礦井主通風機風量測試方法的數值模擬研究

劉 濤

（大同煤礦集團華盛萬杰煤業有限公司， 山西 河津 043300）

引言

礦井主通風機作為煤礦安全生產中的重要組成部分，它的運行狀態對于實現整個煤礦的安全生產具有極其重要的意義。同時，在實際生產過程中發現，通風機由于故障導致其通風性能下降是瓦斯爆炸的主要原因之一，而風量則是評價通風機性能的主要參數[1]。綜合國內外研究學者的已有研究成果，虛擬器技術、傳感器技術及數值模擬分析手段已逐漸代替傳統的風量測試方法，其中FLUENT軟件被廣泛用于確定巷道平均風速點與斷面之間的關系。但實際生產過程中，關于風速的測定相對較為復雜，支架會對風量的測定產生一定的影響，需要在測定的過程中搭建支架固定風速傳感器[2]。由此，本研究基于FLUENT軟件研究了支架杜宇風速測定產生的影響，以期為有效改進通風機風量的測定方法及后續的誤差補償提供一定的理論指導。

1 風量測定方法及測風點位置確定

關于礦井主通風機的風量需要通過實際測量得到的風速及風壓進行計算，風量的測試方法需要根據礦井的實際情況進行選擇，以保證數據的準確性[3]。風速法是目前較為常用的測試方法，其計算方法為：

式中：S為巷道橫截面積；v為巷道內平均風速。

礦井主通風機的風速測定是通過風速傳感器測定，為減小數據的波動，應當將測風面設定在緩變流處，從而保證通過測風面的風流為有規律均勻分布。基于已有研究，本研究將測試點設置在風硐口，測試點的布置采用切貝切夫法，共設置24個測點，分布于4條直線上，具體的測點布置如圖1所示，圖1中L為主通風機葉輪直徑；1、2、3、4、5、6 為測點。

圖1 圓形巷道斷面測點布置

具體測量方法為，在選定的測風點搭建測量支架，并且根據所選擇的測點位置安裝風速傳感器，利用風速傳感器測得各點的風量后，根據式（2）計算巷道風量：

式中：vi為測風斷面上第i點的風速，m/s；S為巷道橫截面積，m2。

2 巷道內風流分布

巷道內風流主要以層流及紊流的形式存在，在礦井的實際生產過程中，層流的存在會對礦井中有毒有害氣體的管理產生不利的影響，因此在實際生產中不允許礦井中出現層流的情況[4]。《煤礦安全生產規程》中指出，礦井最低風速為0.15 m/s，根據現場測定及式（3）的計算結果得到雷諾數Re＞2320，即通風巷內的風流均為紊流狀態。

式中：v為巷道平均風速；d為管徑；μ為運動黏性系數。

礦井中大多數的風流狀態都為紊流，僅在靠近巷道的邊緣存在少量的層流，同時其厚度相對較低，流速低于空氣流速，但紊流的流速相對較大，由巷道邊緣至巷道中心逐漸增大，且巷道中線部位為紊流的核心，根據流體力學理論[5]，紊流也存在一定的規律性，其分布規律為：

式中：v'為切應力速度；k為試驗常數，通常為0.4；y為流體層到巷道邊緣距離；C為積分常數。

綜上所述，圓形巷道中流體的流動規律為：斷面上流體速度為對數分布，軸心附近的流體速度變化顯著，其紊流速度分布如圖2所示。

圖2 圓形巷道紊流分布特征

3FLUENT模擬方法及結果

在一般情況下，并沒有研究風流傳感器支架對巷道內風流分布的影響，但在實際測定過程中，由于流體的不可壓縮性，風流在通過測風斷面時會出現渦流區，從而導致流速的急劇改變，最終對風速造成影響。FLUENT主要用于研究復雜幾何區域內的流體流動及熱交換特性，可以在計算機上實現不同情況的模擬，不受時間及地點的限制，具有很強的靈活性。基于以上優點，本文利用此軟件對巷道內風流分布情況進行模擬，可較為直觀地觀測風流分布情況，從而反應出支架對于風流的影響。

3.1 模型建立

試驗模型為圓形風硐，通風機葉輪直徑為2 m。通常，風硐長度應當為風機葉輪直徑的10～12倍，因此本試驗選取風硐長度為24 m。測風截面為距離通風機進風口1.5倍葉輪直徑處，或選擇距離通風機出風口約為5倍葉輪直徑處，由此，本試驗選取10 m為測風截面。測點布置如圖1所示，分別在A、B、C、D四點設置支架進行模擬計算，支架為0.03 m×0.03 m直桿。

3.2 巷道風速場模擬

1）網格劃分。模型對于無支架的情況采用六面體網格進行劃分，有支架的情況用四面體進行劃分，同時還包含六面體、楔形及錐形網格。模型中X、Y、Z軸分別代表斷面的寬度、高度及風硐長度，選取風硐入口處中心作為原點。

2）條件假設及求解。本試驗中僅考慮流場的分布，對于系統中存在的熱交換及漏風等情況并不進行考慮。因此，系統中僅在風硐入口進風，且風流為不可壓縮流體，巷道邊緣的粗糙程度相同，試驗中空氣密度設為1.21 kg/m3。由于巷道內氣體流動特性為湍流流動，因此選用的模型為k-ε模型，軟件求解器為壓力基求解器，速度為絕對速度，壓力與速度的耦合關系采用SIMPLEC算法計算。

3）邊界條件。軟件設定的模型中風流的入口及出口分別為模型的邊界入口及出口，巷道的邊界作為固定邊界。入口邊界條件為velocity-inlet，風速為3 m/s，靠近巷道邊界的壓力梯度為零，出口邊界條件為outflow，壁面邊界條件為無滑移。

3.3 結果及分析

1）無支架情況。對于無支架條件下的風流模擬，其巷道斷面的風速等值線分布如圖3所示，當斷面中不存在支架時，風速為均勻分布，并且呈同心圓形式分布，沒有出現明顯的離層。截面外層的風速為零，中心處為最大值點，且流速散點圖中的最高點基本位于同一直線上，與理論上的分布規律一致，如圖4所示。

圖3 速度（m/s）等值線分布圖（無支架）

圖4 速度分布曲線（無支架）

2）有支架情況。關于有支架情況下的斷面風速等值線如圖5所示。從圖5中可以看出，當風巷中存在支架后，斷面的風流出現紊流，尤其是在支架附近紊流更為顯著，與無支架情況下的風流分布存在較大的差異，其風速分布圖如下頁圖6所示，從圖6中可以看出，在支架作用下，風速的變化比較顯著，其中心位置風速變化最為顯著，與已有的規律不同。

圖5 速度（m/s）等值線分布圖（有支架）

3）結果討論。通過對有支架及無支架兩種情況下風速分布進行模擬之后，分別得到了圖1中24個測點的風速值，具體結果如表1所示。由表1中數據可知，在無支架的情況下，截面上的風速分布呈同心圓分布，相同半徑上的風速值相同，越靠近軸心處風速越大；在支架存在的情況下，斷面整體風速的分布紊亂，整體相對于無支架情況較低，從巷道邊緣至軸心仍為逐漸增大的趨勢，但存在某些點風速突變，最大誤差可達到12.3%。無支架影響條件下的風速為2.96 m/s，而在有支架影響的條件下平均風速為2.8 m/s，相對誤差為5.7%；無支架影響下的風量為37.18 m3/s，支架影響下的風量為35.17 m3/s，相對誤差為5.4%，對應的誤差線如圖7所示，由圖7可知，當巷道中存在支架后會對各點風速值存在影響，其中誤差較大的點在截面中心附近，而巷道邊緣的相對誤差相對較低。

圖6 速度分布曲線（有支架）

表1 測點風速表

圖7 四條直徑相對誤差線

4 結論

本研究利用FLUENT軟件對于圓形巷道中有無支架情況下的巷道中的風流分布情況進行模擬，模擬得到各點對應的風速值。結果表明：在巷道中安裝支架會對巷道斷面的風速測定產生影響，其最大相對誤差可達12.3%。平均可以達到5.7%，對于風量的影響可以達到5.4%的相對誤差。綜合已有研究結果，可以對進一步改進礦井主通風機的風量測定方法及進行相關的誤差補償提供一定的理論指導。