巷道中車輛不同行進狀態下的活塞風效果分析

馮京波

（晉能控股集團，山西 晉中 032600）

引言

由于流體黏性效應，井下承擔運輸任務的柴油機車和礦車在巷道中運行時，會與周圍空氣相互摩擦，從而會帶動部分氣體流動，且巷道內風流流動受限，被擠壓的空氣一部分沿車輛前方向前流動，一部分從車輛和巷道的間隙流動到后方，形成了活塞風效應。隨著井下開采量的增加，礦車等機車在巷道中的活動更加頻繁，導致礦井運輸過程中的活塞風問題也越來越明顯。因此，對活塞風導致速度場和壓力場變化的研究也越來越重要。目前主要集中于對車輛運輸和井筒提升形成的活塞風進行研究。王從陸等采用移動參考框架對車輛不同運行狀態形成的活塞風進行模擬分析[1-2]，王文才、王海橋等分析了礦井提升設備在升降過程中活塞效應的動態阻力分布[3]。

1 礦井巷道活塞風效應計算的數學模型

井下車輛、罐籠等較大的運輸設備在巷道或豎井中運動時，產生的活塞風會影響風流流動，使其流場發生變化。采用數值模擬的方法，對巷道中車輛行駛產生的活塞風進行模擬分析。為便于計算分析，根據實際情況對模型做如下假設[4]：

1）風流可視為不可壓縮氣流，并且忽略流體黏性力做功耗能。

2）壁面假設為絕熱壁面，且風流等溫。

3）流體的紊流粘性具有同向性，且將紊流黏性系數看作標量。

4）風流流動為穩態紊流，滿足Boussinesq 假設。

根據以上假設，巷道內的空氣流動一般為紊流流動，對于不可壓縮流體，紊流模型采用標準的k-ε 雙方程模型。

式中：ui，uj為速度分量，m/s；xi，xj是坐標分量；t 為時間，s；fi為質量力，m/s2；v 是層流動力黏性系數，Pa·s；vt紊流黏性系數，vt=Cuk2/ε，Pa·s；γ 為系數；k 為紊流動能，m2/s2；Gk為平均速度梯度引起的紊動能產生項，；pk為修正時均壓力，Pa；ε為紊流動能耗散率，m2/s3；方程中其他常數為σk=1.0，σε=1.33，C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cu=0.09。

2 模型建立和參數設置

2.1 物理模型的建立和網格劃分

車輛在巷道中運行時，會產生活塞風，同時巷道內的流場也發生變化，因此結合現場實際情況，建立簡化后的三維物理模型。巷道長為50 m，斷面為半圓拱形，拱高3.5 m，半圓的半徑為1.5 m；將車輛看作是一個矩形，長8 m，寬1.6 m，高1.6 m。采用Workbench 建立模型，并劃分六面體網格，如下頁圖1 所示。計算域為巷道內有氣流通過的地方。

圖1 模型及網格劃分

2.2 求解方法的選擇

采用基于壓力隱式分離的求解器，選擇三維穩態流動。流動速度為絕對速度，紊流模型選擇雙方程模型；梯度選項選擇green-gauss cell-based，采用SIMPLEC 算法求解壓力與速度耦合以加快收斂速度；壓力場采用標準離散方法，其他都采用二階迎風格式離散；壓力松弛因子設為1，其他保持默認；采用壓力梯度效益加強墻面處理方式。

2.3 邊界條件的設置

巷道兩側分別為風流的入口和出口，入口選擇為速度入口，風速為3 m/s，且入口處風速均勻；出口選定為壓力出口，靜壓為0；車輛表面設為固定壁面，巷道壁面設為絕熱，垂直壁面的壓力梯度為0，近壁面采用標準壁處理，流體運動類型為moving wall，且壁面無滑動；流體區域運動采用SPF 模型；采用紊流強度和水力直徑確定紊流[5-6]。

（1）德城區城市建設面積從1997—2017年擴大了1.77倍，尤其是2005—2010年間，建成區擴展強度指數最大，擴展面積最多，增加了29.24 km2，年均增加4.87 km2．

3 數值模擬與結果分析

為分析車輛運行過程中對風流的影響，以及形成的活塞風，采用控制變量法，保持入口風速和出口的總壓不變。先做進行空白模擬，即讓車輛在巷道中靜止，觀察流場的變化；然后模擬車輛順風行駛和逆風行駛時，流場各自的變化規律。

巷道阻力可以通過出入口的壓強求得。由于巷道斷面相同，入口為速度入口，所以出入口的風流速度相等，即動壓相等，所以出入口靜壓的壓力差就是巷道阻力。

3.1 靜止車輛對巷道內流場的影響

當車輛靜止在巷道中，風流流過時，相當于遇到一個障礙物，風流繞過障礙物繼續前進的同時，流場發生變化，導致空間壓力和速度同時發生變化。其中巷道內的流場分布如圖2 所示，從圖中可以看出：

圖2 當車輛靜止時巷道內風速分布

1）對不同Y 值的平面流場進行分析，在巷道內，風流通過靜止車輛時，風速在巷道入口前均勻分布，但在車輛前后速度場發生明顯變化，車前出現一個速度減小區，在環狀空間速度增大，并在車后出現尾流，速度較小，局部出現v=0，且形成漩渦[7]。

2）對不同X 值的平面流場進行分析，由于風流通過障礙物時截面發生變化，導致在環狀空間內風流速度要明顯大于車輛前后的速度。

3）對不同Z 值的平面流場進行分析，入口處風流在截面上分布均勻，但在車前的前后靠經底板部分風速下降，出現兩個低速區。

除了速度場，壓力場也是反映風流變化的重要特征，其中靜壓更是風流運動的主要動力源之一。當運輸設備速度不同的時，壓力場的分布也會發生變化。如圖3 所示，當車輛在巷道中處于靜止狀態時，風流流過車輛后，巷道中的靜壓變化較大。車輛的迎風面中心處靜壓最大，由迎風面進入環狀空間處，靜壓幾乎為0。環狀空間靜壓為負，過了環狀空間靜壓逐漸變為0[8]。

圖3 當車輛靜止時巷道內壓力分布

3.2 車輛順風行駛時的活塞風

車輛以6 m/s 的速度在巷道中順風行駛時，與靜止狀態相比，風流流場會發生巨大變化，即形成了活塞風。風流不僅受到車輛的阻礙導致風流流線發生變化，而且受到車輛運動產生的誘導風流的影響。模擬得出的流場是由礦井正常進入巷道的風流和車輛運動產生的活塞風的共同作用下形成的。巷道內的流場分布如下頁圖4 所示，從圖中可以看出：

圖4 當車輛順風行駛時巷道內風速分布

1）對不同Y 值的平面流場進行分析，入口處風流分布均勻；在靠近車尾時風流開始出現變化，且出現一個低風速尾流區；且風流在環狀空間區增大幅度較小；車輛的正前方不存在v=0 的區域，與沒有漩渦產生，而是存在一個很小的低速區，它的大小和車輛的速度有關，遠離車輛后，風速快速下降，重新恢復穩定。

2）對不同X 值的平面流場進行分析，在車輛前后形成兩個低速區，這是由于車輛運動產生的額外的流場導致，且在車后的低風速區明顯大于車前。在環狀空間處，由于斷面積變小，風速增加。

3）對不同Z 值的平面流場進行分析，現象基本與前面相同，并且在環狀區域處，靠近地板附近的風速要高于頂板附近的風速。

車輛等運輸設備運動時，巷道內壓力場發生變化，如圖5 所示。車的前方會形成高壓區，同樣在車前方進入環狀區域處（車輛邊緣）會形成一個負壓區域，并且環狀區域處靜壓減小。在車后方也會出現一個低壓區，隨著遠離車輛，靜壓又逐漸增大。車輛前方靜壓的變化是由于車輛運動形成的活塞風導致的結果。車速越大，車前后的靜壓差就越大，后方氣壓產生的卷吸作用越明顯，活塞風就越大[9]。

圖5 當車輛順風行駛時巷道內壓力分布

當車輛與風流方向相同時，車與風有各自的速度，但由于方向一致，導致巷道內風流速度與車的相對速度變小，車后部的卷吸作用變弱。以上分析可以得出，活塞風源于車后的誘導風流。

3.3 車輛逆風行駛時的活塞風

當車輛行駛方向與風流流向相反時，在巷道風流和活塞風的共同作用下，風流流場會發生巨大變化。由于車輛行駛方向不同，模擬結果和順風行駛的結果又存在很大區別，風流場如圖6 所示，可以看出：

圖6 車輛逆風行駛時巷道內風速分布

1）對不同Y 值的平面流場進行分析，入口處風速均勻分布，靠近車輛時，在地板附近出現一個低速區，但車輛的前上角和環狀空間（特別是車的前半部分），風速急劇上升；在車后風速開始逐漸下降，但在車后方靠近巷道地板處有一個風流高速區，這是由于車輛運動形成的風流卷吸區導致的，車輛后方可分為尾流區和卷吸區。

2）對不同X 值的平面流場進行分析，可以明顯看到車輛前后存在的低速區和高速區，以及車輛后方的渦流充分發展。

3）對不同Z 值的平面流場進行分析，在環狀空間，風速分布存在一個變化的過程，入口附近靠近地板附近風速較大，頂板附近小；但繼續向后，由于車前部邊緣的高速風流，頂板附近風速逐漸變大，大于地板附近風速。

當車輛與風流速度反向時，車速與風流的相對速度變大，在車輛的后面出現負壓區，且負壓較大，導致卷吸作用增強。車輛逆風行駛時巷道內壓力分布如圖7 所示。

圖7 車輛逆風行駛時巷道內壓力分布

4 結論

1）當車輛順風行駛時，對巷道內流場變化影響相對較小，活塞風效果不明顯；當車輛逆風行駛時，巷道內風流場變化相對較大，特別是環車輛四周區域，風速和壓力明顯增加，對巷道通風的效果影響較明顯。

2）車輛在行進過程中，會在正前方形成一個正壓區，后方形成一個負壓區，車輛兩側由于流速較大，所以其靜壓要小于其他區域。且車輛逆風行駛時，產生的通風阻力要遠大于順風行駛時。

3）由于車輛行駛產生的活塞風，會對巷道原有風流有一定程度的擾動，使巷道局部風速發生較大變化，從而對礦井通風系統產生局部影響。因此，在對運輸巷道進行風量測定時，需考慮活塞風的影響。