基于CFD数值模拟的通风障碍物对掘进巷道风速分布的影响规律研究

杨文宇 张成法 马辉

摘 要：文章采用CFD数值模拟软件对通风障碍物存在情况下的掘进巷道进行了风速分布模拟研究，建立了铲运机等通风障碍物存在情况下的巷道几何模型，探讨了指定送风速度下通风障碍物对巷道风速分布的影响规律，为掘进通风工程提供了理论基础。

关键词：通风障碍物；数值模拟；风速分布

中图分类号：TD714 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）25-0046-02

Abstract： CFD numerical simulation software is applied to simulate the airflow field in a blind heading. The geometry model of the airway is established under the existence of ventilation obstacles such as the load-haul-dump unit （LHD）. The influence of ventilation obstacles on the airflow distribution is discussed. This paper provides a theoretical basis for the optimization of ventilation.

Keywords： ventilation obstacle； numerical simulation； airflow distribution

深部掘进工作面由于受到地热的影响与独头巷道独特的通风方式，与地下空间其他作业地点相比，由于新的岩石不断暴露给风流，在这一区域风流的温度场与速度场都变得异常复杂，对其热环境的改善一直存在较大的难度[1]。为使该区域的热环境得到有效改善，在掘进巷道需要配备风管、空冷器与局部通风机组成的局部通风降温系统。本系统在实际使用时尤以采用压入式通风最为常见。在对掘进巷道流场与温度场的相关研究中，目前已有使用相似模型并结合可视化技术的报道，同时，也有使用风速仪、温湿度计进行现场实验的相关研究，随着CFD数值模拟软件的流行，对指定空间流场与温度场的相关研究变得更加便捷。

因此，本研究使用CFD数值模拟软件构建以掘进机为代表的通风障碍物组成的掘进巷道几何模型，通过三维空间的数值模拟探讨通风障碍物对掘进巷道风流流场的影响规律。

1 几何模型

图1为本研究建立的与实际巷道等比例的几乎模型。此掘进巷道高为3m，宽为3m，长为20m，风管距离迎头15m，以一个长方体代表掘进机或铲运机作为通风障碍物，通风障碍物高2m，宽2m，长5m，考虑实际作业情况设定通风障碍物前部距离迎头2m。风管出风口距离迎头15m，风管形状简化为边长为0.6m长方体，在数值模拟边界条件的设置中将风管出口风速设定为12m/s开展本研究。

2 数学模型

在巷道空气流动模拟上越来越受欢迎的是Yakhot等提出的重整化群模型（RNG），由于RNG k-ε模型增加了一个随机强制函数描述小尺度湍流运动的作用效果，可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动，由于本研究不考虑热交换，CFD数值模拟软件只需解决风流的流动问题，通过求解控制方程，包括连续方程、Navier-Stokes（N-S）方程、k方程、ε方程得到结果。对于求解紊流状态下的的巷道空气流动分析，在工程中采用对瞬态N-S方程做时间平均处理，并使用有限体积法（FVM）进行数值模拟[2]。

连续方程与N-S方程可采用式（1）的通用形式

式中t为时间（s），u为速度矢量（m/s），ρ为空气密度（kg/m3），其中通用变量？准与广义扩散系数Γ、广义源项S的对应关系如表1所示。

表1中的u为x轴方向的速度（m/s），v为y轴方向的速度（m/s），w为z轴方向的速度（m/s），μ为分子粘性系數（Pa.s），μt为涡粘性系数（Pa.s），P为压力（Pa）。

k方程与ε方程分别如式（2）与式（3）所示.

其中：αk与αε分别为k方程与ε方程对应的逆效应普朗特数，模拟软件中αk=αε≈1.393，μeff为有效粘性系数（Pa.s），可由μeff=μ+μt计算，μt=ρCμk2/ε，Cμ为常数，模拟软件中Cμ=0.0845，C1ε与C2ε为模型常数，模拟软件中C1ε=1.42，C2ε=1.68。Gk为由平均运动速度梯度引起的湍流能量k的产生项（Pa/s），Rε为附加项，这是RNG k-ε模型与标准k-ε模型最大的区别，可描述小尺度湍流的作用效果，能更好的应对剧烈应变及流线曲率的影响，这是RNG k-ε模型的优越之处。

3 数值模拟结果与讨论

图2展示了巷道中央铅垂面上的速度矢量分布图，矢量图中节点箭头的大小和方向反映了该点空气的流速大小和流动方向。从图中可以看到来自风管的射流在到达迎头之前，顶板附近的速度逐渐变小，在距迎头5m的顶板附近的风速较出口处衰减了约30%，与迎头碰撞后再反向运动。风流在反向运动后，在迎头下部附近区域由于受到障碍物的阻碍，在迎头与障碍物之间的空间内出现逆时针旋转的涡流。在障碍物后方不远处（x=11～12m附近），速度矢量指向迎头，但在后方x=10m处，速度矢量指向相反的掘进巷道出口方向，由此可见，风流在障碍物后方呈现复杂的低速流动。

与相关文献的实测实验比较[1]，在速度分布方面数值模拟结果与实验结果在大部分区域取得了良好的一致性，只是在巷道顶板与迎头部分数值模拟的风速值偏大，从图2可以明显看到风流从风管喷出后还存在约有2m的风速增大区域，而实测实验显示风流速度从风管喷出后呈直线衰减趋势，不存在风速增大区域。分析其原因应当是在实验过程中，风机产生的风流与有机玻璃制成风管内部存在凹凸的情况，导致风流更加紊乱，而在数值模拟中所有的几何模型都是理想状态，所以，为取得理想的实测结果应在风管内部加装整流装置。从上述模拟结果可以明显看到，在实际作业过程中，在通风障碍物前后的小范围空间内有可能形成涡流从而导致粉尘与瓦斯的积聚，在综掘巷道的粉尘与瓦斯治理过程中需要格外注意。

从图2可以看到有通风障碍物存在情况下，风流明显受到阻碍作用，在通风障碍物两侧的空间内，形成了狭窄的风道使得回流呈现明显加速状态，最大风速达到了2m/s。风流离开风道后，在通风障碍物后形成汇聚状态，因此在巷道水平面上也形成了明显的涡流状态。在掘进巷道通风工程中，对于机械设备后面区域应加强通风管理，避免瓦斯与粉尘积聚。

4 结束语

本研究通过CFD数值模拟研究了压入式局部通风情况下通风障碍物对掘进巷道风流的影响规律。在CFD数值模拟中采用RNG k-ε数学模型对与实际情况相同的等比例掘进巷道的风流流场进行了分析。在通风障碍物与掘进迎头之间的空间内以及通风障碍物的后部附近区域，存在涡流情况的发生，这两个区域内很有可能导致粉尘与瓦斯的积聚。在进行掘进通风系统的设计时，需要特别注意通风障碍物对风流流场的影响。

参考文献：

[1]黄寿元，赵晓雨，李刚，等.金属矿山深井人工制冷降温系统模式分析[J].金属矿山，2018（05）：165-171.

[2]Sasmito， Kurnia， Birgersson， Mujumdar. Computational evaluat

ion of thermal management strategies in an underground mine[J]. Applied Thermal Engineering，90（2015）：1144-1150.