基于FLUENT的掘进作业面通风降温数值模拟研究

聂晓邺

(湖南新龙矿业有限责任公司， 湖南邵阳市 422000)

基于FLUENT的掘进作业面通风降温数值模拟研究

聂晓邺

(湖南新龙矿业有限责任公司， 湖南邵阳市 422000)

掘进作业面是矿山开采的主要工作面之一，研究高温矿井掘进作业面通风降温，可为井下深部开采通风系统的设计提出理论依据。根据空气动力学、流体力学和传热学等理论，利用FLUENT软件，在不同送风风速下对巷道内的温度场的分布进行数值模拟研究。结果表明，送风风速是影响巷道内温度场分布的重要因素之一，巷道围岩温度为35℃，在入口风温为20℃，风速为6m/s，模拟得到掘进迎头处的温度在26℃左右，在距离掘进2m的区域内的温度都在28℃以下，基本满足安全规程要求，当风速增加到10m/s时，可更有效的带走迎头岩壁的热量，通风降温效果越好。

通风降温；掘进面；高温矿井；数值模拟；温度场

0 引 言

随着我国矿井开采深度逐渐增加和采掘机械化水平不断提高，矿井热害问题日益凸显，已严重影响了矿井的安全生产和井下作业人员的身体健康[1]。为了保障矿山正常有序的生产，我国矿山安全条例规定，井下工人作业地点的空气温度，不得超过28℃，超过时应当采取降温或其他防护措施[2]。目前，我国金属矿井已逐渐进入千米开采时代，井下原岩温度在40℃左右，有些矿井甚至高达50℃。据统计，我国有三分之一的矿井即将进入深部开采[3]，预计在未来20～50 a内，将大量涌现深井矿山，一部分矿山的开采深度可能进入2000m，个别矿山开采深度可能更大[4]。近年来，为改善井下高温高湿作业环境，国内外已有许多专家学者进行了研究，并提出了相应的解决办法，归纳起来主要有两大类:一类是通风降温措施；另一类是人工制冷冷却风流的措施[5-10]。根据矿山的生产实践，当采用隔离热源、加强通风和冷水喷雾等降温措施不足以解决井下热害时，才采用人工制冷降温措施。本文根据巷道风流流动特性、空气动力学、热力学、流体力学和计算流体动力学等基础理论[11]，建立高温矿井掘进作业面的物理模型和数学模型，利用FLVENTt软件[12]研究高温矿井掘进作业面在不同送风风速的冷风流下的流场分布规律及降温效果。

1 数值模型的建立

1.1 物理模型

为了便于分析，选用简化的长为50m的长方体巷道进行数值模拟解算。把风筒的出口作为模型入口边界，风筒位于巷道壁旁，采用直径为0.6m的单层帆布风筒，风筒出口距掘进迎头的距离为5m，风筒距离地面高度1m，巷道内岩壁温度为35℃。模型示意如图1所示。

图1 掘进作业面通风降温模拟模型示意

1.2 数学模型

矿井内的风流流动复杂多变，大多数属于湍流运动状态[13]。在进行数值模拟计算之前，需要对矿内风流作以下假设:风气为不可压缩流体，不考虑空气重力影响；壁面密闭性好，不漏风；流动的湍流粘性具有各向性，湍流粘性系数作为标量处理；流动为稳态湍流，满足Boussinesq假设[14]。基于以上假设，可采用以下数学模型[14]:

式中:k为湍流的动能，m2/s2；ε为湍流动能耗散率，m2/s3；t为时间，s；v为层流粘度系数，Pa·s；p为修正时均压力，Pa；ρ为空气的密度，kg/m3；vt为湍流粘度系数，Pa·s；cp是比热容，J/(kg·K)；ui为速度分量，m/s；xi为坐标分量，m；fi为质量力，m/s2；ST是流体内热源和机械能转换成热量多余的部分能量；Gk为平均速度梯度引起的湍动能产生项。

2 参数设定

2.1 网格划分

根据巷道的结构特点，鉴于非结构化网格对不规则的几何边界的适应性强，能够很好地处理边界问题，在使用Gambit绘制物理模型时采用非结构化网格进行离散。划分网格主要采用四面体网格元素组成，4个物理模型中，计算区域最少划分网格191743个，最大网格体积为3.552819×10－3，最小网格体积为1.171481×10－4，网格体积小于0.1m3的数量占总数的86.2%，网格的大小能够满足计算精度的要求。

2.2 边界条件

根据掘进巷道的物理模型，设定风筒的出口速度为模型的入口边界，以巷道的自由断面处为模型的出口边界，巷道及风筒的其他面设定为壁面。

入口的边界条件为:入口类型为Velocity－inlet，入口温度为T＝293 K，入口速度v＝15m/s；出口边界条件:出口的类型为Outflow，没有相对压力，k和ε为自由滑动。壁面边界条件:所有的壁面均采用无滑动边界条件，温度为308 K，类型为No Slip，粗糙度厚度为0.05m，粗糙度常数为0.5。

2.3 数值模拟参数

FLVENT软件选用基于单元的格林－高斯方法的隐式分离三维稳定流求解器，湍流模型选用RNG k－ε模型，求解器参数中的压力速度耦合方式设置为SMPLEC，压力离散方式设置为标准格式，收敛标准为0.001。设定材料的属性为空气，密度为1.225 kg/m3，定压比热为1006.43 J/(kg·K)，动力粘度为1.784×10－5Pa·s，导热系数为0.0242 W/(m·K)。

3 模拟结果及分析

3.1 残差动态显示

掘进作业面流场可以看成是一个稳态的风流流动和换热过程，采用能量方程求解流体与岩壁的热量交换，操作环境在一个标准大气压下，不计重力加速度。计算过程中的迭代步数设置为1000步。当计算迭代运行到第347步之后，各个变量满足收敛条件，同时停止计算。其中，各个参数的残差曲线随迭代的步数逐渐趋于平缓，说明由差分方程得出的解与精确的值之间满足精度要求，可判断此次模拟迭代收敛。数值模拟过程中各参数的残差动态图如图2所示。

图2 数值模拟中残差动态

3.2 温度模拟结果

根据图1所示简化的计算模型和相关参数的设定，利用FLUENT软件对高温矿井掘进作业面采取压入式通风方式下的三维流场进行数值模拟，模拟过程中，选取送风风速分别为6m/s和10m/s，得到的三维温度场云图如图3所示。

图3 不同送风风速下温度场分布云图

为了便于分析，用Tecplot后处理模块得到2种风速下掘进作业面风速稳定后的温度场分布图，如图4所示。

图4 不同送风风速下温度场分布

从图4可以看出，起始阶段，风流从风筒口流出按照自由射流规律发展，属于射流区，但是，很快就开始有部分气流从整个射流体中分离折返，向外流出。在气流射流区内，温度低于这个平面的其他部分，越靠近巷道岩壁，风流的温度就越高，这点和从风筒射出的低温风流有关，随着射流的发展，风筒中送出的风流与巷道内的空气和巷道岩壁发生热湿交换，气流吸热，致使温度升高，在靠近岩壁的位置热湿交换发生得最为激烈，气温升高的也越大。风从风筒出口流出到掘进迎头的过程中，因为送风风流与巷道岩壁的壁面进行了热湿交换，沿着风流的方向温度逐渐升高，回风回流的温度随着回风方向也呈现逐渐升高的趋势。掘进巷道同一断面风流中，风筒中心线方向的温度最低，靠近巷道面的温度最高，且温度变化较大。从数值模拟结果来看，通风降温效果还是很明显的，掘进迎头处的温度在26℃左右，在距离掘进2m的区域内的温度都在28℃以下，基本满足安全规程作业要求。

便于分析距掘进迎头不同距离通风降温情况，自左向右选取6个不同截面的温度分布图分别表示风筒出口距掘进迎头的距离Z＝5，4，3，2，1，0.2m时巷道内温度场分情况，如图5所示。

图5 距掘进迎头不同距离温度分布云图

从图5可以看出，在风筒出口处的平均温度基本上都在30℃之间，而风筒截面处的温度最低，在22℃左右，风流吹向掘进迎头的过程中，风筒截面方向上的温度逐渐升高，而巷道中的温度在逐渐下降，这是由于距离风筒出口越远，掘进作业面区域的空气流动减弱，使得作业面不易形成涡旋区，在风筒口附近，送风口送出的气流具有卷吸作用，卷吸排出的气流形成涡旋，其作用较弱，对排出气流影响较小；距离风筒口距离较远的区域，巷道下部区域空气流速大于上部区域空气流速，这有利于送风气流与岩壁进行对流换热作用。掘进作业面的流场是属于有限空间的贴附射流物理过程，可分为贴附射流段、冲击射流段和回流段。提高风速即提高了风筒送风量，可以更有效的带走迎头岩壁的热量，所以送风风速越大，通风降温效果越好。

4 结 论

针对高温矿井问题，采用掘进作业面的压入式通风降温技术，利用FLUENT软件对深井矿业掘进作业面的速度场、温度场进行了数值模拟分析，得出如下结论:

(1)井下围岩温度为35℃，在入口风温为20℃，风速6m/s下，得到掘进迎头处的温度在26℃左右，在距离掘进2m的区域内的温度都在28℃以下，基本满足安全规程作业要求；

(2)掘进作业面压入式通风降温的速度场和温度场有着密切的关系，风速是影响巷道内温度场分布的一个主要因素，在风速增加到10m/s的情况下，含有一定湿度的冷热空气进行热湿交换的程度更激烈，有利于带走巷道积聚的热量，大约能多降低0.5℃～1℃，通风降温效果越好。

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2015-05-27)