無風(fēng)墻機(jī)站風(fēng)流調(diào)控效應(yīng)

彭云

(1.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 福建 龍巖市 364200； 2.昆明理工大學(xué)， 云南 昆明 650093)

0 引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)中多個(gè)采場等用風(fēng)地點(diǎn)構(gòu)成并聯(lián)風(fēng)路，因通風(fēng)線路長度不一、通風(fēng)井巷斷面差異及局部阻力等影響導(dǎo)致并聯(lián)分支阻力各異，致使用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量不符合設(shè)計(jì)風(fēng)量。為保障各用風(fēng)地點(diǎn)按需供風(fēng)，需采取風(fēng)流調(diào)控措施，常用的調(diào)控方式有增阻調(diào)節(jié)和增能調(diào)節(jié)兩種方式[1-5]。

增阻調(diào)節(jié)方式只需在阻力小、風(fēng)量大的并聯(lián)分支上設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)窗增加本分支阻力，具有通風(fēng)系統(tǒng)簡單、通風(fēng)設(shè)備少等優(yōu)勢(shì)，但在分支上增加風(fēng)阻會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)阻力增加、通風(fēng)能耗增加。增能調(diào)節(jié)方式在阻力大、風(fēng)量小的分支內(nèi)安裝通風(fēng)機(jī)增加分支風(fēng)量，具有通風(fēng)設(shè)備多且分散、通風(fēng)管理復(fù)雜等不足，但比增阻調(diào)節(jié)方式通風(fēng)系統(tǒng)能耗低，從能耗方面考慮，宜優(yōu)先選用增能調(diào)節(jié)方式。

增能調(diào)節(jié)方式因分支內(nèi)風(fēng)機(jī)命名為輔助通風(fēng)機(jī)，增能調(diào)節(jié)方式又稱為主—輔扇調(diào)控系統(tǒng)。根據(jù)輔扇機(jī)站布置形式分為有風(fēng)墻和無風(fēng)墻兩種，有風(fēng)墻機(jī)站風(fēng)機(jī)受炮轟波沖擊易導(dǎo)致葉片脫落，輔扇常布置成無風(fēng)墻機(jī)站形式[6-8]。有風(fēng)墻機(jī)站風(fēng)量調(diào)控效應(yīng)與常規(guī)主扇通風(fēng)并無實(shí)質(zhì)差異，而無風(fēng)墻機(jī)站風(fēng)流調(diào)控效應(yīng)較為復(fù)雜，因此，本文對(duì)無風(fēng)墻機(jī)站調(diào)控效應(yīng)進(jìn)行研究。

1 無風(fēng)墻機(jī)站通風(fēng)效應(yīng)分析

無風(fēng)墻機(jī)站工作原理如圖1所示，為方便無風(fēng)墻機(jī)站風(fēng)機(jī)放置在巷道中央，風(fēng)機(jī)出口斷面積為A0、出口風(fēng)速v0，巷道斷面積為A、巷道內(nèi)風(fēng)速為v，巷道與機(jī)站風(fēng)機(jī)間的環(huán)狀空間內(nèi)面積為A-A0、風(fēng)速為W。

圖1 無風(fēng)墻機(jī)站工作原理分析

根據(jù)機(jī)站風(fēng)機(jī)風(fēng)量與巷道內(nèi)風(fēng)量，可分為如下3種情況：

（1） 風(fēng)機(jī)風(fēng)量小于巷道內(nèi)風(fēng)量，即A0*v0＜A*v。從斷面4過來的風(fēng)流到達(dá)斷面3后分成兩路，一路經(jīng)環(huán)狀空間、另一路經(jīng)風(fēng)機(jī)內(nèi)部由斷面3到達(dá)斷面1混合，即引射狀態(tài)。風(fēng)量出口處風(fēng)流在風(fēng)機(jī)出口動(dòng)能作用下呈喇叭狀向外擴(kuò)散，因風(fēng)機(jī)風(fēng)量小，擴(kuò)散面積有限，無法擴(kuò)散至巷道全斷面。此種狀態(tài)下，機(jī)站風(fēng)機(jī)只對(duì)部分風(fēng)流做功，且風(fēng)流擴(kuò)散面積較小，無法形成風(fēng)流帷幕效應(yīng)，通風(fēng)效應(yīng)較小。

（2） 風(fēng)機(jī)風(fēng)量等于巷道內(nèi)風(fēng)量，即A0*v0=A*v。從斷面4過來的風(fēng)流到達(dá)斷面3后全部經(jīng)風(fēng)機(jī)內(nèi)部由斷面3到達(dá)斷面2，并擴(kuò)散到斷面1，即單流狀態(tài)。此種狀態(tài)下，風(fēng)量出口處風(fēng)流在風(fēng)機(jī)出口動(dòng)能作用下呈喇叭狀向外擴(kuò)散至巷道全斷面，形成風(fēng)流帷幕效應(yīng)，機(jī)站風(fēng)機(jī)對(duì)全部風(fēng)流做功，通風(fēng)效應(yīng)較大。

（3）風(fēng)機(jī)風(fēng)量大于巷道內(nèi)風(fēng)量，即A0*v0＞A*v。從斷面4過來的風(fēng)流到達(dá)斷面3后與斷面1返回的部分循環(huán)風(fēng)混合后，全部經(jīng)風(fēng)機(jī)內(nèi)部由斷面3到達(dá)斷面2并擴(kuò)散到斷面1，即循環(huán)狀態(tài)，本狀態(tài)和單流狀態(tài)一樣形成風(fēng)流帷幕效應(yīng)、機(jī)站風(fēng)機(jī)對(duì)全部風(fēng)流做功，且斷面1有部分風(fēng)流流向斷面3，可知斷面1風(fēng)流能量大于斷面3，通風(fēng)效應(yīng)最大。

2 數(shù)值模擬

通過數(shù)值模擬分析無風(fēng)墻機(jī)站風(fēng)流調(diào)控效應(yīng)，為分析方便采用二維平面分析模型，建立簡單的兩條并聯(lián)巷道模型，如圖2所示。模型內(nèi)有1個(gè)風(fēng)流入口、2個(gè)風(fēng)流出口。為簡化模型，巷道寬度均為5 m，機(jī)站風(fēng)機(jī)長度為4 m，尺寸如圖2所示。

圖2 分析模型

模型中2條并聯(lián)分支共用的風(fēng)流入口設(shè)置為velocity-inlet、5 m/s；2條風(fēng)流出口設(shè)置為pressure- outlet、0；風(fēng)機(jī)出、入口均設(shè)置為velocity-inlet。所有邊界Turbulent intensity 均為10%，Hydraulic Diameter均為1 m。為了分析機(jī)站風(fēng)機(jī)在不同出口斷面下的調(diào)控效應(yīng)，以機(jī)站風(fēng)機(jī)在不同出口風(fēng)速下的調(diào)控效應(yīng)和機(jī)站在不同出口寬度（斷面）下的調(diào)控效應(yīng)兩種情況進(jìn)行分析[9-10]。

（1）機(jī)站風(fēng)機(jī)在不同出口風(fēng)速下的調(diào)控效應(yīng)。選取風(fēng)機(jī)出口寬度2 m模型在出口風(fēng)速0，2.2，5.5 m/s和8 m/s等4種風(fēng)速下的調(diào)控效應(yīng)，4種風(fēng)速分別對(duì)應(yīng)無機(jī)站風(fēng)機(jī)作用、小于、等于和大于工作巷內(nèi)風(fēng)量4種狀態(tài)。

（2）機(jī)站風(fēng)機(jī)在不同出口寬度（斷面）下的調(diào)控效應(yīng)。出口風(fēng)速5.5 m/s時(shí)出口寬度分別為1 m、2 m和3 m 3種情況下的調(diào)控效應(yīng)。圖3為風(fēng)機(jī)出口寬度2 m、出口風(fēng)速2.2 m/s的速度云圖，圖4為風(fēng)機(jī)出口寬度3 m、出口風(fēng)速5.5 m/s的速度云圖。根據(jù)各種情況下的分析結(jié)果得出不同出口風(fēng)速下分析結(jié)果見表1，不同出口寬度（斷面）下分析結(jié)果見表2。

表2 風(fēng)機(jī)風(fēng)速5.5 m/s在不同出口寬度（斷面）下分析數(shù)據(jù)

圖3 風(fēng)機(jī)出口寬度2 m、出口風(fēng)速2.2 m/s速度云圖

圖4 風(fēng)機(jī)出口寬度3 m、出口風(fēng)速5.5 m/s速度云圖

表1 風(fēng)機(jī)出口寬度2 m在不同出口風(fēng)速下分析數(shù)據(jù)

根據(jù)分析數(shù)據(jù)，繪制出機(jī)站風(fēng)機(jī)風(fēng)速（風(fēng)量）與工作巷、并聯(lián)巷內(nèi)風(fēng)量關(guān)系曲線如圖5所示。同理根據(jù)表2分析數(shù)據(jù)可繪制出風(fēng)機(jī)在相同出口風(fēng)速下的風(fēng)機(jī)出口寬度（斷面）與工作巷、并聯(lián)巷內(nèi)風(fēng)量、風(fēng)阻關(guān)系曲線如圖6所示。

圖5 風(fēng)機(jī)風(fēng)速（風(fēng)量）與風(fēng)量關(guān)系曲線

圖6 風(fēng)機(jī)寬度（斷面）與風(fēng)量關(guān)系曲線

表1為風(fēng)機(jī)出口寬度2 m，風(fēng)機(jī)在不同出口風(fēng)速下的通風(fēng)效應(yīng)分析結(jié)果：當(dāng)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速為0，即無風(fēng)機(jī)作用時(shí)，工作巷內(nèi)風(fēng)量為11 m3/s；當(dāng)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速為2.2 m/s，即機(jī)站風(fēng)量為4.4 m3/s小于無風(fēng)機(jī)作用時(shí)工作巷內(nèi)風(fēng)量（11 m3/s）時(shí)，工作巷內(nèi)風(fēng)量為12 m3/s；當(dāng)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速為5.5 m/s，即機(jī)站風(fēng)量為11 m3/s等于無風(fēng)機(jī)作用時(shí)工作巷內(nèi)風(fēng)量（11 m3/s）時(shí)，工作巷內(nèi)風(fēng)量為13.4 m3/s；當(dāng)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速為8 m/s，即機(jī)站風(fēng)量為16 m3/s大于無風(fēng)機(jī)作用時(shí)工作巷內(nèi)風(fēng)量（11 m3/s）時(shí)，工作巷內(nèi)風(fēng)量為15.7 m3/s。可知，無風(fēng)墻機(jī)站風(fēng)機(jī)風(fēng)量在小于、等于和大于工作巷內(nèi)無風(fēng)機(jī)作用時(shí)風(fēng)量3種狀態(tài)下均能調(diào)控工作巷內(nèi)風(fēng)流，增加工作巷內(nèi)風(fēng)量，調(diào)控效應(yīng)隨風(fēng)機(jī)風(fēng)速而增加。

表2為風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速保持5.5 m/s，風(fēng)機(jī)在不同出口寬度下的通風(fēng)效應(yīng)分析結(jié)果：風(fēng)機(jī)出口寬度分別為1，2和3時(shí)，工作巷內(nèi)風(fēng)量分別為12.7 m3/s、13.4 m3/s和14.25 m3/s。可知，工作巷斷面保持不變，風(fēng)流調(diào)控效應(yīng)隨風(fēng)機(jī)斷面增大而增大，相對(duì)的風(fēng)機(jī)斷面越大則工作巷斷面越小，巷道斷面越小則通風(fēng)效應(yīng)越大。

3 結(jié)論

通過建立無風(fēng)墻機(jī)站數(shù)值分析模型，模擬分析了無風(fēng)墻機(jī)站在不同風(fēng)量和不同出口斷面下通風(fēng)效應(yīng)，得出如下結(jié)論。

（1）無風(fēng)墻機(jī)站風(fēng)機(jī)風(fēng)量在小于、等于和大于工作巷內(nèi)無風(fēng)機(jī)作用時(shí)風(fēng)量均能有效調(diào)控風(fēng)流，增加工作巷內(nèi)風(fēng)量；

（2）無風(fēng)墻機(jī)站風(fēng)流調(diào)控效應(yīng)與機(jī)站風(fēng)機(jī)風(fēng)速、機(jī)站風(fēng)機(jī)斷面成正比，與工作巷斷面成反比。