井下移动热源对巷道局部风流温度影响规律研究*

赖鑫琼，吴柯杉，张一夫，韩 蓉

(1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 葫芦岛 125105； 2.辽宁工程技术大学 矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁 葫芦岛 125105)

0 引言

随着当前矿山开采规模的不断扩大，矿井开采深度不断延深，以及开采设备机械化水平的不断提高，无轨移动设备为代表的移动热源放热导致巷道局部环境温度升高已经成为矿井热害的主要原因[1]。

近年来，国内外学者就井下热源进行了大量研究。张育玮等[2]研究了矿井热源对风流稳定性的影响，得出热阻对分支的风量影响达11.8%；周西华等[3]通过建立数学模型对热源进行仿真分析，并且通过分别模拟热源在不同位置时的温度场分布来实现热源移动；Millar等[4]通过对矿井下的各种热源进行分析计算，得出在不同的季节采取不同的方法使矿内温度保持在一定范围内； Ghoreishi-Madiseh等[5]则通过数值模拟和实验的方法对工作面回收热量产生的热传递现象进行研究；Maurya等[6]则对矿井下的潜热进行研究；江凌枝[7]利用数值模拟中的动网格技术，研究了热源在顺风和逆风的条件下对空气温度造成的影响，并与现场实测数据进行对比分析，得到了较为一致的结果；袁东升等[8]对一般高温矿井可能存在的热源进行了分类分析，并给出各种热源放热量的计算方法；杨晓冬等[9]通过建立移动热源条件下的传热模型，研究了热源以不同的速度移动对电极丝造成的影响；刘少辉等[10]为了真实的模拟热源在移动时的温度场分布情况，把在不同温度下的对流换热系数以及移动时的网格划分用程序编译，最终得到准确的温度场分布；黄程等[11]建立了新型热源模型，热源载荷以生热率的方式加载，把热源定为原点沿Y方向移动，并在移动方向上等距离选取几个点作出温度时间曲线；Ma等[12]从理论上研究了热源移动速度对温度分布的影响；黄山果等[13]提出了热贡献率概念，得出了不同季节的热源放热曲线以及热源贡献率、区段热贡献率、区段热贡献密度排序以指导热害治理；陈桂义[14]对矿井巷道围岩与风流温度场进行了数值模拟分析；屈永良等[15]根据不同地点的热源对局部通风系统造成的不同影响提出了相应的对策。

综上，关于井下固定热源有很多研究，对移动热源的研究相对较少，而在井下无轨移动设备的放热量已到了不可忽视的地步。故本文通过实验和数值模拟方法，研究移动热源对井下巷道局部风流温度的影响。

1 固定热源实验模型

根据相似理论，实验系统如图1所示。巷道模型长2.5 m，断面边长是0.2 m×0.2 m的正方形，跟实际巷道断面尺寸比是1∶20，模型制作材料为1 mm厚的渡锌铁皮。通过建立井下固定热源的物理模型，用热风枪吹出恒定的温度来模拟井下热源散出的热量，利用K型热电偶测量热源中心轴上X-Y截面上不同高度不同水平位置的点的温度，从而得到固定热源散热产生的中心轴截面上的温度场分布数据。

图1 实验系统Fig.1 Experiment system

在垂直高度上，在0.02 m到0.2 m的距离上每隔0.02 m的距离布置1个测点，共布置9个测点。在巷道水平方向上，在0.5 ～1 m的区间，每隔0.05 m的距离布置1个测点。在1～2 m的区间上，每隔0.1 m布置1个测点。2 m之后每隔0.2 m布置一个测点，在2.5 m处布置1个测点。综上所述，一共有225个测点，如图2所示。

图2 热电偶测点布置Fig.2 Thermocouple measuring point layout

2 固定热源数值模型

2.1 几何模型及网格划分

模拟的物理模型依据实验模型的尺寸标准设定。三维几何模型尺寸X(长)×Z(宽)×Y(高)是2.5 m×0.2 m×0.2 m，热源是边长为10 mm，高为20 mm的长方体。重心位置坐标是(0.55 m，0.01 m，0.1 m)。对模型进行网格无关性验证，最终确定本次模拟选取的网格数量为783 650个。结合井下实际情况和数值模拟的需要，将风流流动和巷道条件做出一定的简化和假设。具体情况如下：

1)模型巷道内的风流为不可压缩流动；

2)模型巷道内的风流为连续性介质；

3)模型巷道内没有其他热源，不考虑围岩对风流的影响；

4)模型巷道内的空气流动为稳态紊流，满足Boussinesq假设。

2.2 数学模型

采用的数学模型包括的基本方程有质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、湍流动能方程和湍流动能耗散率方程，分别为：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：ρ为理想气体密度，kg/m3；u为速度，m/s；p为压力，Pa；T为温度，K；τij为粘性应变张量；Fi为体积力，N/m3；h为焓值，kJ/kg；Qj为热流量矢量，J/s；k为湍流脉动动能，J；Sr为辐射热损失，J；Se为放热率，W；Gk是由层流速度梯度所产生的湍流动能，J；C1，C2是常量；αk和αε是湍流动能方程和湍流动能耗散率方程的湍流 Prandtl数；Rε为湍流动能耗散率方程的修正项。

2.3 边界条件设置

在本模拟中，把模型巷道的参数设置为对流换热，传热系数为62.8 W/(m2·K)，厚度设为0.001 m，巷道入口速度为0.5 m/s，温度为287 K，热源入口速度为5.9 m/s，计算域出口为自由流。

3 实验与数值模拟结果对比分析

将实验结果和模拟结果以相同的温度图例绘制为Z=0.1 m截面的云图，并裁掉数值模拟云图中小于Y=0.02 m的部分，分别得到不同温度时实验和数值模拟结果，如图3～5所示。

图3 100℃时Z=0.1 m截面实验和模拟结果Fig.3 100℃ Z=0.1 m section experiment and simulation results

图4 200℃时Z=0.1 m截面实验和模拟结果Fig.4 200℃ Z=0.1 m section experiment and simulation results

图5 300℃时Z=0.1 m截面实验和模拟结果Fig.5 300℃ Z=0.1 m section experiment and simulation results

由图3～5可知，固定热源的数值模拟云图比实验云图更加光滑、平稳、流场结构更加规则。两者在温度值上略有出入，但差距不大。这是由于实验只能采集到特定点的温度数据，测点数量不足，而数值模拟划分的网格多，在每个节点上计算机都会进行计算，可以得到整个巷道各个点的温度数据。另外热电偶要测量截面上不同高度的温度数据，这就要求热电偶必须伸进巷道当中去，这不可避免的就会影响到巷道当中的流场分布。但是整体趋势依旧保持了良好的一致性。可以认为，本文所建立的数学模型是正确的，可以进一步利用本模型做移动热源的数值模拟研究。

4 移动热源数值模型

4.1 几何模型及网格划分

井下移动热源的几何模型与固定热源一致，采用动网格对移动热源模型进行网格划分，在动网格更新方式中选择弹簧光顺模型、网格重构模型，并设置相应的参数。由于动网格对网格要求比较高，所以在划分网格时采用四面体结构性网格，网格数量为216 842个。

4.2 数学模型及边界条件设置

井下移动热源的数学模型、假设条件以及边界条件与上文固定热源的参数一致。根据设置边界条件，用Simple算法进行耦合求解，压力项中标准、湍流动能、耗散比均选二阶迎风格式。时间步长设为0.01 s，时间步长的次数为800，热源以0.1 m/s的速度移动8 s，移动距离为0.8 m。

4.3 数值模拟结果及分析

为了研究移动热源对巷道局部风温的影响规律，分别在顺风和逆风条件下，对热源不同移动速度进行数值模拟，以进行对比分析研究。在模拟研究中，巷道温度取14℃，巷道风速取0.1 m/s，热源移动速度分别取0，0.1，0.2和0.3 m/s进行研究。

将温度为200℃的热源分别以0(热源固定)，0.1，0.2和0.3 m/s的速度顺风从0.55 m的位置移动到1.35 m的位置，在1.35 m和2.5 m之间每隔0.05 m的位置选取1个截面，共得到24个截面。取每个截面的平均温度值绘制成曲线图，如图6所示。

图6 热源以不同速度顺风移动的温度曲线Fig.6 Temperature curve of heat source moving downwind at different speeds

由图6可知，当热源固定时，在0.05 m的距离内温度会迅速升高到17℃后，在1.35～2.5 m的范围内，温度在17℃左右上下波动变化不大；热源移动时，巷道平均温度会比固定热源的平均温度高；热源移动速度越快，巷道温度越高，随着移动距离的增加，在2.5 m的位置处附近，巷道温度趋于平稳。这是由于热源散发的热量不仅在巷道风流的推动下向前移动，还受到热源向前移动的影响。

将温度为200℃的热源分别以0(热源固定)，0.1，0.2和0.3 m/s的速度逆风从1.35 m的位置移动到0.55 m的位置，在0.55 m和2.5 m之间每隔0.05 m的位置选取1个截面，共得到40个截面。从温度场中得到每个截面的平均温度值，并绘制成曲线图，如图7所示。

图7 热源以不同速度逆风移动的温度曲线Fig.7 Temperature curve of heat source moving against the wind at different velocities

由图7可知，当热源在0.55 m的位置固定时，在0.6 m位置处，巷道温度开始升高，到达0.8 m位置时达到最高值18.3℃，在2.5 m处达到17℃；热源移动后的巷道温度要比固定热源产生的巷道温度低；热源移动速度越快，散到巷道当中的热量越少，局部风流温度越低。这是由于热源逆风移动时，热源与巷道风流的相对距离增加，热风与巷道风流的热交换量也增加所致。

5 结论

1)通过分析比较固定热源对巷道局部风温的实验与数值模拟结果，可知巷道局部风流温度变化规律的实验结果与数值模拟结果相似，两者在温度值上略有出入，但差距不大，整体趋势保持了良好的一致性，从而证明了建立数学模型的正确性。

2)井下热源顺风移动时要比固定热源对巷道局部风温的影响大，并且移动速度越快影响越大，巷道局部温度升高越多。

3)井下热源逆风移动时要比固定热源对巷道局部风温的影响小，并且移动速度越大，巷道局部温度升高越少。