基于LDA的矩形巷道测风站风速测定与校正实验研究

针对传统接触性瞬时测风方法未能体现风流脉动性及随机性的特点,在15组不同断面平均风速下,采用非接触式湍流测试手段激光多普勒测速仪（LDA）,对测风站巷道断面中垂线上24个测点的风速进行测试。实验表明,断面测点瞬时速度时间序列极不规则,但速度大小服从正态分布,具有规则的统计规律。基于湍流统计平均后,测风站断面某点的测点风速与断面平均风速呈线性关系,经验证,通过校正系数,可根据断面任意一点风速值来确定断面平均风速的大小。研究表明,LDA测量技术可以精准测试巷道流场的湍流特性,基于统计平均的结果为井下测风站风速传感器的校正提供一种新的技术途径。     

矿井巷道风流平均风速分布规律的试验与模拟研究

为探究巷道断面平均风速分布规律,准确测定风速大小,利用激光多普勒测速仪(LDA)进行测试试验,并通过Fluent数值模拟方法研究矩形、半圆拱和梯形巷道断面的风速分布特征。试验表明,风流质点速度呈湍流随机脉动特性,但服从正态分布。就瞬时风速而言,巷道断面平均风速分布环状曲线为不规则波浪形式;Fluent模拟表明,巷道风流充分发展的断面上的平均风速分布与通风风速大小无关,仅与巷道断面形状有关。基于统计平均的试验结果与Fluent数值模拟结果吻合较好,进一步说明,可以在巷道断面平均风速分布点位布置测点,考虑风流脉动影响,将该测点风流各态遍历周期内的速度统计均值作为巷道断面平均风速,无需系数校正。     

突扩巷道模型风流态的LDA与PIV联合测试

针对传统的接触式瞬时速度测量方法的局限性,采用非接触测量技术激光多普勒测速仪(LDA)及粒子成像测速仪(PIV)对平直巷道及断面突扩后风流状态进行试验测试。在巷道试验模型条件下,PIV技术可以瞬时获得巷道突扩流场信息,平直巷道速度流线基本呈平滑直线,突扩隅角有大涡存在,并且涡流区测风方向极不稳定,而且风速很低,风速平均值在0.1~0.2 m/s波动,表明在煤矿井下测风时可以有条件地忽略涡流区。LDA技术测试得到巷道断面各点统计平均流速,由于受突扩涡流及二次流的影响,平直巷道断面风速从壁面以跃迁方式"突变"达到均值,断面风速分布呈近似均等的动态波浪线分布而非准抛物线型分布。结果表明,LDA与PIV测量技术联合应用可以测试以湍流为特征的巷道流场风流变化情况。     

井巷风速单点测试方法及其可行性研究

利用一点风速快速准确获得巷道平均风速是实现矿井通风智能监测监控的关键技术。针对该技术中的核心问题(断面平均风速ū与该断面任意点风速u的关系),采用理论分析与实验验证相结合的方法进行了研究,提出了巷道平均风速单点测试方法;为确保该方法的可行性,研究过程考虑了风速大小、巷道形状、粗糙度、湍流发展程度等影响因素。理论研究表明,充分发展的圆管湍流中,ū与u近似服从正比关系,且在很宽的风速范围内,比例系数k可视为定值。实验结果表明,非圆管、非充分发展湍流中,u与ū仍满足近似正比关系,与理论分析结果相吻合;比值k与断面所处的流动环境及测点在断面内的位置有关;同一断面内任意两点的风速之比近似为定值;理论分析结论在巷道湍流环境中具有可行性。据此给出了单点测风方法的基本步骤及比例系数k的失效条件。     

矿井定常湍流脉动对通风阻力测试影响的理论分析

受湍流脉动影响,矿井通风阻力测试结果的数值波动是不可避免的。为探究湍流脉动对通风阻力测试的影响程度,以压差计测阻法为例进行理论分析。根据阻力测定原理和能量方程,在定常圆管流动条件下,导出湍流脉动影响下倾斜压差计测量示值波动范围的计算表达式;理论分析测试巷道的断面尺寸和风速大小对数值波动幅度和测试精度的影响。结果表明,压差计示值的波动幅度与当地湍流强度及风速的平方成正比;巷道风速的量级是压能波动的主导因素,测试风速越大,液面数值涨落幅度越大,波动现象越明显;而数值波动幅度大不等同于测试精度低,小断面大风速巷道中易获得满意的测试精度而大断面巷道中无论风速高低均不易获得较高测试精度。为减小湍流脉动造成的通风阻力测试的随机误差,需在短时间内进行多次测试取统计平均结果,这在大断面巷道的阻力测试中尤为重要。     

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。     

突扩巷道流场风流分布特征的PIV实验研究北大核心CSCD

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。     

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。     

冲击载荷作用下不同断面形状巷道稳定性数值仿真分析

为了研究动载荷作用下井巷的稳定性,基于波动冲击理论,利用FLAC~(3D)值模拟软件,对深井不同断面巷道在动载荷作用下的围岩位移场变化规律进行了数值仿真。结果表明:不同巷道断面形式对冲击荷载作用的响应程度存在显著差别,巷道顶板监测点的速度产生波动从大到小依次为矩形、直墙拱形和圆形断面巷道;巷道顶板均产生明显下沉,矩形断面巷道的下沉量最大,其次是直墙拱断面巷道,圆形断面巷道的下沉位移最小;对于巷道围岩垂直应力的分布范围,圆形断面巷道最小,矩形断面巷道最大,直墙拱断面巷道居中,并得到了现场监测结果验证。     

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。     

火灾时期矿山通风巷道“特征环”与“关键环”的分布特征研究

为研究火灾时期矿山通风巷道风流的流动特性,基于水平巷道及火灾的物理数学模型,采用数值分析方法,研究分析火灾时期巷道内紊流充分发展截面上“特征环”与“关键环”的分布规律。结果表明:同一火灾强度和同一通风风速下,通风巷道内风速“特征环”分布特征分别存在临界风速值和临界火灾强度值;矿井火灾时期,通风风速与火灾强度均是影响巷道内风速“特征环”分布的关键因素;当巷道内通风风速大于或等于5 m/s时,火灾下风流平均风速点的位置可由正常通风时期的“关键环”特征方程进行计算。     

风筒位置对掘进巷道流场影响的PIV实验*

为探究风筒位置对掘进巷道风流分布规律的影响,利用Fluent软件确定出实验模型内流体进入“第二自模区”的临界风速,保证实验模型与实际巷道的流动相似,采用粒子图像测速仪（PIV）对压、抽风筒距迎头不同距离下的前压后抽式通风流场进行测量。实验结果表明:抽风筒距巷道迎头距离的改变对迎头处流场影响较小,涡流中心位置也不会发生改变,当抽风筒距迎头距离大于4.5S,回流区的风流充分发展,流动较为平缓。压风筒距巷道迎头距离的改变对迎头处流场和涡流影响较大,当压风筒距迎头距离大于3S,涡流中心位置向远离迎头的方向移动,涡流区域逐渐扩大。基于相似理论的PIV实验结果可为矿井掘进巷道通风工作提供一定参考。     

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。     

多因素影响下巷道变形特性数值模拟研究

基于FLAC3D有限差分软件对开挖深度、侧压力系数、断面形状等多因素影响下的巷道变形参数进行正交试验，根据正交试验分析结果，分别选取同一深度条件下的圆形、马蹄形、直墙拱形、矩形巷道进行模拟试验并以圆形巷道作为典型断面，对不同深度下的巷道变形特征进行模拟试验。研究结果表明:开挖深度对巷道开挖后的应力差变化影响明显，断面形状对巷道围岩内的塑性区深度和具有显著影响；巷道开挖后的塑性区深度和随形状指数增加而呈线性增长趋势，圆形巷道的塑性区深度和最小，矩形最大；应力差随着巷道开挖深度的增加呈线性增加，深部开采应重视巷道内的应力分布情况。