煤矿主风机分支管路对风门湿度的影响

宋胜伟,　王子鹏,　杨晨升

(黑龙江科技大学 机械工程学院, 哈尔滨 150022)



煤矿主风机分支管路对风门湿度的影响

宋胜伟,王子鹏,杨晨升

(黑龙江科技大学 机械工程学院, 哈尔滨 150022)

为研究煤矿主风机分支管路参数对风门结霜的影响,采用实验与模拟方法分析管路结构及泄露情况对风门壁面相对湿度的影响,利用FLUENT软件模拟由正交分析方法所确定的分支管路模型的压力与湿度分布的关系。结果表明:实验与模拟误差在7.7%以内,随着泄漏口宽度、斜管长度,以及斜管夹角的增加,风门壁面的相对湿度呈下降趋势；当直管长度为165 mm时,风门壁面相对湿度最大。优选分支管路的风门壁面最大相对湿度为64%,风门壁面未发生结霜。该研究为改善风门结霜现象提供了参考依据。

风门; 分支管路; 湿度

0　引　言

冬季矿井通风机风门的结霜影响了风门的开启,风道无法正常通风,给井下的作业带来极大的安全隐患。考察风门结霜的实际情况,发现风门所在的分支管路结构以及泄漏程度对风门的结霜具有较大的影响。因此,研究分支管路的参数对于风门的防冻具有重要的意义[1-4]。目前,对分支管路结构的研究越来越受到重视,以往对分支管路的研究大多为压入式通风方式[5-7],而针对负压通风中管路湿度特性的研究相对较少。为此,笔者以某煤矿分支管路按比例缩放的模型为研究对象,结合实际工况参数,通过FLUENT软件模拟分析不同管路参数对风门壁面最大相对湿度的影响,采用正交分析方法确定最优参数组合,以期为风门防冻及矿井通风提供参考依据。

1　模型与方法

1.1有限元模型

分支管路是一种应用较广泛的管路类型[8-9],文中选取某煤矿分支管路,按照斜管夹角不变的前提,以1∶29.4的比例缩小,并将关闭一侧风门简化为具有泄漏口的壁面。其中，分支管路模型的直径为102 mm,入口直管段长度为145 mm,斜管长度为292 mm,两斜管夹角为42°,出口直管段长度为128 mm。利用Pro/E软件对分支管路三维实体建模,应用前处理软件Gambit中的四面体网格对其进行网格划分,划分后的网格总数为370 671个。有限元模型，如图1所示。

图1　有限元模型

1.2数学模型

考虑实验模型特征及流体力学理论,对管路内流场做如下假设:

(1)由于管内流速远低于声速,且忽略管路周围扰动,因此,假设管路内的流体为三维稳态不可压缩。

(2)在实际模型中的管体材料为换热性能较差的水泥材质,故假设管壁为等温壁面。

1.2.1连续性方程

根据上述假设,流体为不可压缩的连续性方程为

(1)

式中,ui——流体在x、y、z三个方向上的速度,m/s。

1.2.2动量方程

流体的动量方程采用三维稳态Reynolds的时均N-S方程[10],其形式为

(2)

式中:ρ——流体密度,kg/m3;

p——流体压力,Pa;

μ——分子动力黏性系数,Pa·s。

1.2.3湍流方程

根据分支管路的流动特征,选用标准k-ε湍流模型,湍流方程为

(3)

(4)

式中:k——湍流动能,J/kg;

ε——湍流动耗散率;

μt——湍流动能黏性系数,μt=ρCμk2/ε。

系数取Cμ=0.09、C1=1.44、C2=1.92、σk=1.0和σε=1.3。

1.2.4能量方程

根据热力学第一定律,流体的能量方程为

(5)

式中:c——比热容,J/(kg·K);

T——温度,K;

k——流体的传热系数,W/(m2·K)。

1.2.5组分方程

流体组分分数的方程为

(6)

式中:cs——组分s的相对体积质量;

Ds——组分s的扩散系数,m2/s。

1.3计算方法

求解器中压力速度耦合选用SIMPLE算法,对流项离散方式采用二阶迎风格式,压力、动量、湍流动能、湍流耗散率松弛因子均保持默认值进行计算。

1.4边界条件

由于风门所在的分支管路通风方式为抽出式通风,且根据实际工况中湿空气的温湿度,因此,出口压力即为通风机提供的压力,静压力值为-350 Pa,温度为11 ℃,相对湿度为86%。主通入口总压力为0,温度为14 ℃,相对湿度为76%。泄漏入口总压力为0,温度为-30 ℃,相对湿度为40%。

2　结果分析

2.1模拟与实验压力结果比较

图2为泄漏口宽度b在0、1、2、4和6 mm时,实验与仿真计算得到的主通风入口静压力p的对比曲线。二者误差在7.7%以内,整体趋势保持一致,结果较吻合。从实验与模拟结果得出,随着泄漏宽度的增加,主通风入口的压力逐渐下降,入口流量随之减少,致使通风效率下降。

图2　实验与模拟仿真对比

2.2管路结构对风门壁面湿度的影响

2.2.1泄漏口宽度

经过上述分析,泄漏口宽度影响泄漏流量,而泄漏流量则影响风门壁面的相对湿度RH。图3为泄漏口宽度在0.40、0.55、0.70、0.85和1.00 mm时分支管路内部的相对湿度分布云图。根据湿度云图显示,副通风管路内部存在相对湿度较高区域,该区域由于外部低温空气与内部湿空气的对流交汇所形成。若该区域处在风门壁面,则壁面发生结霜,因为风门壁面在-30 ℃下,饱和湿空气的含湿量为0.23 g/kg。当湿空气中的含湿量大于该值时相对湿度大于100%即处于饱和状态,湿空气中的水汽发生凝结现象。

图3　相对湿度云图

图4为风门壁面最大相对湿度RH随泄漏口宽度b变化的曲线。由图4可以看出,随着泄漏口宽度的增加,泄漏量Q不断增大,由泄漏口流入的干冷空气使得风门壁面湿度不断减小。在实际工况中要求泄漏流量不大于出口流量的2%,因此泄漏宽度必须小于0.7 mm,此时的泄漏量为3.3 m3/ms,占出口流量的1.9%。

图4　相对湿度曲线

2.2.2斜管长度

根据上述有限元模型,当其它管路模型参数不变,斜管长度为238、292、346、400和454 mm时,风壁面最大相对湿度RH随着斜管长度lx的增加呈二次曲线下降,如图5所示。当长度大于327 mm时，风门壁面最大相对湿度低于100%,则此时壁面不发生结霜现象。当长度逐渐增加到 400 mm时相对湿度下降至49%,此时风门壁面相对湿度变化趋于平稳状态。

图5　相对湿度曲线

2.2.3两斜管夹角

两斜管夹角θ对风门壁面最大相对湿度RH的影响，如图6所示。当其他管路模型参数不变,两斜管夹角为42°、46°、50°、54°和58°时,风门壁面相对湿度随斜管夹角的增大随之下降。当两斜管增大到48°时风门壁面湿度为99%,此时风门壁面无水汽凝结。当斜管夹角增大到55°时,相对湿度为72%,此时夹角继续增大,相对湿度变化较小。

图6　相对湿度曲线

2.2.4出口端直管长度

在其他管路模型结构参数不变的情况下,分支管路模型的出口端直管长度lz为128、165、202、239和276 mm时,风门壁面最大相对湿度RH的变化，如图7所示。

图7　相对湿度曲线

由图7可见,管路长度在128～165 mm之间时，风门壁面湿度发生了增大趋势,这是由于直管长度的增加,使副风道内直管与斜管连接部产生了一处涡流。该涡流使斜管内少量的湿空气被带到了风门附近,因为在128～165 mm之间,相对湿度产生了增大趋势。而当长度大于165 mm时风门壁面湿度随之下降,当直管长度增大到219 mm时,风门壁面最大相对湿度为98%,风门壁面无水汽凝结。当长度增大到239 mm时,相对湿度为50%,风门壁面相对湿度的变化趋于平缓。

2.3正交分析

根据上述分析,对斜管长度lx、斜管夹角θ、直管长度lz、泄漏口宽度b采用三水平四因素正交分析方法,分析因素综合后对风门壁面湿度RH的影响。表1为各因素下不同水平的正交分析结果。

表1　正交分析方案及结果

在表2中,ki表示因素取水平i时所得实验结果的算术平均值。根据算术平均值算得极差R=max{k1,k2,k3}-min{k1,k2,k3},其中极差最大列所在的因素,对风门壁面相对湿度影响最大,故对风门壁面相对湿度影响从主到次的顺序依次为斜管夹角、斜管长度、出口端直管长度、泄漏口宽度。通过极差分析,对比风门壁面最大相对湿度低于100%的各参数组合,并考虑到尽量减小管路体积的原则,优选斜管夹角为46°、斜管长度为292 mm、出口端直管长度为182 mm、泄漏口宽度为0.4 mm的管路参数。经过对优选方案的求解相对湿度分布云图,如图8所示。该优选方案的风门壁面最大相对湿度为64%。

表2　相对湿度极差分析

图8　优选方案模拟结果

3　结　论

(1)管路结构参数的变化对风门壁面相对湿度有一定的影响。当仅改变管路模型单一结构因素时,随着泄漏宽度的增加,泄漏量不断增大,风门壁面相对湿度随之下降。斜管长度的增加,可减小风门壁面相对湿度。当长度大于临界点327 mm时,风门未发生结霜。当两斜管夹角增大,风门壁面相对湿度随之减小,夹角大于临界点48°时风门壁面未结霜。当出口端直管长度增加到165 mm时,风门壁面相对湿度最大,当出口端直管长度大于临界点219 mm时,风门壁面不发生结霜。

(2)通过对影响风门壁面湿度因素的正交分析得出,影响因素的主次顺序为斜管夹角、斜管长度、出口端直管长度、泄漏口宽度,其优选方案的风门壁面最大相对湿度为64%,风门壁面不发生结霜现象。

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(编辑李德根)

Effect of coal mine main fan branch pipeline on damper humidity

SONGShengwei,WANGZipeng,YANGChensheng

(School of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is aimed at reducing the impact of coal mine fan branch pipe parameters on damper frosting. The reduction follows from using experiment and simulation to analyze the effect of pipeline structure and leaks on relative humidity of damper surface, and applying FLUENT software to simulate the relationship between the pressure and humidity distribution in branch pipe model, as determined by orthogonal analysis method. The results suggest that there occurs an error of within 7.7% between the experiment and simulation; an increase in leak width, inclined pipe length, and inclined pipe angle triggers a reducing trend in relative humidity of the damper surface; the straight pipe length of 165 mm provides the maximum relative humidity of damper surface; and the optimal maximum relative humidity of 64% in branch pipe of damper surface affords the freedom from frost in damper surface. This study may provide

for improving the frosting of damper surface.

damper; branch pipe; humidity

2014-04-02

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12541726)；黑龙江省应用技术研究与开发计划项目(GZ13C006)

宋胜伟(1968-),男,黑龙江省桦南人,教授,硕士,研究方向:现代机械设计及理论,E-mail:song8045676@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.03.010

TD441

2095-7262(2014)03-0267-05

A