擾動條件下紊流充分發展流程長度的模擬分析

摘要：井下巷道變化會對風流產生擾動，對巷道內原穩定的風流狀態產生影響，在布置斷面風速測點時須考慮避開其影響范圍，以保證測定數據的準確性。為研究巷道擾動條件對巷道內風流的影響程度和影響距離，歸納各擾動條件下紊流充分發展所需的流程長度。研究采用數值模擬的方法，分別建立巷道彎曲、巷道斷面突變和巷道斜交叉擾動條件下的風流擾動流體模型，并利用FLUENT軟件對不同風速條件下擾動模型進行模擬計算。分析結果顯示：紊流充分發展流程長度與入風端風速的變化影響較小，巷道內風速的變化對紊流充分發展流程長度影響不大；不同擾動條件在同一巷道粗糙度下紊流充分發展流程長度不同，巷道直角轉彎對風流擾動距離為24.14 m，巷道突變（突擴）對風流擾動距離為12.25 m，巷道匯風對風流擾動距離為27.93 m，巷道分風對風流擾動距離為33.45 m。研究成果可為礦山井下通風系統監測點布置提供理論指導，對提高相應條件的通風監測準確性具有重要意義。

關鍵詞：巷道；風流；擾動；紊流；通風系統；風速測定；距離；數值模擬

中圖分類號：TD72""""""""" 文章編號：1001-1277（2024）12-0047-06

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20241209

引 言

礦井通風系統將地表新鮮風流引至井下，將井下生產作業污風排至地表，保證井下作業環境及生產安全。礦山井下條件復雜，巷道彎曲、斷面突變及巷道交叉是經常遇見的情況，而巷道的變化對風流的影響是在布置斷面風速測點時必須考慮的，否則將難以保證風速測定的準確性［1-5］。巷道風流在斷面中的穩定分布依賴于紊流是否充分發展［6］。通常所指的紊流充分發展是指紊流斷面上的速度分布處于相對穩定狀態，其風流流場分布在斷面上的位置也會相對穩定。從邊界層理論出發，只有在邊界層發展到一個穩定的狀態后，斷面風速分布才具有穩定條件［7-9］。

研究紊流達到充分發展所需的流程長度［10-12］，應以各擾動風流分布的因素為前提，故可將巷道彎曲、巷道平直條件下的巷道斷面突變、巷道交叉作為研究擾動設定條件［13］。本次以巷道各擾動對巷道風流分布的影響為目標進行研究，采用流體動力學模擬軟件FLUENT對各擾動條件進行建模，并對模型進行相關的模擬、運算及分析，歸納風流在各擾動條件下的實際分布及變化情況，確定各擾動條件下紊流充分發展流程長度。

1 擾動條件下流場穩定性破壞和重建

1.1 巷道彎曲條件下紊流流程分析

在井下巷道轉彎處的風流受到離心力作用向巷道外邊壁偏轉，而在轉彎后靠近內外轉角處發生局部失壓，出現風流反向，從而產生局部渦流（見圖1）。此處的風流因受到渦流擾動，難以在斷面上形成有效的均速圈。隨著轉彎后風流繼續流動，渦流效應逐漸弱化，斷面風速分布逐漸向穩定狀態發展，而靠近外邊壁風速高于內邊壁風速，只有在經過一定距離后，風流才會從偏向外邊壁向以斷面幾何中心為軸線發展，最終達到紊流充分發展狀態［14］。

1.2 巷道斷面突變條件下紊流流程分析

巷道尺寸根據生產實際狀況設置，會出現巷道斷面面積突然變化的情況。在紊流到達斷面突擴處，靠近邊壁的流體因斷面擴大而速降壓升，在突擴后局部產生旋渦區；在紊流斷面突縮處，到達突縮處的流體近壁面部分受迎面阻擋而速降壓升，在突縮位置附近產生旋渦區。通過突縮位置后，受慣性力作用，局部會出現流體脫離邊壁現象，且因流體斷面被壓縮而形成加速，靠近邊壁的流體速升壓降，因此在通過突縮后局部也會產生旋渦區，經過斷面突變后一段流程，風壓逐漸趨于穩定。巷道斷面突變風流示意圖見圖2。

1.3 巷道交叉條件下紊流流程分析

根據巷道交叉風流匯入和匯出的形式，可分為匯風、分風2種，但2種情形中旋渦造成的能量損失存在差異，因此應分別進行分析。在匯風處，不同流速的風流摻混，動量交換導致部分流體發生變速和變壓。盡管摻混過程十分復雜，難以從微觀上對風速風壓變化進行分析，但無論是減速增壓還是增速減壓，都會導致局部旋渦區的生成。在分風處，流量因新增通道而變化，且有風流轉向，這些因素都會造成風速和風壓的變化，同樣也會產生局部旋渦現象，巷道分風或匯風經過一段距離后，新的平衡重新建立，風流會趨于穩定。巷道交叉風流示意圖見圖3。

2 擾動條件下紊流充分發展模擬

2.1 模型構建

風流從相對穩定的充分發展狀態到受到擾動流場變亂，再到重新形成充分發展狀態，過程復雜。鑒于流體運動微觀上的復雜性和現場試驗具有較強的不確定性，且單從理論出發很難認清和揭示這一過程的基本規律。而流體力學數值模擬分析，能夠從整體或局部，以多參數維度對流體運動過程進行模擬分析，是目前開展流體運動研究的一個重要實用工具。因此，此次研究擾動條件下巷道紊流充分發展流程長度，采用流體動力學模擬軟件FLUENT 。

本次模擬分別以直角轉彎、斷面突變（突擴）和斜交叉（先匯風，后分風）巷道為研究對象，模型選擇二維模型，在設定巷道尺寸、入口端風速、壁面粗糙度條件下對湍流強度5 %的紊流進行巷道風速分布沿程數值模擬，以巷道斷面當量直徑為公度單位，測量各擾動條件下紊流充分發展流程長度。除巷道尺寸固定外，入口端風速和壁面粗糙度在數值模擬中均設定不同值，設定條件見表1。

2.2 各擾動條件下紊流發展模擬

1）直角轉彎紊流發展模擬。直角轉彎模型中，各風速條件下數值模擬結果見圖4。

2）斷面突變紊流發展模擬。本次巷道斷面突變模型考慮為巷道斷面突然變大即巷道突擴，各風速條件下數值模擬結果見圖5。

3）巷道斜交叉紊流發展模擬。巷道斜交叉包括交叉匯風和分風，此次在同一模型中模擬巷道斜交叉匯風和分風時巷道斜交叉風流擾動和發展變化情況。各風速條件下數值模擬結果見圖6。

2.3 各擾動條件下紊流發展模擬結果及分析

根據上述各擾動條件下紊流發展模擬情況得出各風速條件下的風流擾動變化云圖，對各條件下的模擬結果進行分析。

2.3.1 直角轉彎對巷道流場分布影響

對照各風速條件下直角轉彎時巷道內流場分布情況，不同風速在同一巷道壁面粗糙度條件下風流的流場形態基本一致，故此次對各風速條件進行統一分析。

模型左側入風口在初始狀態巷道內風流分布較為均勻，巷道中心風流風速略大，在靠近巷道轉彎處流場分布受到擾動。原流場沿巷道中軸線對稱分布，在轉彎處受到擾動后，入風側巷道在靠近轉彎處風流流場向內彎側偏移，在風流經過彎角處后，風流流場分布極不均勻，流場偏向外側，外側風速大，內側風速小。且整體看，直角轉彎出彎后流場擾動距離大于入彎前擾動距離。

2.3.2 斷面突變對巷道流場分布影響

模型巷道條件為同一粗糙度，模型入風端巷道斷面相對較小，距入風端50 m巷道斷面突然擴大，不同風速條件下風流流場在巷道突變模型下變化情況見圖5。由圖5可知：雖然風速不同，但在斷面突變模型中的流場變化形態基本一致。

模型左側入風口初始狀態風流分布均勻，巷道中心風流風速略大，在靠近巷道突變處整體流場分布向巷道中心靠攏，但整體擾動不大。在風流進入巷道突變處之后，巷道內流場變化較大，巷道內風流進一步向巷道中心軸處聚攏，經過巷道突擴處外側巷道的風流未充分發展，風速較低。

整體看，巷道斷面突變對風流流場擾動所產生的影響主要集中在斷面突變后的巷道，風流流場經過突變處打破原有的流場平衡，在新的巷道內逐步發展成穩定的流場。

2.3.3 巷道斜交叉對巷道流場分布影響

模型中匯風段2條匯風巷道風速一致，風流匯至主巷內，經過充分發展后，重新分風至2條交叉的分風巷道內。由圖6可知：風速為1 m/s、3 m/s、7 m/s、13 m/s，巷道壁面粗糙度固定不變為0.05 m時，不同風速條件下流場形態變化一致，以7 m/s流場變化示例進行分析。

在匯風段巷道，2支入風端風流匯至巷道匯風交叉口，匯風處風流瞬間增大，但匯風風流能夠以相對較短的距離形成新的穩定狀態。匯風后主巷內穩定的風流在進入分風段后，在分風處受到較強的擾動，從模擬圖中可以看出，風流在分風處出現偏心現象，在與主巷一致的巷道側，風流偏向主巷內側；在與主巷斜交叉的分風巷道側，風流整體偏向分風巷道內側；分風段巷道風流受巷道交叉分風擾動明顯，且擾動距離也相對更遠。

3 擾動條件下紊流充分發展流程長度

3.1 擾動條件下紊流充分發展流程長度統計

由模擬結果不難看出，各擾動條件對巷道紊流的影響較小，主要影響體現在擾動條件之后的流場分布，因此，將目標確定為擾動條件之后的巷道紊流充分發展流程長度上。

根據上述各風流擾動條件模擬結果，對各擾動條件下紊流充分發展流程長度進行測量統計，巷道直角轉彎及巷道突擴擾動條件下紊流充分發展流程長度統計見表2，表中lz和lt分別表示巷道直角轉彎和巷道突變擾紊流充分發展達到穩定所需的長度（擾動距離）。

井下巷道斜交叉，形成巷道風流分風、匯風情況對風流擾動后充分發展達到新的穩定狀態所需的長度統計見表3，表中lh和lf分別表示巷道匯風和巷道分風紊流充分發展達到穩定所需的長度（擾動距離）。

3.2 數據分析及應用

3.2.1 數據分析

根據表2和表3統計數據，在巷道壁面粗糙度為0.05 m條件下，巷道入口端風速為1～13 m/s時，各種擾動條件下紊流充分發展流程長度的變化波動情況見圖7。

由圖7可知：紊流充分發展流程長度隨入口端風速的變化波動很小，入風端風速變化對紊流充分發展流程長度影響不大。各擾動條件影響對比，巷道分風擾動風流重新穩定所需的距離最長，需要約33.45 m后才能重新達到穩定狀態，巷道斷面變化風流擾動距離最短為12.25 m。各擾動條件下紊流充分發展流程長度（按各風速均值計算）見表4。

3.2.2 研究應用

礦山井下情況復雜，巷道彎曲、斷面突變及巷道交叉是經常遇見的正常情況，而這些擾動對巷道中風流的影響較大，在布置斷面風速測點時必須重點考慮。因此，在礦井通風系統測定或監測時可參照本次模擬研究結果，通風系統測定和相關通風監測布點的位置，具體可參考表4中的擾動距離，根據巷道風流擾動類型確定擾動對風流的影響距離，將測點位置布置在擾動距離外，保證測量結果的準確性。

4 "結 論

風流受井下巷道變化擾動影響，會從相對穩定的充分發展狀態到受到擾動打破流場原有的穩定狀態。此次研究以擾動巷道風流分布因素（巷道彎曲、在巷道平直條件下的巷道斷面突變和巷道交叉匯風、分風）為前提，研究紊流達到充分發展流程長度。研究利用流體動力學模擬軟件FLUENT，對各擾動條件進行模擬，并歸納在各擾動條件下風流的實際分布及變化情況，結果如下：

1）入口端巷道內風速的變化對紊流充分發展流程長度影響不大。

2）各擾動條件對入口端巷道風流影響程度相對較小，各擾動主要影響體現在擾動條件之后的流場分布，影響距離也相對更遠。

3）井下巷道各擾動類型在同一巷道粗糙度下紊流充分發展流程長度不同，巷道直角轉彎對風流擾動距離為24.14 m，巷道突變（突擴）對風流擾動距離為12.25 m，巷道匯風對風流擾動距離為27.93 m，巷道分風對風流擾動距離為33.45 m。

4）通風系統測定和相關通風監測布點的位置，應大于擾動條件下紊流充分發展流程長度，可根據本次研究巷道各類型擾動紊流充分發展流程長度，將測點位置布置在擾動距離外，保障測量結果的準確性。

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Simulation analysis of flow lengths for fully developed turbulence under disturbance conditions

Abstract：Changes in underground roadways can disturb airflow，affecting the original stable airflow state.It is essential to consider avoiding the influence range of such disturbances when placing cross-sectional wind speed monitoring points to ensure data accuracy.To investigate the extent and range of roadway disturbance conditions’ effect on airflows inside roadways，the required flow lengths for fully developed turbulence under various disturbance conditions were summarized.Numerical simulation was employed to establish airflow disturbance fluid models under different scenarios，including roadway bends，abrupt changes in cross-section，and intersections.FLUENT software was used to simulate and calculate the disturbance models under varying wind speeds.The results indicate that the fully developed turbulence flow length is minimally influenced by variations in wind speed at the inlet，and changes in airflow speed inside the roadway have a minor impact on the fully developed turbulence flow length.However，the disturbance conditions significantly affect the flow length under the same roadway roughness conditions.Specific findings include：airflow disturbance distance due to right-angle bends is 24.14 m;airflow disturbance distance due to abrupt expansions is 12.25 m;airflow disturbance distance due to merging flows is 27.93 m;airflow disturbance distance due to splitting flows is 33.45 m.These results provide theoretical guidance for the layout of monitoring points in underground mine ventilation systems，which is significant in improving the accuracy of ventilation monitoring under corresponding conditions.

Keywords：roadway;airflow;disturbance;turbulence;ventilation system;wind speed measurement;distance;numerical simulation