矿井工作面空调降温效果的数值模拟分析

赵运超 石发恩 蒋达华

(江西理工大学建筑与测绘工程学院,江西省赣州市,341000)

矿井工作面空调降温效果的数值模拟分析

赵运超 石发恩 蒋达华

(江西理工大学建筑与测绘工程学院,江西省赣州市,341000)

以采用空调系统的济宁唐口煤矿采掘工作面为研究背景,借助CFD模拟软件研究工作面降温后的温度分布情况,结合数据分析,得出空调器出风口的最佳设置高度,以及在机械通风状态参数不变的条件下,空调器的最佳送风温度、送风量等结论,以指导实际的生产运行管理。

井下降温 工作面降温 空调器 数值模拟 CFD

随着矿井开采深度的逐步加深,井下地温也随之升高,因此,矿井高温、高湿环境对矿工身体健康及矿井的安全生产产生极其重要的影响。为了改善工人的劳动环境,延长采掘设备的使用寿命,提高生产效率,矿井降温技术成为煤矿科技研究的一个发展方向,同时矿井空调降温是空调应用技术发展的一个特殊领域。

本文以矿井空调对采掘工作面进行降温为研究背景,结合CFD计算流体力学的理论知识,通过建立数学模型,运用数值模拟的方式,着重分析空调送风高度对采掘工作面温度分布的影响,空调机最佳送风温度和送风量以及采煤机的位置对采用空调系统后工作面温度分布的影响等几个方面的问题,得出相关的结论,使矿井空调在使用过程中对采掘工作面起到更佳的降温效果。

1 理论分析

1.1 工作面气流流动的微分方程

在巷道及工作面上,气体的流动为紊流运动,假设气体的流动是定常流,借助Boussinesq近似假设,即密度变化的作用仅在运动方程中的重力项上保留,对其他项的影响忽略不计。当进入采煤工作面的空气气体常数值与工作面上原有气体接近,而且温差较大时,工作面上空气的运动可用微分方程描述。

1.2 边界条件

进口边界的速度、温度、流量按实测或设定值给出。气流出口边界采用局部单通道坐标假定,只给定流场压力P的标定值。而固体壁面采用壁面函数确定壁面上的温度当量扩散系数(kt)和速度当量扩散系数(μt)。

2 数值模拟与分析

2.1 计算条件

以济宁唐口煤矿某采煤工作面为例,采煤工作面平均宽4.5 m,高3.0 m,断面积13.5 m2,平均风量2025 m3/min,平均风速 2.5 m/s,采煤工作面长150 m。实测风流温度为35℃,岩壁温度为37℃,导热系数取0.26 W/m·℃。

使用CFD软件对该采煤工作面的温度场进行数值模拟,由于实际计算条件复杂,为简化计算,数值模拟过程中,作如下假设:采掘工作面的供风量不随时间变化;工作面上各个面发热量均匀,煤层表面温度均取37℃,采空区发热量60 W/m2;不考虑人体、设备的发热量;工作面上各处初始风温相同,计算中取35℃;忽略岩层壁的阻力。

计算中设置水平工作面,建立物理模型,尺寸为150 m(长) ×4.5m(宽) ×3.0 m(高),在x=0 m,y=4.5 m,z=3 m断面处设置机械通风入口为“入口1”,记为“inlet1”;在x=4.5 m,y=1 m,z=1 m断面处设置空调器出风口,经过空调器处理后的冷风出口设为“入口2”,记为“inlet2”;在x=0 m,y=154.5 m,z=3 m断面处设置尺寸为x=0 m,y=4.5 m,z=3.0 m的“出口”,记为“outlet”。

2.2 研究内容

研究内容一:空调器送风高度对工作面降温效果的研究。入口1取夏季当地空气平均温度28℃,风量为15 m3/s;入口2取空调器送风温度24℃,风量为25 m3/s,空调器出风口位置距地面高度分别取0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m。

研究内容二:确定空调器的最佳送风温度和风量。入口1处取夏季当地空气平均温度28℃,风量为15 m3/s;入口2经过空调器处理后冷风出口温度取22℃、23℃、24℃、25℃,出口风量分别取 15 m3/s、20 m3/s、25 m3/s、30 m3/s、35 m3/s、40 m3/s。

研究内容三:采煤机的位置对工作面降温效果的影响。入口1处取夏季当地空气平均温度28℃,风量为15 m3/s;入口2经过空调器处理后冷风出口温度取23℃,风量为30 m3/s;采煤机机身尺寸为8 m×1 m,截深为 1 m,导热系数取 2.55 W/m·℃;采煤机在采煤工作面的位置分别取距巷道起始点10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m、90 m、100 m、110 m、120 m、130 m、140 m、150 m。

计算网格采用非结构化网格,划分网格数为19(长) ×152(宽) ×11(高)=31768个。分别计算笛卡尔坐标下的速度u、v、w、压强p、温度T、湍流动能k、湍流动能耗散率ε等变量的函数值。设置迭代次数为300次,速度松弛因子取0.5,压力松弛因子取0.8。数值计算采用 SIMPL E(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法(解压力耦合方程的半隐式法)。

2.3 数值模拟结果与分析

2.3.1 空调送风高度对采煤工作面温度分布的影响

空调器送风高度对采煤工作面温度分布的影响模拟方图见图1。在图1中,最下面灰色部分代表煤区,其余部分是工作面温度分布情况,其中右侧面为送风入口,左侧面为出口。

空调器不同高度下的巷道内平均温度分布图见图2。从图1的模拟云图及图2的数值分析图中可以看出,当固定空调器送风温度24℃。风量为25 m3/s时,采掘工作的温度随着巷道长度的增加随之递增;当空调器的设置高度距巷道底面为1.5 m左右时,巷道内平均温度约为25.7℃;当空调器的设置高度分别在1.5 m以上和以下时,巷道内的平均温度均高于25.7℃,且基本成对称形式分布。由此可以说明,空调器出风口的最佳设置高度为距巷道底面1.5 m,此时降温效果最好。

2.3.2 空调机最佳送风温度和送风量的数值模拟

图3 进风温度22℃时不同风量下工作面温度分布

图3～图7为不同风量下空调器不同的送风温度时,工作面温度分布图。通过对图4～图8的曲线图的分析可知,空调器的送风温度越低、风量越大,巷道工作面的平均温度越低,降温效果越好。但空调器的送风温度越低,空调器的能耗就越高,所以,从节能的角度考虑,只要采掘工作面的平均温度达到26℃(煤矿安全生产规定工作面温度不得高于26℃)左右,空调器的送风温度及风量就是最佳送风状态。经过分析比较,最终确定在机械通风状态参数不变的条件下(28℃,15 m3/s),空调器的最佳送风温度为23℃,送风量为30 m3/s。

图7 不同送风温度及风量下工作面温度分布图

2.3.3 采煤机的位置对采用空调系统后工作面温度分布的影响

图8 采煤机处于不同位置时工作面平均温度分布图

采煤机处于不同位置时工作面平均温度分布图见图8。从图8中可以看出,采煤机位于巷道工作面不同位置时,只是在采煤机所处位置附近平均温度有明显的突然升高,这是由于采煤机本身是一个巨大的热源,机体表面温度高达40℃以上,这使得采煤机附近的空气温度稍高于远离机器处的温度;另外离采煤机较远的两侧,采掘工作面上平均温度的分布变化趋势基本相同,受采煤机的影响较小。

通过分析可知,采煤机的位置对采掘工作面整体平均温度分布的影响不大。

3 结论

(1)空调器出风口的最佳设置高度为距巷道底部1.5 m,此时降温效果最好。

(2)在机械通风状态参数不变(28℃,15 m3/s)的条件下,空调器的最佳送风温度为23℃,送风量为30 m3/s。

(3)采煤机的位置对采掘工作面整体平均温度分布的影响不大,只是在采煤机所处位置附近平均温度有明显的突然升高。

[1]赵运超.矿井冰冷降温空调系统融冰过程及降温效果研究[D].广州:广州大学,2008

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[5]陶文铨.数值传热学(第2版)[M].西安:西安交通大学出版社,2001,5

[6]周西华等.回采工作面温度场分布规律的数值模拟[J].煤炭学报,2002(1)

[7]赵运超等.回采工作面空调降温效果的数值分析[J].矿业安全与环保,2007(6)

(责任编辑 张艳华)

Numerical simulation and analysis of air conditioning cooling effect at working face

Zhao Yunchao,Shi Faen,Jiang Dahua
(Faculty of Architectural and Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou,Jiangxi 341000,China)

The use of air conditioning system of a coalmining face to the background,using CFD simulation software analysis the face temperature distribution after cooling,combined data analysis,obtained the air conditioner’s best height,in the condition of local mechanical ventilation parameters unchanged,the air conditioner’s best outlet air temperature and air flow,this will guide the actual production operation management.

underground coalmine cooling,coalface cooling,air conditioning,numerical simulation,computational fluid dynamics

TD-727.2

B

赵运超(1979-),女,河北省廊坊人,硕士,主要研究方向:空调与建筑节能技术。