不规则巷道断面风速分布规律的模拟与试验研究

为准确测量巷道断面风速,采用数值模拟和现场测试的方法研究断面形状不规则的半圆拱巷道断面风速分布规律。结果表明：断面风速分布规律与入口风速大小无关,由巷道壁向巷道中心风速逐渐增大;平均风速线距巷道左右帮或顶底板距离约为巷道宽度或高度的0.1倍,采用定点测风能够有效测出巷道断面内平均风速。为解决不规则巷道断面风速分布特征提供依据。     

掘进巷道风流温度分布规律的数值模拟

根据紊流状态下的守恒原理 ,导出了描述掘进巷道风流紊流流动和温度分布的微分方程。通过对矿内风流流动及热力过程的理论分析及现场实测 ,系统地开展矿内风流流场和风流温度场的分布规律及其耦合作用机理的理论分析与研究 ,并利用PHOENICS程序进行数值模拟 ,初步得出了矿井掘进巷道风流温度与各种参数的变化规律。掘进巷道风流温度随风速提高呈负幂函数规律降低 ,随入风流温度升高而线性升高。     

梯形巷道平均风速分布特征的数值与实验研究

为实现矿井巷道内风量的准确监测,基于3D数值模型,对梯形截面巷道内平均风速的分布规律进行了数值分析,并通过实验研究对模拟结果进行对比验证,同时在不同断面尺寸及不同通风风速条件下,数值分析了梯形巷道内紊流充分发展截面上平均风速点的分布特征。结果表明:平均风速分布呈现环状连续分布,数值结果与实验结果符合良好;梯形截面上平均风速点的分布与通风风速无关,仅与巷道截面特征和参数有关;得到了梯形截面平均风速分布曲线在巷道顶部的特征方程。     

不同风速下巷道断面微细粉尘分布模拟试验研究

为降低微细粉尘危害,实现作业场所内的有效控尘、防尘,在矩形、拱形模拟巷道内采用网格布点法布置测点,调整风机风速法进行试验,并运用Gambit建模、Fluent开展数值模拟分析。结果表明:当尘源以10 mg/s的速率喷尘时,尘粒自由弥散,巷道中轴线处粉尘浓度小于壁面边缘处;当调节风速为1 m/s时,中轴线处与壁面边缘处浓度基本相等;当尘粒自由弥散时巷道壁的黏滞作用对粉尘扩散和分布起主导作用,且风速是影响微细粉尘悬浮状态的主要因素;降低巷道内微细粉尘浓度的方法主要包括合理设计环境风速和提高巷道壁面光滑性,减小壁面对微细粉尘的黏滞作用。     

矿井L形巷道火灾蔓延规律模拟研究

为了掌握井下回采工作面巷道火灾发生后高温烟气蔓延行为和不同措施下火灾控制效应,利用PyroSim软件建立典型工作面“L”形巷道模型,模拟分析了不同风速下高温烟气蔓延行为,并分析了采取反风、反风联合喷水措施下火灾烟气和温度变化规律。结果表明：巷道风速越大火灾烟气蔓延越快,巷道温度越低,但风速过低会造成烟气逆退,风速过高会造成烟气单位长度消光率反弹升高,确定最佳风速为3.0 m/s;单独采取局部反风措施时,对工作面巷道烟气和温度控制效果明显,但会对火源上游附近巷道造成威胁;采取局部反风联合喷水措施可实现对整个工作面巷道火灾的控制,有效防止高温和烟气反向蔓延。     

矿井巷道火灾烟流逆退数值模拟及临界风速研究

为了研究矿井发生火灾后高温烟流的蔓延规律及影响因素,利用COMSOL软件对火区进行数值模拟,建立巷道三维模型,得到火区风流速度与温度分布。通过改变边界条件,分析火风压作用下,火区烟气在不同控制风速、巷道条件作用下蔓延规律,得出不同因素与临界风速的关系,为选取合理的火灾控制风速提供理论依据。研究结果表明:火源温度一定时,巷道入口风速越低,火源下风侧高温烟流越靠近巷道顶部,随着风速增大,向巷道下部蔓延;风速较低时,在火区火风压的作用下,会产生烟流逆退现象,随着风速的增大,逆流层长度和厚度随之减小;巷道入口通风条件不变时,火区温度越高越容易产生烟流的逆退,影响范围越大;巷道高度越高、上行风坡度越小,越易发生逆退现象;不同影响因素与巷道平均温度不成正比关系,其中下行风坡度5~15°时巷道平均温度较高且易于发生烟流滚退现象,影响范围较大;火源温度、巷道条件与临界风速的数据拟合结果对预测巷道的临界风速有较好的参考价值。     

高温矿井巷道风流温度预测方法研究

根据高温矿井巷道与风流间热湿交换特点,提出了"巷道空间水分蒸发需热量等于巷道出口风流理论温度与实际温度之差的显热交换量"的观点;提出了"将饱和水蒸气分压力分区线性化"及"先简化、后误差修正"的数学变换思路,将巷道始末风流潜热交换量表示成巷道出口风流温度的一次函数,并得到了预测矿井巷道出口风流温度的数学模型;叙述了预测矿井巷道末端风流温度的详细计算步骤,并分析了各参数取值方法。通过与其他资料计算实例的对比分析,证明了新提出的矿井巷道风流温度计算法具有计算精度更高、可信度更高的优点。     

基于LDA的均直巷道断面风速分布规律实验研究

针对传统井下测风方法以及传统接触式流速测量方法的局限性,以矩形均直巷道断面风速实验测试为例,利用非接触式测试技术激光多普勒测速仪（LDA）对断面风速进行实验测试。实验表明:在平均风速为3m/s左右的均直巷道内的稳定流动下,断面风速分布近似呈矩形环状封闭波动曲线,测点风速具有极度的脉动现象,但测点速度大小服从正态分布。在不同断面平均风速下,断面轴线上风速分布均近似服从指数函数形式。研究表明,LDA测试技术能够较好的反映实验巷道流场风流湍流脉动特性,可以作为研究矿井通风一系列复杂流动的实验手段。     

巷道湿喷作业风流-粉尘运移规律的数值模拟

为了解决巷道湿喷混凝土作业粉尘污染问题,针对巷道湿喷作业现场的风流场和颗粒场特点,采用κ-ε模型并运用气固两相流理论建立了巷道湿喷作业风流-粉尘运移的数学模型,利用Fluent软件进行了数值模拟,通过与现场实测数据对比,发现模拟结果与实测数据相吻合.结果表明,湿喷产尘口下风侧0～6m区域聚集了大量的高质量浓度粉尘云团,基本扩散至整个巷道断面,最低质量浓度高达12 mg/m3,湿喷产尘口下风侧6 m以后,高质量浓度粉尘云团消失,粉尘逐渐向巷道其他区域分散运移,但局部粉尘质量浓度依然高达30 mg/m3,直至湿喷口下风侧16.4 m以后,粉尘质量浓度迅速降低至3 mg/m3以下.由此提出了“湿喷作业粉尘三区理论”,并提出将参与搅拌、上料等作业程序的设备和人员布置在“可接受粉尘区”为最佳.     

矿井潮湿巷道风流温度预测方法改进

高温矿井风流温度准确预测是很多学者关注的课题,难点是预测模型中的含湿量或水蒸气分压力与温度关系复杂。结合矿井风流温湿度特点,充分考虑风流温度、相对湿度共同对潜热交换量的影响,提出了分区间将含湿量项回归成温度、相对湿度的二元一次函数的简化方法;根据矿井风流能量方程理论,提出了利用焓值方程闭合差校验模型预测精度的方法;得出了精度较高、且可手动计算的预测通风时间1 a以内和1 a以上巷道末端风流温度计算模型。     

独头巷道射流通风流场CFD模拟研究

独头巷道压入式通风是有限空间的受限贴附射流。独头巷道通风风流流场是通风理论和通风设计的基础。笔者根据流体动力学和射流理论 ,建立了独头巷道压入式受限贴附射流通风的紊流k -ε数学模型 ,分析了计算边界条件 ,并应用计算流体动力学 (CFD)的方法模拟了独头巷道射流通风流场 ,从理论上得出了独头巷道有限空间受限贴附射流通风的规律 ,为研究独头巷道合理并有效通风提供了新的理论依据。     

贯通巷道风流流场数值模拟若干关键问题研究

根据计算流体力学基本理论,利用计算流体动力学(CFD)软件Fluent,运用三维k-ε湍流模型对贯通型巷道风流流场数值模拟中风流入口、出口位置对巷道风流流场分布的影响、湍动能k及湍动能耗散率ε的取值对模拟结果的影响等进行考察。通过研究确定模拟巷道的流体力学入口长度,确定模拟巷道出口位置;湍动能k及湍动能耗散率ε的取值对入口附近流动还没有充分发展区域拟解算的结果影响较大,而对流动充分发展的区域影响较小。将数值模拟风速值与理论计算风速值进行对比,模拟结果与计算结果非常一致,验证了数值模拟方法的正确性,为研究贯通型巷道风流传质过程、瓦斯运移规律及通风排污效率等提供了理论基础。     

条带潮湿巷道模型风流温湿度数值模拟研究

为研究巷道壁面均匀潮湿和局部潮湿对围岩及巷道壁温度影响差异,准确预测潮湿巷道风流温湿度,根据三维围岩温度场理论,建立围岩热传导、风流温度和湿度数值计算模型,数值模拟巷道壁面均匀潮湿模型(UWSM)和条带潮湿模型(PWSM),探讨不同参数条件对巷道风流温湿度影响。结果表明:三维热传导模型在局部潮湿巷道计算得出围岩温度及风流温度分布更贴合实际;提出根据潮湿率确定潮湿度修正系数的方法,可提高大型通风网络温湿度预测计算精度。     

高海拔矿井掘进巷道瓦斯爆炸火焰传播规律数值模拟*

为研究高海拔矿井瓦斯爆炸火焰传播规律,运用数值模拟方法,建立矿井掘进巷道瓦斯气体爆炸数学及物理模型,并对海拔高度为0,1 000,2 000,3 000,4 000 m时的爆炸火焰传播速度、温度和冲击波压力进行研究。结果表明:瓦斯浓度和聚集体积量一定的掘进巷道发生瓦斯爆炸时,随着海拔高度的升高,火焰传播速度增大,且海拔每升高1 000 m,瓦斯气体聚集区和非聚集区的平均火焰传播速度分别增大4.7%和1.9%,掘进巷道内同一位置受到的瓦斯爆炸火焰最高冲击波压力随着海拔高度增加而显著降低,且呈二次函数关系,达到最大冲击波压力和最高火焰温度的时间缩短,最高爆炸火焰温度受海拔高度的影响较小。     

突扩巷道流场风流分布特征的PIV实验研究

针对传统接触式瞬时速度测量方法的局限性,采用非接触测量技术粒子图像测速仪（PIV）获得了突扩巷道流场纵向截面风流分布特征。实验表明:瞬态风流分布“瞬息万变”,而时均流场中,突扩前平直巷道时均速度流线基本呈平滑直线,突扩后上下隅角有大涡存在,但呈现不对称分布,并且涡流区内风流方向极不稳定,且风速值相对于主流风速很低,约在-0.6~0.6 m/s之间波动,表明在煤矿井下测风时可以有条件地忽略涡流区;受突扩大涡湍流脉动影响,风流在距离突扩界面150 mm处开始呈现上扬趋势,突扩断面纵对称轴上风速分布峰值拐点发生了震荡性偏移;当下隅角回流区结束后,风速分布峰值拐点渐渐下移并逐渐呈现对称趋势,回流区内断面风速整体呈现出“Ω”型分布形式。为井下更为复杂的风流湍流流动研究提供了实验理论基础。     

井下移动热源对巷道局部风流温度影响规律研究

为了研究煤矿井下热源对巷道局部风流温度的影响,通过搭建实验平台以及建立数值模型,采用实验和数值模拟的方法,分析井下固定和移动热源对巷道局部风流温度的影响规律。研究结果表明:对比实验和数值模拟固定热源对巷道局部风流温度的影响,结果显示二者总体温度变化趋势一致性较好,验证了数学模型的正确性;井下热源移动速度不同时,顺风移动速度越大,对巷道局部温度影响越大,且巷道局部温度相对升高;逆风移动速度越大,对巷道局部温度影响越小,且巷道局部温度相对降低。     

大断面公路隧道施工风流分布规律研究

为了采取有效的通风措施降低钻爆法施工的粉尘浓度,以辛庄隧道为例,通过对其掌子面附近风流的现场实测,系统的开展了风流流场分布规律的研究,并采用Fluent软件进行了数值模拟,模拟结果与实测数据基本吻合。结果表明:隧道内风流速度以风筒出口为界,分为射流扩张区、射流收缩区、涡流区、回流区4个部分;靠近掌子面的同一断面上:风速呈“中间小,两边大”的形式,且回流区面积稍大于射流区面积,其中射流区最大断面积约占整个断面积的40%。研究结果对隧道施工通风除尘具有一定的指导意义和使用价值。     

井下巷道-矿车系统风流扰动特征规律实验研究

针对井下巷道-矿车系统易造成巷道风流紊乱、影响矿井通风系统安全稳定性的问题,建立巷道-矿车系统风流扰动模式及影响因素体系,提出表征巷道-矿车系统的风流扰动特征的关键参数,包括巷道扰动风阻、阻塞比、矿车位置,推导矿车运行至巷道不同位置时巷道-矿车系统扰动风阻计算公式,研究巷道风速、阻塞比与巷道风阻的关系。研究结果表明：矿车在巷道中顺风行驶的速度大于风速时,巷道-矿车系统对通风系统进行增压调节;当矿车逆风行驶时,巷道-矿车系统的风阻随着矿井通风系统供风量的增大而减小,最大扰动为矿车驶出巷道时刻,阻塞比与巷道风阻呈现线性递增关系;此外,小风速、小断面巷道运行的矿车对巷道-矿车系统的风阻影响较大,模型求解结果与实测数据的最大误差为6.84%。研究结果可为矿井通风系统的智能化调控提供理论依据。     

基于FDS的风速对矿井火灾蔓延规律的影响研究

为研究不同风速与火源功率共同作用下矿井火灾蔓延规律的变化,以安源煤矿378工作面为研究对象,建立FDS矿井巷道火灾全尺寸模型,设置火源功率分别为3,6 MW,风速分别为0.25,1.25,2.25,3.25 m/s的8种工况。研究结果表明：相同风速下,巷道内温度及相同位置CO浓度值随火源功率增大而升高,巷道内能见度随火源功率增大而降低,且火源功率越大,能见度降到零的火灾区域越大;相同火源功率下,巷道内温度及相同位置CO浓度值随着风速增加而升高,能见度随风速增加而降低;火灾蔓延速率与风速成正比,风速的增大加速下风向火灾的发展,但会减缓上风向火势的蔓延。     

井巷断面内单点风速与平均风速转换机制

准确测量一点风速并将其转换为断面平均风速是矿井通风领域的一项技术难题。对其中涉及的单点风速测不准问题和单点风速与平均风速的转换机制进行了研究。结果表明,湍流充分发展的圆管断面上任一点(黏性底层除外)风速与平均风速为非线性关系,但在井下常见风速0.25~15 m/s,两者可近似为正比关系。为验证这一结论的普适性,在实验室采用激光多普勒测速仪对矩形非充分发展湍流断面上单点风速与平均风速的关系进行了测试。结果表明:当平均风速在0.78~6.2 m/s变化时,单点风速与平均风速仍表现为正比关系,比值k可作为该点风速与平均风速间的无因次转换系数;k的空间分布反映了断面速度场结构,当断面速度场结构变化时转换系数失效。在单点风速测不准问题上提出,测试传感器在提高数据采集频率的基础上应对速度信号进行时间平均处理,且时间平均尺度要大于湍流各态遍历假设。