盲中段獨頭巷道掘進通風數(shù)值研究楊海波（1,2）,楊寶貴（1）,林學華（2）1:中國礦業(yè)大學（北京）資源與安全工程學院,北京,1000832:德陽昊華清平磷礦,四川綿竹618200摘要:盲中段獨頭巷道掘進通風數(shù)值流場是這種巷道通風理論和通風設計基礎。本文依據(jù)空氣動力學基礎理論,對盲中段獨頭掘進巷道物理模型進行了合理簡化處理后,建立了獨頭巷道壓入式通風數(shù)學模型,并應用計算流體動力學(CFD)方法模擬了獨頭巷道壓入式通風數(shù)值流場,從理論上得出了盲中段獨頭巷道掘進通風空氣流場,對模擬所得結果進行分析和可視化。該研究能夠為設計盲中段獨頭巷道有效通風方案提供相關依據(jù)。關鍵詞:盲中段獨頭巷道;計算流體動力學;空氣流場;數(shù)值仿真Thesingle-blindTunnelingNumericalStudyofVentilationYanghaibo(1,2),Yangbaogui（1）,Linxuehua(2)1:ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),1000832:HaohuaqingpingCorporationofDeyang.Sichuan,618200Abstract:Theventilationflowofsingle-blindTunnelingisthebaseforventilation'stheoryanddesign.Basedonthebasictheoryofaerodynamics,doasimplifiedtreatmentonthephysicalmodelofsingle-blindTunneling.Establishthemodelforthesingle-blindTunneling.Doacomputationalfluiddynamics(CFD)simulationofthesingleblindtunneling’sventilationflowfield.Thesimulationresultsforanalysisandvisualization.Thestudycanbeusedtobuildtheventilationsystem.Keywords:single-blindTunneling;computationalfluiddynamics;theairflowfield;numericalsimulation1序言 盲中段獨頭巷道是非煤礦山常見開拓方法,含有掘進速度快,成本低優(yōu)點。在這種巷道掘進過程中,常采取壓入式局部通風方法來處理通風需要,確保新鮮空氣壓入和有毒氣體排出,對保障安全生產(chǎn)和掘進進度有十分關鍵意義。獨頭巷道壓入式通風風筒通常部署在掘進巷道一側,沿巷道側壁形成貼附射流。風流從風筒射出后,起始按自由射流規(guī)律流動。但因為受獨頭巷道局限空間限制和風流連續(xù)性,很快便出現(xiàn)了與射流方向相反流動,從而產(chǎn)生回流運動。[1]計算流體動力學(ComputationalFluidDynamics,CFD)被越來越多地應用到了礦井通風系統(tǒng)分析和研究中。本文采取大型商業(yè)化CFD軟件Fluent對盲中段獨頭巷道空氣流場進行數(shù)值仿真。得到相關數(shù)據(jù),從而為深入研究打下基礎。2盲中段獨頭巷道空氣流場三維數(shù)值仿真作者介紹:楊海波（1981-）男,四川綿竹人,碩士碩士,研究方向:采礦工程及項目管理E_mail:獨頭巷道空氣流場十分復雜,含有經(jīng)典三維分離流動特征,通常能夠看作定常、不可壓縮三維流場?？刂埔磺辛黧w流動基礎定律是質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。由它們能夠分別導出連續(xù)性方程、動量方程作者介紹:楊海波（1981-）男,四川綿竹人,碩士碩士,研究方向:采礦工程及項目管理E_mail:2.1基礎控制方程[3]1)通用形式2)連續(xù)方程3)運動方程4)湍流能量輸運方程5)湍流能量耗散率方程 上式中:為流速;p為壓強;k為湍流能量;為湍流量粘性耗散率;為湍流粘度系數(shù);為湍流有效粘性系數(shù);為湍流能量有效擴散系數(shù);為湍流能量粘性耗散率有效擴散系數(shù);,為常數(shù)。2.2物理模型和實體建模 盲中段獨頭巷道物理模型如圖1所表示,中段高度50米,在斜井傾角小于30度情況下,分別取上中段車場長100米,盲中段巷道100米長,斜井平距100米。巷道斷面為三星拱,具體尺寸如圖2所表示,采取壓入式局部通風方案[4],風筒直徑為600mm,懸掛高度為1600mm,風筒出口距離巷道磧頭距離為本文采取三維CAD軟件來建立實體模型。模型對獨頭巷道實體外形作了簡化處理,同時對壁面等作了平整處理。最終把建立獨頭巷道CAD模型導出為IGES文件,再導人Fluent軟件前處理軟件Gambit進行網(wǎng)格劃分.圖1盲中段獨頭巷道模型圖2巷道斷面模型2.3網(wǎng)格劃分在CFD計算中,網(wǎng)格技術是影響求解精度和速度關鍵原因之一。Fluent前處理模塊Gambit向用戶提供業(yè)界領先高質(zhì)量網(wǎng)格技術,其強大網(wǎng)格劃分功效可滿足CFD對網(wǎng)格劃分嚴格要求。此次仿真采取復雜四面體網(wǎng)格。具體網(wǎng)格劃分效果,如圖3圖4所表示。圖3盲中段獨頭巷道數(shù)值模型圖4巷道端部網(wǎng)格模型2.4邊界條件確定獨頭巷道空氣流場數(shù)值模擬是在有限區(qū)域進行,所以在此區(qū)域邊界上要給定部分適合邊界條件。計算域:介質(zhì)為常溫（293K）下空氣,參考壓強為0.1013MPa,標準湍流模型。入口空氣為理想層流。入口邊界:空氣速度為8m/s。出口邊界:自由出流;風筒為無滑移壁面邊界,巷道壁為壁面邊界。3獨頭巷道空氣流場數(shù)值仿真結果與分析3.1壓力場高速空氣從風筒中射出,形成射流區(qū),在這個過程中,部分空氣會從主氣流中分離出來,在風筒出口處形成一個負壓區(qū),（如圖5、6、7、8）。在這個區(qū)域,氣壓降低,流速增快,經(jīng)過這個區(qū)域后,空氣流速逐步減慢,抵達磧頭時,高速空氣與壁面發(fā)生碰撞,空氣開始掉頭回流,碰撞時,部分空氣動能轉化成空氣勢能（壓力升高）。[5]圖5巷道壁面壓力分布云圖圖6風筒垂直中心剖面壓力分布云圖圖7風筒水平中心剖面壓力分布云圖圖8風筒出口周圍不一樣斷面壓力分布云圖3.2速度場由圖9和圖10我們能看到風速有一個先增大然后減小趨勢,在空氣射向磧頭過程中,空氣不停從主氣流中分離出來。形成回流區(qū),因為湍流存在和碰撞能量損失,風速不停減小。圖9巷道中心剖面流速矢量圖圖10風筒水平中心剖面流速矢量圖3.2風速效果分析 《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》要求“掘進巷道風速大于0.25m/s”[6]。我們能夠用這個標準來衡量我們通風系統(tǒng)是否有良好通風效果。 本文取出口風速為8m/s,由圖11和圖12能夠看出風速高于0.25m/s網(wǎng)格單元占全部網(wǎng)格單元41.5%,大部分網(wǎng)格單元風速達不到《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》所要求風速標準,從而達不到理想排煙排塵效果。所以在風流出口速度為8m/s時,通風系統(tǒng)不能滿足要求,工程上應該加強通風管理,降低漏風和通風阻力以確保出口風速,或者更換工效更大風機來提升出口風速。圖11獨頭巷道單元網(wǎng)格風速統(tǒng)計圖12獨頭巷道單元網(wǎng)格風速統(tǒng)計圖4結論1、風流從風筒出口射出后,起初按自由射流規(guī)律流動,但很快出現(xiàn)了與射流方向相反流動。2、在射流有效射程內(nèi),有兩處渦旋區(qū),一是出現(xiàn)在高速空氣出口處;另一是在射流和回流交界處。3、因為湍流存在,使得高速空氣動能快速下降,流速快速降低,從而使得排煙和排塵能力大大降低4、因為在高速空氣流動過程中存在著風流回流現(xiàn)象。所以風筒出口到巷道磧頭距離十分關鍵,距離越長,抵達風量就越小5、經(jīng)過對巷道單元網(wǎng)格統(tǒng)計分析,結合《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》,能夠對獨頭掘進巷道通風系統(tǒng)有效性進行評價。參考文件[1]余常昭．紊動射流、北京:高等教育出版社,1993[2]