热害矿井掘进工作面换热特性

姬建虎,廖 强,胡千庭,褚召祥,张习军,龚林平

(1.重庆大学工程热物理研究所,重庆 400044;2.中国煤炭科工集团重庆研究院瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037)

热害矿井掘进工作面换热特性

姬建虎1,2,廖 强1,胡千庭2,褚召祥2,张习军2,龚林平2

(1.重庆大学工程热物理研究所,重庆 400044;2.中国煤炭科工集团重庆研究院瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037)

为量化热害矿井掘进工作面的换热特性,根据其通风和换热特点,以掘进工作面冲击射流换热系数的影响因素关联式为基础,结合工程实践中常见参数对换热系数影响因素进行了1∶1的ANSYS数值模拟试验和1∶3的室内相似模拟实验。结果表明:模拟和实验结果在数值范围和变化趋势两方面吻合程度都较高。对数值模拟和实验结果进行回归分析,得到了掘进工作面冲击射流换热系数影响因素关联式的具体形式。数值模拟和实验结果回归分析式的相关系数分别为0.925和0.944。

热害矿井;掘进工作面;换热系数;相似实验;回归分析

随着浅部煤炭资源的逐渐减少甚至枯竭,地下开采的深度越来越大[1],矿井进入深部开采后,普遍面临着高温热害的问题[2－3],为解决矿井高温热害问题,首先需要计算井下各种热源(如围岩散热、机电设备散热、空气压缩热、氧化散热等)的散热量,根据散热量进而确定主要需冷地点(采掘工作面)所需降温冷负荷,才能为矿井降温系统及方案的选择提供决策依据[4],热害矿井的主要热源中围岩散热计算最为复杂[5],其关键在于围岩和风流之间的换热系数难以确定,尤其是掘进工作面围岩和风流的换热系数。掘进工作面的通风方式主要有压入式、抽出式和压抽混合式,其中压入式通风属于末端封闭有限空间的贴壁射流[6],国内外相关学者对此进行了研究。高建良等[7－8]通过实测数据分析了掘进巷道围岩的温度分布和变化;G.Danko等[9]则利用CLIMSIM, MULTIFLUX软件对矿井巷道壁面的传热、传质现象进行了数值模拟,并对结果进行了对比分析;Malcolm[10]通过传热学理论分析给出了风流和围岩之间对流换热系数计算式;I.S.Lowndes等[11]对风流与围岩之间对流换热系数及换热特性进行了模拟实验;王海桥[12]对掘进工作面流场进行了研究;张艳丽[13]对掘进工作面的换热系数计算方法进行了研究;许坤梅等[14]使用3种湍流模型对半封闭圆管冲击射流进行了数值模;张泽远等[15]对半封闭通道射流冲击进行了实验研究;徐惊雷等[16]采用热线风速仪测定了4种不同冲击高度下对半封闭紊流流场的结果,并做了对比。

上述可以看出,国内外学者已经采用不同的方法、从不同角度对掘进工作面通风和类似的半封闭通道射流冲击换热进行了研究,但鲜有给出适用于掘进工作面的换热系数关联式,因此有必要进一步研究。本文主要针对掘进工作面压入式通风条件下风流对掘进面换热特性进行研究,并得出平均换热系数关联式的具体形式。

1 掘进工作面换热特性

1.1 换热特点

由掘进工作面压入式通风方式的特点,可将风流和掘进工作面的换热分为两大部分:①风流和掘进工作面之间的换热;②风流和侧面围岩间换热,如图1所示。笔者主要针对①部分进行研究,如图2所示,并得出其关系式。

图1 掘进工作面流场示意Fig.1 Ventilation flow field in driving face

1.2 换热系数关联式

图2 掘进工作面换热系数云图Fig.2 Contours of surface heat transfer coefficient in driving face

掘进工作面风流和围岩之间的换热主要为对流换热,换热系数h的主要影响因素有流体流速u、流体密度ρ、流体动力黏度η、流体的导热系数λ、比定压热容Cp、巷道断面特征直径D、风筒直径d、风筒出口距掘进工作面的距离H,即:h=f(u,d,λ,η,ρ, Cp,H,D)。上述共有9个物理量,由4个基本量的量纲(时间T、长度L、质量M、温度Θ)组成,根据π定律,可以组成5个无量纲量,分别如下[17]:

2 参数的模拟

要进一步确定式(1)具体的函数关系式需采用数值模拟、实验研究等方法,根据我国煤矿实际情况,确定不同的Re,H/d和D/d,然后再进行掘进工作面换热特性的研究。

2.1 D/d的确定

我国煤矿掘进工作面的断面尺寸差异很大,为缩小实验参数范围并便于日后验证,取巷道断面特征直径D为3.36 m[17]。风筒直径d分别为0.4,0.5, 0.6,0.7,0.8,1.0和1.2 m等7种[18],D/d对应的数值见表1。

表1 不同风筒直径d所对应的D/dTable 1 The D/d in different airduct diameter d

2.2 Re的确定

我国高温热害矿井一般掘进工作面的通风量不超过800 m3/min,结合实际情况,在模拟中分别对100,150,200,250,300,350,400,450,500,600,700和800 m3/min等12种情况进行模拟。根据12种不同直径的风量,7种不同直径的风筒对应的Re数和风速见表2。

表2 雷诺数Re和风筒风速的取值Table 2 The number Re and the velocity in airduct

2.3 H/d的确定

在掘进工作面压入式通风系统中,风筒出口至掘进工作面之间的距离H一般不超过10 m,本文模拟主要考虑距离H分别为1,2,3,…,10 m等10种情况。7种不同风筒直径时,对应的H/d数值见表3。

表3 不同通风距离H和风筒直径d时对应的H/dTable 3 The H/d in different ventilation distance H and airduct diameter d

3 实验装置

3.1 实验模型比例

我国煤矿掘进工作面断面大小差异较大,为了便于日后验证,以文献[17]中模型为原始模型,特征直径D为3.36 m,结合实际情况,实验模型采用1∶3缩小的模型,缩小后的巷道断面如图3所示。

图3 实验模型巷道断面形状Fig.3 Experimental model cross section

根据相似理论[19],同名相似准则数相等:

式中,上标“′”和“″”分别表示实际巷道和模型。

根据换热系数计算公式[20]这和实际掘进工作面风流的流体性质(热扩散率、运动黏度)是一致的。模型实验中,将采用大小为1∶3的模型,流体将采用空气作为介质,则

由式(13)可知,实验模型中得出换热系数h为原始模型换热系数的3倍,风流速度u也为原始模型中的3倍。

3.2 实验装置

实验装置示意如图4所示,风流经压风机8进入管道,经整流器6进入风筒9,最后进入模拟巷道1和掘进工作面恒温加热板10进行换热,换热后的风流经整流器2后排出,在风流进出口安装有温度探头和流量计,以监测流量和温度,如图4中3,4,5所示。风流流量的控制主要通过压风机变频柜和流量调节阀7控制,由监控系统采集数据,如图5所示。

图4 实验装置示意Fig.4 General layout of the experimental setup

图5 数据采集系统Fig.5 Data acquisition system

掘进工作面恒温加热板10,通过电加热管均匀焊接在加热板上,如图4中A—A断面所示,恒温加热板的温度为平均温度,通过无级调压器不断调节电压,使加热板平均温度达到40℃,并且当温度稳定时再进行测试。

实验装置模拟巷道4和风筒9外层都加了保温层,以保证风筒中进风流和巷道中回风流不参加换热,如图6所示。实验中通过更换风筒以测定对应的风筒直径d,通过风筒伸缩以确保风筒出口至掘进工作面的距离H,实验严格按照1∶3缩小模型,结合式(13)和表1～3进行。

图6 实验巷道及风筒Fig.6 The experimental roadway and airduct

平均换热系数测试原理如下。

能量守恒定律:

4 结果分析

4.1 实验和模拟结果分析

由于实验及压风条件有限,实验过程中并未为对表1～3中所有数据进行实验研究,而是取表2中Re为235 843,353 764,471 686,589 207等4组对应的数据,取表1、表3中所有数据进行研究,并采用1∶3缩小的模型,结合式(13)进行实验,合计280组实验组合,实验量较大。

模拟采用1∶1模型,模拟模型、边界条件、控制方程及相关参数参见文献[17],根据掘进工作面风流,具有射流、回流、二次流(和主流方向不同的流动)和壁面限制等特点,本次模拟经过湍流模型比较,选取广泛应用于解算紊流流动过程的Realizable k－ε模型,方程中相关参数取值参考了ANSYS中帮助文件,具体见ANSYS13.0 Help System中1.2.1 The Mass Conservation Equation,4.3.3 Realizable k－ε Model和5.2.1.1 The Energy Equation。模拟对表1～3的840种组合进行研究,模拟量较大。

因掘进工作面的通风的流场较为复杂,如图1所示。为了能够较清楚了解掘进工作面和围岩作为一个整体的换热特性,模拟增加了围岩为恒壁温40℃的边界条件。此条件下,掘进工作面及风流作为一个整体分析,围岩和掘进工作面都参与换热,这种条件下的模拟组合也为840种。

为说明掘进工作面换热系数的关系,下面结合实验和模拟结果进行分析。

(1)Nu与Re的关系。

经数据分析,不同D/d条件下,Nu与Re关系具有相同的变化趋势,限于篇幅,取D/d=5.6时的Nu－Re图加以说明,如图7,8所示。可以看出,Nu随着Re的增大而增大,且随H/d的增加而减小。Re增加,则风速风量加大,换热加强,故Nu变大;H/d增加,风流出口距掘进工作面距离相对变大,风流发散,换热减弱,故Nu变小。尽管实验数据有限,但实验和模拟结果仍具有较好的相似度。

图7 模拟结果中Nu与Re的关系Fig.7 The relationship between Nu&Re by simulation

(2)Nu与H/d的关系。

同样限于篇幅,取D/d=5.6时的Nu－H/d图加以说明,如图9,10所示。可以看出,Nu随着H/d的增大而减小,且随Re的增加而增加。H/d增加,风流出口掘进工作面距离相对变远,未形成有效冲击射流,换热作用减弱。同等条件下,Re越大,则风速风量加大,换热作用越强,故Nu变大,实验和模拟结果同样具有很好的相似度。

(3)相同Re时Nu与H/d的关系。

图8 实验结果中Nu与Re的关系Fig.8 The relationship between Nu&Re obtained from experiment

图9 模拟结果中Nu与H/d的关系Fig.9 The relationship between Nu&H/d by simulation

图10 实验结果中Nu与H/d的关系Fig.10 The relationship between Nu&H/d obtained from experiment

数据分析结果表明,不同Re条件下,Nu－H/d图具有相同的趋势,在此仅取Re为235 452时的Nu－H/d关系图予以说明,如图11,12所示。可以看出, Nu随着H/d的增大而减小,与图9,10一致,而随D/ d的增加而减小。D/d增加,在D不变的条件下,风筒直径变小,风筒射出的风流对掘进工作面的冲击面较小,故得出的平均Nu数较小。总体来说,D/d对Nu影响不大,随着H/d的增加,对Nu影响更小,如图11,12中H/d大于10时,D/d的影响可忽略不计,实验和模拟结果同样具有很高的吻合度。

4.2 回归分析

在实验和模拟结果分析中,对Nu的影响关系进行了分析,实验和模拟结果具有较高的吻合度。为实践应用,拟合出具体的函数关系式则更为方便。在对流传热的研究中,以已定准则的幂函数形式整理实验数据的实用方法取得了很大的成功[15],则式(1)可整理为

图11 模拟结果中Nu与H/d的关系(Re为定值)Fig.11 The relationship between Nu&H/d by simulation(Re=constant)

图12 实验结果中Nu与H/d的关系(Re为定值)Fig.12 The relationship between Nu&H/d by experiment(Re=constant)

同样为了方便实际应用,将掘进工作面、围岩及风流看作一个整体,对模拟结果数据进行回归,得出关系式

其回归判定系数R2为0.937。

实验及模拟验证范围:

5 结 论

(1)掘进工作面Nu的主要影响因素是Re,H/d和D/d,结合工程实践中常见参数,采用ANSYS数值模拟和实验相结合的方法对影响关系进行了研究,模拟和实验结果高度吻合。

(2)根据实验和ANSYS数值模拟结果,对数据进行了回归分析,得出了煤矿掘进工作面压入式通风条件下的围岩和风流间换热关系式(式(17)～(19)),判定系数R2分别为0.925,0.944和0.937,具有较高的实用价值。

(3)只针对煤矿掘进工作面压入式通风情况进行了研究,并没有对所有不同情况进行分析。湍流问题较为复杂,现在仍然没有一个公认的具有较好普适性的湍流模型,下一步应结合实验方法验证相关参数之间的具体关系式,并扩大掘进工作面巷道断面特征直径D的模拟和实验范围,得出普遍适应的关系式,涉及的结论模拟实验验证范围如下:

235 843≤Re≤1 885 980,0.83≤H/d≤25,2.8≤D/d≤8.4。

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Heat transfer characteristics of driving face in heat harm mine

JI Jian-hu1,2,LIAO Qiang1,HU Qian-ting2,CHU Zhao-xiang2,ZHANG Xi-jun2,GONG Lin-Ping2

(1.Engineering Thermophysics Institution,Chongqing University,Chongqing 400044,China;2.National Key Laboratory of Gas Disaster Detecting,Preventing and Emergency,China Coal Technology&Engineering Group Chongqing Research Institute,Chongqing 400037,China)

In order to obtain the heat transfer equation of driving face in heat harm mine,according to the ventilation and heat transfer characteristics and general parameters in engineering practice of driving face in heat harm mine,the ratio of 1∶1 ANSYS numerical simulation test and ratio of 1∶3 indoor similar simulation experiment were taken based on the convective heat transfer coefficient impact factors correlation of jet flow in driving face.Through the comparison,simulation and experiment results have high degree of coincidence both on range of value and variation tendency.Then the concrete forms of heat transfer coefficient correlation were got with regression analysis of numerical simulation results and experimental results.The correlation index R2of the numerical simulation and the experiment regression analysis are 0.925 and 0.944.

heat harm mine;driving face;coefficient of heat transfer;field experiment;regression analysis

TD727

A

0253－9993(2014)04－0692－07

姬建虎,廖 强,胡千庭,等.热害矿井掘进工作面换热特性[J].煤炭学报,2014,39(4):692－698.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0478

Ji Jianhu,Liao Qiang,Hu Qianting,et al.Heat transfer characteristics of driving face in heat harm mine[J].Journal of China Coal Society, 2014,39(4):692－698.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0478

2013－04－15 责任编辑:毕永华

“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAK04B02);中国煤炭科工集团创新基金重点资助项目(2011ZD001);重庆市科技人才培养计划资助项目(cstc2013kjrc－qnrc90001)

姬建虎(1978—),男,山西晋城人,副研究员,博士研究生。Tel:023－65239117,E－mail:jijianhu@126.com