基于CFD动网格的双箕斗运行气动侧向力研究*

基于CFD动网格的双箕斗运行气动侧向力研究*

孙扬1，徐长磊1，郝荣2，杜贵文1

(1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038；2.中国有色金属建设股份有限公司，北京，100029)

摘要：深井安全间隙是矿井向深部延伸要解决的典型提升问题之一，箕斗运行引起的空气动力响应是开展深井安全间隙研究的首要分析因素，也是引起箕斗偏摆的主要原因。将基于CFD的空气动力学计算引入到竖井箕斗运行过程气动压力分析中，依托某金属矿山工程背景，应用计算流体力学(CFD)的动网格技术和标准κ-ε双方程湍流模型对箕斗运行过程中的外流场压力变化进行数值分析。通过监测双箕斗运行相向、相会、背离的整个过程中箕斗侧向压力的变化，对箕斗稳态运行及相遇瞬态过程中的压力变化进行研究，并与国内外相关研究成果对比分析。研究表明：箕斗相会的过程中，流场变化剧烈；箕斗的侧向压力值瞬间增大，首先朝向井壁方向，而后反向增加至最大值，最后恢复稳态运行。对于高速提升的深井安全间隙确定，应充分考虑气动侧向力引起的箕斗偏摆；高速提升的深竖井断面布置应加大提升容器与井壁之间的安全间隙，适度增加提升容器之间的安全间隙。

关键词：计算流体力学；箕斗运行；气动侧向力

0引言

长期以来国内矿山多处于1 000 m以内的开采范围，相关深井问题的研究起步较国外晚，对于竖井断面经济性研究、深井安全间隙确定、提升气动阻力对提升荷载的影响等研究较少。近年来，随着矿井开采深度及规模的增加，提升高度、设备断面、提升速度都随之增加。引发箕斗提升空气动力学效应越来越明显，活塞风问题突出，进而影响到竖井通风稳定；同时由于气动阻力与提升速度成二次方的关系增加，箕斗外流场产生的气动阻力对提升机荷载的影响，侧向压力差引起箕斗偏摆对提升安全的问题，这些都成为矿井向深井开采需要研究的关键性问题。

高速提升箕斗在竖井有限空间交会引起的空气动力学效应是一个复杂流场变化的过程，是一个非稳定、湍流问题。对该复杂过程的研究，目前主要通过风动模型实验和基于计算流体力学的方法进行研究。多年来，国内交通基础设施的快速建设和计算机技术的发展，在公路、高速铁路及地铁等工程领域，计算流体力学已被广泛应用到相关研究中，相关车体穿越隧道及隧道内车体相遇等引发的空气动力学计算问题已被广泛分析应用[1-4]。文中将基于CFD模拟分析引入到竖井提升容器运行中，通过建立三维流动体力学模型，应用动网格技术对其相遇过程中的外流场进行分析，为相关箕斗偏摆和竖井安全间隙研究提供基础数据。

1计算模型

1.1　工程背景

某铁矿主井井筒直径φ6.3 m，设计年提升能力750万t/a，井筒内配30 m3双箕斗。提升系统采用钢丝绳罐道，6根首绳，4根尾绳，井底设置重锤拉紧。采用多绳摩擦提升机，提升高度1 450 m，最大提升速度18 m/s，设计进风速度2 m/s.

1.2　数学模型

相遇过程中，箕斗与井壁、箕斗与箕斗之间的相对位置时刻变化，属于瞬态问题。

两箕斗以18 m/s提升速度相遇时，其相对速度为36 m/s，其值约0.1马赫数。因此，视井筒空气为不可压缩流[5-6]，忽略空气物理性参数变化，即认为空气的温度、粘性和参考压强不变，参数值见表1.

表1　空气物理参数

针对箕斗相遇时的湍流问题研究较少，研究对象的流体为高雷诺值(Reynolds)，根据相关公路隧道、地铁隧道及矿井通风中CFD计算的相关研究文献，本CFD计算基本控制方程为Reynolds方程，湍流模型采用κ-ε双方程模型[7-8]。

(1)

动量方程

(2)

k方程

(3)

ε方程

(4)

(5)

1.3　物理模型

井筒断面布置如图1所示，箕斗含首尾绳连接装置长度20.85m，斗箱范围内两侧面的最大宽度分别为2.6m和1.78m.将箕斗实际轮廓简化为钝形，模型长度不考虑首尾绳连接装置，模型侧面仅考虑斗箱范围内的面积，取箕斗计算长宽高分别为15.0m×2.6m×1.8m.

2边界条件及模型离散

2.1　边界条件

风流入口作为模型的入口边界，风流出口作为模型的出口边界，井壁壁面设置为壁面固定边界；入口边界设置为速度入口边界，风流的速度为2m/s；出口边界设置为压力出口边界。箕斗表面设置为刚体壁面边界，通过调用函数实现动网格。

模型运行工况为5s，为了计算范围内尽可能不受回流影响，设置箕斗初始距离为72m，两箕斗端部距出入口边界各45m.因此总的井筒计算模型长度为192m，三维实体计算模型如图2所示。

图1　井筒断面布置图(mm)Fig.1　Cross section of shaft layout

图2　三维计算模型(m)Fig.2　Simulation model of three dimension

2.2　求解方法及模型离散

采用隐式分离三维非稳定流求解器，速度采用绝对速度，采用基于体积单元的梯度选项；用SIMPLEC算法求解速度和压力耦合；用标准采用κ-ε紊流模型封闭时均方程；压力场采用标准离散方程，其它的采用二阶迎风格式离散。计算时间步须基于网格形状而设置，保证计算网格质量[5，9]。

箕斗相遇采用动网格技术实现，须采用四面体三维单元对计算区域进行离散化，三维建模型网格划分共产生604 727个三维单元。

3计算结果及分析

3.1　模拟结果分析

箕斗从相向、相会、背离的整个运行计算时间为4 s，分别对skip1和skip2的Z方向整体受力进行监测，监测结果如图3和图4所示。

图3　顺风运行—Skip1侧向合力监测结果(N/s)Fig.3　Lateral force of Skip1 monitoring result(following wind direction)

图4　逆风运行—Skip2侧向合力监测结果(N/s)Fig.4　Lateral force of Skip2 monitoring result(Head wind direction)

从图3可以看出，顺风运行的箕斗在相会前的稳态运行中，存在背离井筒中心方向的侧向压力；模型计算稳定段的压力值约300～350 N.受箕斗相会的影响，侧压力监测曲线变化历时约1.25 s；侧压力方向先背离井筒中心线(最大压力值约1 750 N)，而后力的方向变为朝向井筒中心线(最大压力值约-1 250 N)。箕斗相会后进入背离运行，受计算模型尺寸限制及近出口边界的影响，其稳态运行的压力值在100～300 N之间。

从图4可以看出，逆风运行的箕斗在相会前的稳态运行中，存在背离井筒中心方向的侧向压力；模型计算稳定段的压力值在-550～-400 N之间。受箕斗相会的影响，侧压力监测曲线变化历时约1.25 s；侧压力方向先背离井筒中心线(最大压力值约-1 600 N)，而后力的方向变为朝向井筒中心线(最大压力值约550 N)。箕斗相会后进入背离运行，受计算模型尺寸限制及近出口影响，其稳态运行的压力值在-400～-300 N之间。

3.2　对比分析

有关国外对竖井箕斗运行的空气动力学研究[10]得到的计算公式如下，可近似计算得到稳态运行下的提升容器侧压力。

(6)

单个箕斗南北2侧关于井筒中心线对称，故稳态空气动力对箕斗可只考虑东西方向的作用。式中空气动力系数CL的计算

CL=0.018SSSASP,

(7)

式中系数SS,SAK可通过查图表获得；A1,A2为提升容器将井筒断面分割截后的面积;ρ为空气密度；VR为提升容器与空气的相对速度。将工程背景相关计算参数代人计算

相关公路及铁路隧道研究表明[11-12]：机车在隧洞内相会时，其瞬态侧向压力约增大4～6倍。

综上，表明竖井箕斗的稳态运行气动侧向力与国外研究结果基本一致[13-14]，相会瞬态气动侧向力与交通运输系统的研究规律基本一致。

4结论

通过建立CFD空气动力学三维模型计算及相关研究成果对比，对竖井中箕斗运行中的气动侧向力进行了分析，可得出以下几点结论

1)双箕斗相会过程与单箕斗运行相比，其气动侧向力变化剧烈；其压力瞬间增大，而后又产生反向力朝向井筒中线方向，增加至反方向最大值。整个过程历时叫约1.25s，比实际箕斗相会时间长，但压力从第一个峰值至反向后的峰值历时与实践箕斗相会时长一致；

2)箕斗运行过程中存在稳态的气动侧向力，其幅值较相遇过程的瞬态侧向力小的多；基于CFD得到的稳态气动侧向力的幅值与国外研究成果一致。应用CFD动网格计算得到的箕斗运行瞬态气动侧向力规律与相关铁路、公路中机车隧道中相会得到的规律基本一致，其幅值约为稳态气动侧向力的4～6倍；

3)对于超深超高速竖井提升的安全间隙确定，应充分考虑气动侧向力引起的箕斗偏摆；设计中应加大提升容器与井壁之间的安全间隙，适度增加提升容器之间的安全间隙。

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《西安科技大学学报》获“中国科技论文

在线优秀期刊”一等奖

12月29日，教育部科技发展中心公布了 “中国科技论文在线优秀期刊”暨“中国科技论文在线科技期刊优秀组织单位”评选结果。评选出“中国科技论文在线优秀期刊”一等奖111项，二等奖183项；评选出“中国科技论文在线科技期刊优秀组织单位”64个。其中，《西安科技大学学报》获“中国科技论文在线优秀期刊”一等奖，同时，西安科技大学获“中国科技论文在线科技期刊优秀组织单位”殊荣。

Lateral aerodynamic force research on double skips operating characteristics based on CFD moving mesh grid

SUN Yang1，XU Chang-lei1，HAO Rong2，DU Gui-wen1

(1.ChinaENFIEngineeringCorporation，Beijing100038，China；

2.ChinaNonferrousMetalIndustry’sForeignEngineeringandConstructionCo.,Ltd，Beijing100029，China)

Abstract：Hoisting safety clearance of vertical shaft is a key technical issue to extend to deep mining.Aerodynamic effect of hoisting skips is a key factor to ensure hoisting safety clearance and calculate oscillating.The aerodynamic analysis of CFD method is used in lateral force research of double skips during operating.Based on actual engineering background，outflow pressure of double skips is analyzed by moving mesh grid and standardκ-εtransient equations.The variety curves are obtained by monitoring lateral force.It will be used for analyzing steady force and buffeting force rule which includes face-to-face，crossing，and deviating.The results are contrasted with relative international and national research.The results show that flow field generates huge changes of value and direction during passing through time.First aerodynamic directs to shaft wall side，then changes to another direction and restores to steady state operating.The skips oscillating of aerodynamic effect must be considered to ensure safety clearance for deep vertical shaft.Clearance between container and shaft wall should be enlarged and it between container and container also be enlarged slightly in deep and high speed hoisting mine vertical shaft.

Key words：computational fluid dynamics；skip operating；lateral aerodynamic force

中图分类号：TD 721

文献标志码：A

通讯作者：孙扬(1985-)，男，陕西榆林人，工程师，E-mail：sunyang@enfi.com.cn

收稿日期：*2015-10-12责任编辑：刘洁

文章编号：1672-9315(2016)01-0127-05

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0122