速度v＝15m/s；出口邊界條件:出口的類型為Outflow，沒有相對壓力，k和ε為自由滑動。壁面邊界條件:所有的壁面均采用無滑動邊界條件，溫度為308 K，類型為No Slip，粗糙度厚度為0.05m，粗糙度常數為0.5。

2.3 數值模擬參數

FLVENT軟件選用基于單元的格林－高斯方法的隱式分離三維穩定流求解器，湍流模型選用RNG k－ε模型，求解器參數中的壓力速度耦合方式設置為SMPLEC，壓力離散方式設置為標準格式，收斂標準為0.001。設定材料的屬性為空氣，密度為1.225 kg/m3，定壓比熱為1006.43 J/(kg·K)，動力粘度為1.784×10－5Pa·s，導熱系數為0.0242 W/(m·K)。

3 模擬結果及分析

3.1 殘差動態顯示

掘進作業面流場可以看成是一個穩態的風流流動和換熱過程，采用能量方程求解流體與巖壁的熱量交換，操作環境在一個標準大氣壓下，不計重力加速度。計算過程中的迭代步數設置為1000步。當計算迭代運行到第347步之后，各個變量滿足收斂條件，同時停止計算。其中，各個參數的殘差曲線隨迭代的步數逐漸趨于平緩，說明由差分方程得出的解與精確的值之間滿足精度要求，可判斷此次模擬迭代收斂。數值模擬過程中各參數的殘差動態圖如圖2所示。

圖2 數值模擬中殘差動態

3.2 溫度模擬結果

根據圖1所示簡化的計算模型和相關參數的設定，利用FLUENT軟件對高溫礦井掘進作業面采取壓入式通風方式下的三維流場進行數值模擬，模擬過程中，選取送風風速分別為6m/s和10m/s，得到的三維溫度場云圖如圖3所示。

圖3 不同送風風速下溫度場分布云圖

為了便于分析，用Tecplot后處理模塊得到2種風速下掘進作業面風速穩定后的溫度場分布圖，如圖4所示。

圖4 不同送風風速下溫度場分布

從圖4可以看出，起始階段，風流從風筒口流出按照自由射流規律發展，屬于射流區，但是，很快就開始有部分氣流從整個射流體中分離折返，向外流出。在氣流射流區內，溫度低于這個平面的其他部分，越靠近巷道巖壁，風流的溫度就越高，這點和從風筒射出的低溫風流有關，隨著射流的發展，風筒中送出的風流與巷道內的空氣和巷道巖壁發生熱濕交換，氣流吸熱，致使溫度升高，在靠近巖壁的位置熱濕交換發生得最為激烈，氣溫升高的也越大。風從風筒出口流出到掘進迎頭的過程中，因為送風風流與巷道巖壁的壁面進行了熱濕交換，沿著風流的方向溫度逐漸升高，回風回流的溫度隨著回風方向也呈現逐漸升高的趨勢。掘進巷道同一斷面風流中，風筒中心線方向的溫度最低，靠近巷道面的溫度最高，且溫度變化較大。從數值模擬結果來看，通風降溫效果還是很明顯的，掘進迎頭處的溫度在26℃左右，在距離掘進2m的區域內的溫度都在28℃以下，基本滿足安全規程作業要求。

便于分析距掘進迎頭不同距離通風降溫情況，自左向右選取6個不同截面的溫度分布圖分別表示風筒出口距掘進迎頭的距離Z＝5，4，3，2，1，0.2m時巷道內溫度場分情況，如圖5所示。

圖5 距掘進迎頭不同距離溫度分布云圖

從圖5可以看出，在風筒出口處的平均溫度基本上都在30℃之間，而風筒截面處的溫度最低，在22℃左右，風流吹向掘進迎頭的過程中，風筒截面方向上的溫度逐漸升高，而巷道中的溫度在逐漸下降，這是由于距離風筒出口越遠，掘進作業面區域的空氣流動減弱，使得作業面不易形成渦旋區，在風筒口附近，送風口送出的氣流具有卷吸作用，卷吸排出的氣流形成渦旋，其作用較弱，對排出氣流影響較小；距離風筒口距離較遠的區域，巷道下部區域空氣流速大于上部區域空氣流速，這有利于送風氣流與巖壁進行對流換熱作用。掘進作業面的流場是屬于有限空間的貼附射流物理過程，可分為貼附射流段、沖擊射流段和回流段。提高風速即提高了風筒送風量，可以更有效的帶走迎頭巖壁的熱量，所以送風風速越大，通風降溫效果越好。

4 結 論

針對高溫礦井問題，采用掘進作業面的壓入式通風降溫技術，利用FLUENT軟件對深井礦業掘進作業面的速度場、溫度場進行了數值模擬分析，得出如下結論:

(1)井下圍巖溫度為35℃，在入口風溫為20℃，風速6m/s下，得到掘進迎頭處的溫度在26℃左右，在距離掘進2m的區域內的溫度都在28℃以下，基本滿足安全規程作業要求；

(2)掘進作業面壓入式通風降溫的速度場和溫度場有著密切的關系，風速是影響巷道內溫度場分布的一個主要因素，在風速增加到10m/s的情況下，含有一定濕度的冷熱空氣進行熱濕交換的程度更激烈，有利于帶走巷道積聚的熱量，大約能多降低0.5℃～1℃，通風降溫效果越好。

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2015-05-27)