基于多場耦合下的巖石不穩定換熱系數的研究

鄧莉涵

摘 要：巖石的傳熱性受到多種因素的影響，如溫度場、滲流場、風速場。為分析多場耦合對巖石傳熱性的影響，通過在巖石外噴灑熱水形成熱源體，在巖石內部布置均勻的熱電阻進行巖石的溫度測定，對測定裝置通入不同風量。經過理論計算，進而驗證不同工況下巖石傳熱特性。

關鍵詞：鐵路隧道；多場耦合；換熱系數

引言：

隧道由于其封閉性，在使用過程中產生的大量熱量要靠熱環境控制系統來排除。隧道維護結構與圍巖的傳熱，對環控系統熱負荷的確定以及環控效果的長期穩定性有著重要影響。

鐵路隧道的出現和發展為人們的生活帶來了便利，但受制于技術條件的限制，在很長的時間內，鐵路隧道的規模都很有限，直到20世紀，才開始出現了一些大型隧道及深埋隧道，隨之而來在掘進施工中也出現了巖爆及高溫的現象，這些問題不僅會造成巨大的投資浪費，而且嚴重影響施工效率及人身安全。通過模型制作進行了多場耦合下的巖石不穩定換熱系數的測定與研究，探討巖石與風流、溫度等方面相互影響的規律，進而驗證不同工況下巖石傳熱特性，以減小安全事故發生的概率。

1.基本理論分析

1.1.調熱圈傳熱數值模型的建立

1.1.1巷道形狀為半圓拱形狀

由于巷道形狀對于井下龐大圍巖體的傳熱影響是很有限的。所以，為了便于開展研究，首先要對問題進行簡化，假設圍巖在巷道斷面的各個方向上都是均勻傳熱，熱流方向都為巷道徑向，而巷道形狀對應簡化為半圓拱形狀。

1.1.2 巷道圍巖均質且各向同性

由于地質條件千差萬別，不同地區的礦井在不同深度的巖石、結構特性也各不相同，其熱物理性質也不一樣。鑒于此，在研究過程中，若要考慮圍巖的不同特性，問題將十分復雜、難以解決。所以，在建立數值模型之前，對巷道圍巖的性質進行假設，將其視為均質且各向同性。

1.2實驗模型介紹

本試驗裝置主體模型如左圖所示，斷面為半圓拱形狀，長度為400mm，設置四個斷面，每個斷面布置3個熱電阻，共計12個熱電阻，進行溫度的實時測定；通風系統采用小型軸流風機進行變風量測定；混凝土外側設置高溫淋水系統，實驗裝置整體示意圖如右圖所示。

2 風流計算式

通過測定的入，出口的空氣溫度，相對濕度可以確定空氣入口，出口的含濕量。根據下面的公式，可以計算出通入空氣經過隧道后所增加的潛熱Qq 。

增加的潛熱Qq 計算公式：

Qq=m×r×（d2-d1）

式中：m —風流所含干空氣的質量流量，kg/s；

r —水蒸汽的汽化潛熱2500，kJ/kg ；

d1，d2 —進、出口風流的含濕量，kg/kg（干空氣）。

增加的顯熱Qx ，計算公式為：

Qx=m（cp·gt2+cp·qt2d2-cp·gt1-cp·qt1d1） ）

式中：cp·g —干空氣的定壓比熱1.005，kJ/（kg·℃ ）；

cp·q —水蒸汽的定壓比熱1.84，kJ/（kg·℃ ）；

t1·t2 —進出口風流的溫度，℃ 。

增加的全熱計算公式為：

Q1=Qq+Qx

假定風流在試驗平臺模擬隧道中不受任何外界熱源（冷源）的影響，只受到模擬隧道中圍巖溫度的影響，圍巖的放熱量Q2：

Q2=k1LU（tB-tgu）

TB=（t1+t2）/2

式中：

U —隧道周長，m；

L —隧道長度，m；

tgu —模擬隧道原始溫度，℃；

kT —風流與圍巖不穩定熱交換系數，kW/m2℃；

根據熱平衡原理：Q1=Q2 ，求得風流與圍巖不穩定熱交換系數。

3試驗結果

基于不同相同風量下（200m3/h、400m3/h、600m3/h、800m3/h），不同模擬巷道圍巖溫度的條件下，圍巖溫度設定為30℃、35℃及40℃，測試結果經整理后，模擬巷道進出溫度變化特性如圖1所示。

圖1 不同巖圍、不同通風量下進出口溫度變化特性

從圖1我們可以得出如下結論：

（1）結合試驗系統模擬巷道實驗系統的圍巖溫度及模擬巷道進出風口的風流進行測試，同一風量下出口溫度隨著圍巖溫度的上升而隨之升高；

（2）同一風量下，隨著圍巖溫度的升高，進出口溫差隨之增加，模擬圍巖溫度40℃相比30℃條件下，溫差升高僅1倍左右；

（3）結合試驗系統模擬巷道實驗系統的圍巖溫度及模擬巷道進出風口的風流進行測試，同一圍巖溫度下出口溫度隨著風量的升高而隨之減少；

（4）同一模擬圍巖溫度下，隨著風量的升高，進出口溫差隨之減少，風量800 m3/h相比200 m3/h下，溫差降低僅8倍左右，以此驗證井下通風降溫的可行性，在一定程度下，通風降溫可以有效解決礦井高溫高濕環境的難題。

測試結果結合理論分析與數值計算，圍巖不穩定換熱系數的數據如表1所示和圖2所示。

表1 不穩定換熱系數計算數據表

圖2不穩定換熱系數變化曲線圖

通過表1及圖2可以看出，圍巖傳熱系統不穩定換熱系數隨著時間的增長，基本維持在一個相對動態穩定的狀態中，不隨通風量及圍巖溫度的變化而變化。

4結論

結合圍巖傳熱的原理，構建了圍巖不穩定換熱系數，系統中包含了模擬巷道通風系統、模擬巷道通風系統、圍巖溫度模擬試驗系統及數據采集系統，為進一步進行更為詳細的圍巖傳熱及隔熱試驗奠定了一定的試驗基礎。

參考文獻：

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[2]孔祥強，謝方靜，陳喜山.圍巖對礦井如風流溫度的影響分析【J】.金屬礦山.2009（5）；164-1650