突擴巷道流場風流分布特征的PIV實驗研究*

宋　瑩，王　東，郭　欣，楊　率，陳章良，史俊偉

(1.山東工商學院 管理科學與工程學院，山東 煙臺 264005；2.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 葫蘆島 125105；3.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 葫蘆島 125105)

0　引言

風流沿井巷的流動多為湍流運動，風流質點瞬時速度隨時間不斷產生隨機變化，想要實現風流速度的精確測量絕非易事。而礦井風流是熱量、粉塵、瓦斯的載體，研究風速分布對于以風流場為基礎的巷道瓦斯、火災氣體、粉塵運移規律，溫度、濕度分布及傳熱傳質過程規律具有重要意義。目前對于礦井巷道風流分布規律的研究文獻仍然較少，并且相關研究多集中在利用數值模擬[1-5]和傳統接觸性實驗測試手段[4-7]。由于數值模擬軟件處理多采用對N-S方程的簡化模型，模擬結果與實際流場流動必然存在偏差，且采用實驗手段進行測試也集中在利用熱敏風速儀、熱線式風速計、畢托管等常規傳統接觸性測速工具上，其測量會對流場產生干擾。并且上述文獻[1-7]均未考慮礦井風流的本質特征，忽視了湍流脈動對測風精度的影響。文獻[8-9]利用非接觸激光多普勒測速儀(LDA)測試得到了均直巷道和突擴巷道斷面風流分布規律，但從流場測量方式來說，LDA是點測量方法，無法一次反映出流場空間結構的變化，會對研究湍流的核心問題——漩渦結構造成阻礙，而粒子圖像測速儀(PIV)則突破了空間點測量的局限性，可在瞬間記錄下一個平面(激光片光)內的流動信息，實現全流場的瞬態測量[10]。但是目前，在國內外礦井通風湍流研究領域，將PIV測速技術應用于礦井風流實驗測試研究極少見諸文獻，因此，本文利用非接觸PIV測速技術對突擴巷道縱向截面風流變化進行瞬時測試，并分析速度分布規律，為后續進一步研究巷道風流流態提供理論基礎和指導。

1　實驗裝置與測速系統

1.1　實驗裝置

本次實驗模擬風流在平直巷道的穩定流動及突擴后的風流狀態，相似比例1∶25。實驗模型采用循環通風方式，主要由通風動力裝置、流量計、示蹤粒子布撒裝置、測試段以及連接管路組成。測試段為矩形突擴巷道，為研究突擴規律，將突擴比夸大，突擴比設為1∶2，測試段總長為7.2 m，巷道突擴前斷面尺寸為120 mm×100 mm(寬×高)，突擴后斷面尺寸為120 mm×200 mm(寬×高)，利用透光性好，折射率低的光滑亞克力板加工制成，并采用專用的亞克力膠粘貼，系統密閉性良好。突擴巷道實驗裝置示意如圖1所示。

圖1　突擴巷道實驗裝置Fig.1　Experimentaldevice of the sudden enlarged roadway

1.2　測速系統

PIV是利用粒子的成像來測量流體速度的一種測速系統。其基本原理：脈沖激光器發出的激光通過片光源鏡頭組(由球面鏡和柱面鏡組成)，形成一扇形脈沖片光源，照亮流場測試區域，通常為一個很薄的面(1～2 mm)。在一定的跨幀時間Δt內，用位于激光面垂直方向的PIV專用跨幀CCD相機記錄下測試區域中前后2幀流場示蹤粒子圖像，然后將數字化的圖像送入計算機系統，利用自相關或互相關原理對圖像進行矩陣處理，得到流場中各點的速度信息[10-11]。

PIV系統由Dantec公司提供，激光光源采用Dual Power 135-15雙脈沖Nd：YAG激光器，其最大輸出功率為每脈沖800 mJ，脈沖激光波長為532 nm(綠光)，脈沖持續時間為4 ns，且脈沖間隔可調，激光器光路產生的片光源從實驗模型中心上方垂直入射。配置的專用跨幀CCD相機為Nikon公司生產，分辨率達2 048 pixel× 2 048 pixel，并配備532 nm的濾光鏡，CCD相機軸線垂直于激光平面拍攝。并采用FlowManager軟件對圖像進行自相關和互相關算法處理。

2　突擴巷道流場實驗測試

2.1　實驗測試區域

如圖2所示，實驗選擇了巷道突擴界面前后的測量區域。由于CCD相機有最大可觀測范圍的限制，調整相機焦距以及片光源的高度，PIV測速技術無法一次完成突擴前后縱向截面速度場信息采集，故實驗采取分段測試。

圖2　實驗測試區域Fig.2　Experimental test area

2.2　實驗參數設置

本實驗在平均風速分別為2.5 m/s(Re=1.9×104)和4 m/s(Re=3.0×104)2種通風風速下對突擴巷道風流進行測試，實驗巷道內風流速度場雷諾數均大于4 000，風流流動狀態已呈湍流態，滿足了雷諾相似準則，保證與實際井下巷道內的風流流動狀態具有動力相似性。

實驗所用的專業跨幀CCD相機圖像分辨率大小為100 μm/pixel，判讀區像素為32×32，即：3.2 mm×3.2 mm。光擴散劑示蹤粒子[12]由粒子發生器發出，經過整流格柵均勻進入實驗測試區域。CCD相機的拍攝頻率設為5 Hz，即每0.2 s拍攝2幀圖像，實驗在每個通風工況下拍攝200組瞬時二維速度場。跨幀時間Δt的設定對于PIV測量結果具有重要影響，由下式(1)計算，當平均風速為2.5 m/s時，跨幀時間Δt為：

(1)

同理，當平均風速為4 m/s，跨幀時間Δt≈200 μs，并通過在實驗中的反復測試，確定適合的跨幀時間分別為320 μs和200 μs。

3　突擴巷道流場風流分布特征分析

3.1　瞬態流場分布

圖3為平均風速為2.5 m/s時，突擴巷道風流場在某一時刻的瞬態速度流線與云圖。可見風流經突擴巷道后，流場發生了強烈變化，在突擴段后上下隅角形成多個大小不一的漩渦區，漩渦區內風流方向也極不規則，各向均有分布，且隨時間不斷發生變化，各時刻流場速度分布并沒有表現出一致性，變化十分劇烈，速度流線呈現出“雜亂無章”的分布狀態。這也進一步說明了PIV測試技術較傳統的測試儀器更能夠清晰獲得復雜流場的瞬態實時速度信息。

圖3　突擴巷道風流場在某一時刻的瞬時速度流線與云圖Fig.3　Instantaneous velocitystreamline and cloud maps of the wind flow field in the sudden enlarged roadway at a certain moment

3.2　時均流場分布

將實驗獲得的200組瞬態速度統計平均處理后，得到突擴巷道風流場時均速度流線與云圖分布如圖4所示。從圖4可以看出，應用PIV測量技術可以得到流場空間結構變化，清晰地看到經過突變界面前后風流速度的變化情況。風流在突擴前的平直巷道，速度流線基本呈平滑直線，在突擴段后上下隅角形成回流漩渦區，上隅角回流區較小，回流區長度約在距離突擴界面250 mm處；在下隅角形成了一個狹長且貼近巷道壁面的大回流區域，回流區長度約在距離突擴界面550 mm處，突擴上下隅角形成的回流區并沒有表現出對稱性。整個回流區內的風流速度值很小，風速均值在-0.6～0.6 m/s之間波動，與主流風速相比，渦流區內風速較低，并且在渦流區域內風流方向極不規則，各向均有分布，表明在煤礦井下測風時可以有條件地忽略渦流區，因為渦流區測風方向極不穩定，而且風速很低。由于渦流區速度明顯低于主流風速，在上下隅角區域容易造成有毒有害氣體和粉塵積聚，且不易排出，煤礦井下應加大對隅角區域的通風管理工作。

圖4　突擴巷道風流場時均速度流線與云圖Fig.4　Mean velocity streamline and cloud maps of the windflow field in the sudden enlarged roadway at a certain moment

突擴巷道風流時均速度場與瞬時速度場對比發現，瞬態流場隨時間的變化而不斷變化，而時均流場中有穩定、規則的漩渦回流。為進一步清晰表達突擴巷道風流場的結構特點，以平均風速為2.5 m/s為例分析流場速度分布特征，圖5為沿風流方向x軸上12個特征位置處風流時均速度v分布規律曲線。由圖5可見，風流在突擴界面前的平直巷道斷面風速分布呈現出中間區域風速較大，越靠近巷道邊壁風速越小的趨勢。經過突變界面后，風流發生劇烈變化，在突擴上下隅角出現負值風速，表明此位置產生了與主流風速方向相反的流速，存在回流漩渦區，且回流區內的風速值相對于主流風速很小。從縱向速度分布趨勢來看，突擴上隅角風速負值約在x=400 mm處結束，即表明上隅角回流區的長度約距離突擴界面250 mm；突擴下隅角風速負值約在x=700 mm處結束，即表明下隅角回流區的長度約距離突擴界面550 mm，突擴上下隅角渦流呈現上小下大的不對稱分布。突擴界面前斷面中心風速約在3 m/s左右，風流經突擴界面后，能量逐漸耗散和衰減，斷面中心風速值減至2 m/s左右。風流經突擴界面后，在距離突擴界面約150 mm區域內風速依然呈現對稱分布，隨后風流呈現上揚趨勢，受突擴段上下隅角區域大渦湍流脈動影響，峰值拐點發生了震蕩性偏移。當下隅角回流結束后，由x=800 mm和x=900 mm處風速分布可見，峰值拐點漸漸下移至斷面中心位置，斷面風流將逐漸呈現對稱分布趨勢。由于上下隅角渦流的存在，回流區內的斷面風速呈現出“Ω”型分布趨勢。

3.3　突擴巷道流場實驗分析

突擴巷道PIV實驗發現，突擴后巷道流場風流狀態十分復雜，在突擴隅角區域出現了非對稱的渦流漩渦區。流體經過突擴斷面后，通常存在2種流動，即對稱流動和非對稱流動[13]。Durst F和MellingA[14]等通過實驗發現雷諾數Re=56時，突擴流動對稱的結論。李占松和朱士江[13]利用數值模擬方法得到了不同雷諾數下突擴流動分布狀態，并與Durst F[14]等的實驗結果進行對比分析，得出了當Re=10時，流動對稱；Re=56時流動基本對稱；Re=114時流動明顯偏轉的結論，且認為流體經突擴界面后，主流發生向左或向右偏轉是隨機的，并且由于數值計算迭代的方向不同會導致主流偏轉的方向不同，產生非對稱流動現象，這與文獻[15]的數值模擬結果吻合。對于突擴管道出現的非對稱流動狀態，經過一段充分發展的距離，會逐步趨于對稱。并且渦流區的形狀隨突擴比(小斷面與大斷面的面積比)不同而變化，當突擴前小斷面的面積較小，即突擴比較大時，可能造成不對稱的渦流區[16]。而在本文實驗測試條件中，突擴巷道風流雷諾數達到了104，巷道突擴比為1∶2，實驗測試結果出現了突擴流動偏轉現象，與上述文獻實驗[13-16]及數值模擬研究結果具有一致性。

本實驗在較為理想狀態(巷道光滑)下風流的分布特征都如此復雜，而實際井下巷道表面粗糙，對風流的干擾更加劇烈，風流分布特征必將更為復雜多變，而基于本次實驗模型的PIV測試結果可為實際礦井中復雜的風流湍流流動研究奠定實驗理論基礎。

4　結論

1)PIV技術可以清晰地獲得突擴巷道全流場信息，瞬態風流分布“瞬息萬變”，時均流場中突擴前平直巷道速度流線基本呈平滑直線，突擴后上下隅角存在回流大渦區，呈現出不對稱分布，并且渦流區測風方向極不穩定，而且風速很低，風速平均值大約在-0.6 m/s～0.6 m/s之間波動，表明在煤礦井下測風時可以有條件地忽略渦流區。

2)突擴斷面縱對稱軸風速分布表明，突擴界面前的平直巷道斷面內風流呈對稱分布，風流經突擴界面后，上下隅角區域風流速度出現負值，表明此位置區域存在回流。受突擴段上下隅角區域大渦湍流脈動以及矩形管道湍流二次流的影響，風流在距離突擴界面150 mm處開始呈現上揚趨勢，突擴斷面縱對稱軸上風速分布峰值拐點發生了震蕩性偏移，當下隅角回流區結束后，風速分布峰值拐點漸漸下移并逐漸呈現對稱趨勢，回流區內斷面風速整體呈現出“Ω”型分布形式。

3)非接觸PIV測速技術能夠實現流場速度瞬態測量，更加精準地測試巷道流場風流的湍流特性，并反映出突擴巷道流場回流漩渦結構分布特征。

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