基于多场耦合下的岩石不稳定换热系数的研究

邓莉涵

摘 要：岩石的传热性受到多种因素的影响，如温度场、渗流场、风速场。为分析多场耦合对岩石传热性的影响，通过在岩石外喷洒热水形成热源体，在岩石内部布置均匀的热电阻进行岩石的温度测定，对测定装置通入不同风量。经过理论计算，进而验证不同工况下岩石传热特性。

关键词：铁路隧道；多场耦合；换热系数

引言：

隧道由于其封闭性，在使用过程中产生的大量热量要靠热环境控制系统来排除。隧道维护结构与围岩的传热，对环控系统热负荷的确定以及环控效果的长期稳定性有着重要影响。

铁路隧道的出现和发展为人们的生活带来了便利，但受制于技术条件的限制，在很长的时间内，铁路隧道的规模都很有限，直到20世纪，才开始出现了一些大型隧道及深埋隧道，随之而来在掘进施工中也出现了岩爆及高温的现象，这些问题不仅会造成巨大的投资浪费，而且严重影响施工效率及人身安全。通过模型制作进行了多场耦合下的岩石不稳定换热系数的测定与研究，探讨岩石与风流、温度等方面相互影响的规律，进而验证不同工况下岩石传热特性，以减小安全事故发生的概率。

1.基本理论分析

1.1.调热圈传热数值模型的建立

1.1.1巷道形状为半圆拱形状

由于巷道形状对于井下庞大围岩体的传热影响是很有限的。所以，为了便于开展研究，首先要对问题进行简化，假设围岩在巷道断面的各个方向上都是均匀传热，热流方向都为巷道径向，而巷道形状对应简化为半圆拱形状。

1.1.2 巷道围岩均质且各向同性

由于地质条件千差万别，不同地区的矿井在不同深度的岩石、结构特性也各不相同，其热物理性质也不一样。鉴于此，在研究过程中，若要考虑围岩的不同特性，问题将十分复杂、难以解决。所以，在建立数值模型之前，对巷道围岩的性质进行假设，将其视为均质且各向同性。

1.2实验模型介绍

本试验装置主体模型如左图所示，断面为半圆拱形状，长度为400mm，设置四个断面，每个断面布置3个热电阻，共计12个热电阻，进行温度的实时测定；通风系统采用小型轴流风机进行变风量测定；混凝土外侧设置高温淋水系统，实验装置整体示意图如右图所示。

2 风流计算式

通过测定的入，出口的空气温度，相对湿度可以确定空气入口，出口的含湿量。根据下面的公式，可以计算出通入空气经过隧道后所增加的潜热Qq 。

增加的潜热Qq 计算公式：

Qq=m×r×（d2-d1）

式中：m —风流所含干空气的质量流量，kg/s；

r —水蒸汽的汽化潜热2500，kJ/kg ；

d1，d2 —进、出口风流的含湿量，kg/kg（干空气）。

增加的显热Qx ，计算公式为：

Qx=m（cp·gt2+cp·qt2d2-cp·gt1-cp·qt1d1） ）

式中：cp·g —干空气的定压比热1.005，kJ/（kg·℃ ）；

cp·q —水蒸汽的定压比热1.84，kJ/（kg·℃ ）；

t1·t2 —进出口风流的温度，℃ 。

增加的全热计算公式为：

Q1=Qq+Qx

假定风流在试验平台模拟隧道中不受任何外界热源（冷源）的影响，只受到模拟隧道中围岩温度的影响，围岩的放热量Q2：

Q2=k1LU（tB-tgu）

TB=（t1+t2）/2

式中：

U —隧道周长，m；

L —隧道长度，m；

tgu —模擬隧道原始温度，℃；

kT —风流与围岩不稳定热交换系数，kW/m2℃；

根据热平衡原理：Q1=Q2 ，求得风流与围岩不稳定热交换系数。

3试验结果

基于不同相同风量下（200m3/h、400m3/h、600m3/h、800m3/h），不同模拟巷道围岩温度的条件下，围岩温度设定为30℃、35℃及40℃，测试结果经整理后，模拟巷道进出温度变化特性如图1所示。

图1 不同岩围、不同通风量下进出口温度变化特性

从图1我们可以得出如下结论：

（1）结合试验系统模拟巷道实验系统的围岩温度及模拟巷道进出风口的风流进行测试，同一风量下出口温度随着围岩温度的上升而随之升高；

（2）同一风量下，随着围岩温度的升高，进出口温差随之增加，模拟围岩温度40℃相比30℃条件下，温差升高仅1倍左右；

（3）结合试验系统模拟巷道实验系统的围岩温度及模拟巷道进出风口的风流进行测试，同一围岩温度下出口温度随着风量的升高而随之减少；

（4）同一模拟围岩温度下，随着风量的升高，进出口温差随之减少，风量800 m3/h相比200 m3/h下，温差降低仅8倍左右，以此验证井下通风降温的可行性，在一定程度下，通风降温可以有效解决矿井高温高湿环境的难题。

测试结果结合理论分析与数值计算，围岩不稳定换热系数的数据如表1所示和图2所示。

表1 不稳定换热系数计算数据表

图2不稳定换热系数变化曲线图

通过表1及图2可以看出，围岩传热系统不稳定换热系数随着时间的增长，基本维持在一个相对动态稳定的状态中，不随通风量及围岩温度的变化而变化。

4结论

结合围岩传热的原理，构建了围岩不稳定换热系数，系统中包含了模拟巷道通风系统、模拟巷道通风系统、围岩温度模拟试验系统及数据采集系统，为进一步进行更为详细的围岩传热及隔热试验奠定了一定的试验基础。

参考文献：

[1]高建良，杨明，巷道围岩温度分布及调热圈半径的影响因素分析【J】.中国安全科学学报.2005，15（2）；73-75

[2]孔祥强，谢方静，陈喜山.围岩对矿井如风流温度的影响分析【J】.金属矿山.2009（5）；164-1650