礦井運輸巷道內活塞風流的數值模擬

李立峰夏 輝

（1.山東工商學院，山東 煙臺 264005；2.煙臺市環保工程咨詢設計院，山東 煙臺 264000）

礦井運輸巷道內活塞風流的數值模擬

李立峰1夏 輝2

（1.山東工商學院，山東 煙臺 264005；2.煙臺市環保工程咨詢設計院，山東 煙臺 264000）

為了全面深入地了解礦井活塞風，采用FLUENT建立運數值分析模型，得出在運輸設備不同運動狀態下巷道內的速度場與壓力場變化，分析研究活塞風流對礦井通風系統穩定性的影響作用。研究結果對保持通風系統的穩定性，保證礦井安全生產具有參考意義。

活塞風；風流狀態；數值模擬；通風系統

隨著礦井生產能力和礦井機械化程度的提高，礦井運輸和提升設備工作時導致的活塞風問題愈加突出。井下活塞風會對礦井通風系統的穩定性造成擾動，而其變化沒有規律，且是經常性的。所以，要加強對礦井活塞風的控制，確保礦井通風系統的穩定性［1］。

1 活塞風流的數值模擬

中段運輸是礦山一項經常性工作，且速度較大。由此產生的活塞風對該中段區域的礦井通風穩定性影響很大。此時處于運輸巷道內的礦內大氣湍流流動是一個復雜的三維流動體系，以該體系作為模擬對象，采用FLU?ENT軟件對其速度場、壓力場等進行模擬［2，3］。

1.1 模型幾何及網格劃分

在運輸設備在巷道內產生活塞風的實際情況的基礎上，為了方便計算和分析，將運輸巷道簡化，取巷道斷面為矩形，其尺寸為50m×3.2m×3m；運輸設備尺寸為8m× 2m×2m，模型的計算域為巷道內氣流空間，如圖1所示。采用GAMBIT軟件來構建礦井活塞風模擬的幾何模型［4］，見圖2。為了詳細了解細小部位的風流，對局部網格進行加密，網格單元尺寸為0.1m，共得到402 820個體積單元。

圖1 建立巷道模型圖

圖2 模型網格劃分結果

1.2 模型邊界與計算方法

模型邊界出入口采用系統中的風流出入口，入口風速設定為2m/s，假設風速均勻分布，以巷道壁面作為固定邊界。出口類型為充分發展流，即outflow。求解流速和壓力耦合時采用SIMPLEC算法；接口黏度系數與密度按照相鄰節點的算術平均值計算；采用標準k-ξ湍流模型NS時均方程；壓力場采用標準離散方式，其他采用二階迎風格式離散［5］。

2 模擬結果分析

經過FLUENT解算，得到中段運輸時產生的活塞風的流場及速度分布［6，7］。為了便于分析活塞風效應，對以下3種情況的活塞風氣流進行了三維模擬：運輸設備速度分別為0、8、-8m/s時產生的活塞風，其中0風速的數據用于對比。為了便于分析巷道內各部分的風流狀態，將其劃分為多個子平面，即：平行于巷道底面的Z=0、1.0、1.9、2.8m子平面；垂直于中軸線的X=-4、0、4、8m子平面；平行于側壁的Y=0、0.4、0.8、1.2m子平面。

2.1 v=0m/s時各子平面速度分布

其速度流場如圖3、4、5所示。分析可得，對巷道風流來說，靜止的運輸設備就是一個正面障礙物，當巷道風流逐漸接近時，在運輸設備的正前方有一個加壓減速區；在運輸設備與巷道之間的環狀空間內，由于風流通過截面的縮小，風流速度急劇增大。繞過運輸設備后，再次出現加壓減速區，并在運輸設備的后部出現小速度尾流，并有反向的回流形成漩渦。

圖3 速度v=0m/s時平行于地面的子平面上速度場云圖

圖4 速度v=0m/s時平行于側壁的子平面上速度場云圖

圖5 速度v=0m/s時垂直于底面的子平面上速度場云圖

2.2 v=-8m/s時各子平面速度分布

運輸設備以速度-8m/s運行，與原風流方向相反。巷道內風流分布具體見圖6、7、8。

圖6 速度v=-8m/s時平行于底面的子平面上速度場云圖

圖7 速度v=-8m/s時平行于側壁的子平面上速度場云圖

圖8 速度v=-8m/s時垂直于底面的子平面上速度場云圖

從圖6、7、8中可以看出，原本分布均勻的風流速度流場在逐漸靠近運輸設備時，風流分布變得不規則，隨著距離的縮小，平行于底面的子平面上風流速度出現一個條帶狀低速區。由于運輸設備的阻礙作用，在運輸設備的正前方，有一個該方向速度為0的分界面，為保持流體的連續性，風流在另外2個方向流動。在巷道與運輸設備間形成的環狀空間內，風流速度出現局部急劇增大的現象，在運輸設備的前方上角部位出現風速最大值。繞過運輸設備后，由于邊界層分離，各種漩渦發展充分，風流速度減小。

2.3 v=8m/s時各子平面速度分布

運輸設備以速度8m/s運行，與原風流方向一致。巷道內風流分布具體見圖9、10、11。

圖9 速度v=8m/s時平行于底面的子平面上速度場云圖

圖10 速度v=8m/s時平行于側壁的子平面上速度場云圖

圖11 速度v=8m/s時垂直于底面的子平面上速度場云圖

由于速度一致，此時對于巷道內風流來說，運輸設備已經不作為障礙物存在。從圖9、10、11中可得出：在風流的入口段，風流流場結構較為簡單，基本接近均勻分布。由于運輸設備運行產生的速度流場作用，在運輸設備前后出現風流高速區，在環狀空間內的風流速度反而出現了速度降低的情況。平行于底面的子平面上，運輸設備前方，風流速度較高，在運輸設備通過后，速度迅速下降。垂直于底面的子平面上，在運輸設備后方臨近處出現風流高速區，在運輸設備后方的中間區域出現最大速度。

為分析運輸設備不同運動狀態情況下巷道內沿程速度分布與壓力分布的詳細情況，選取巷道底板中軸線上方Z=2.1m處的沿程速度與壓力分布曲線，如圖12、13所示。

從圖12、13中可以看出：運輸設備在巷道風流相向運行時，運輸設備前端會有一個高壓帶，沖擊巷道原有的速度場；而在環形區域內速度場將劇烈震蕩，在接近運輸設備時速度達到最大值，隨之銳減，復又增加，至設備末端；其總體速度也高于其他2種情況；在相向運行時，沿程壓力變化不大，未出現明顯的震蕩情況。

3 結論

當活塞風方向與礦井通風系統的風流方向相同時，對礦井通風是有利的；當活塞風方向與礦井通風系統的風流方向相反時，通風區域內風量會隨之減少，減少的幅度隨活塞風的大小變化，甚至可能出現局部時段的反風。從通風系統穩定性的角度來看，這是對原通風狀態的擾動，巷道斷面上的風流速度會隨之發生很大變化，是不希望發生的。因此，在確定和測定礦井通風風流的風量時和通風網絡構建過程中，要考慮活塞風的存在，必要時對礦井活塞風進行有效控制。

圖12 巷道沿程速度分布曲線圖

圖13 巷道沿程壓力分布曲線圖

［1］王海橋，田峰，施式亮，等.礦井井筒提升容器活塞風效應分析及計算［J］.湖南科技大學學報，2007（3）：1-4．

［2］鐘漢樞，李衛民，徐建閩.單向交通隧道通風控制模式研究［J］.現代隧道技術，2005（2）：76-80．

［3］鄭雪紅，劉傳聚，洪麗娟，等.地鐵區間隧道事故通風數值模擬研究［J］.都市快軌交通，2005（2）：67-72．

［4］徐元利，徐元春，梁興，等.FLUENT軟件在圓柱繞流模擬中的應用［J］.水利電力機械，2005（1）：39-40．

［5］豐存禮，劉成，張敏華.商業軟件Gambit和FLUENT在化工中的應用［J］.計算機與應用化學，2005（3）：231-234．

［6］G Evola，V Popvo.Computational Analysis of Wind Driven Natural Ventilation in Buildings［J］.Energy and Buildings，2006（5）：491-501．

［7］王從陸，吳超.礦井通風及其系統可靠性［M］.化學工業出版社，2007：330-342．

Numerical Simulation of Piston Wind on the Ventilation of Mining Tunnels

Li lifeng1Xia hui2
（1.Shandong Technology and Business University，Yantai Shandong 264005；2.Yantai Insftitue of Comsfultation and Design of Environmental Protection Engineering，Yantai Shandong 264000）

In order to comprehensively and deeply understand the coal mine piston wind,a numerical analysis model was established by using FLUENT,the change of velocity field and pressure field in the tunnel under different move?ment conditions was obtained,and the influence of the piston air flow on the stability of mine ventilation system was analyzed.The research results have reference value for keeping the stability of the ventilation system and ensuring the safe production of the mine.

piston wind；airflow state；numerical simulation；ventilation system

TD724

A

1003-5168(2016)09-0111-03

2016-09-01

2013年度山東工商學院青年基金項目（2013QN002）。

李立峰（1987-），女，碩士，講師，研究方向：安全管理、安全評價；夏輝（1985-），男，碩士，中級工程師，研究方向：環境評價、城鎮排水與污水處理、工業污染防治。