巷道边壁支护方式下风流场流速分布特征的PIV实验研究

宋 莹 朱 萌 邓立军 王 东

（1.山东工商学院管理科学与工程学院，山东烟台264005；2.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁葫芦岛125105；3.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

当风流沿着矿井巷道运动时，由于其自身的粘性、惯性以及巷道壁面等影响形成了对风流的阻滞、扰动作用，从而产生矿井通风阻力，其中将风流运动方向或流经截面的突然变化导致的能量损失称为局部阻力损失［1］。巷道转弯、断面扩大及缩小、不同通风构筑物、不同巷道支护方式等影响均能在通风井巷中产生较大的局部通风阻力，在阻力计算中不可忽视，所以研究局部阻力物对风流分布产生的影响，合理布置测风点位，对于提高矿井通风阻力测算精度具有现实意义。由于井下风流运动一般呈湍流态，湍流的特性之一就是质点速度具有随机脉动特征，具体表现在通风井巷中为风流质点各变量随时间和空间的变化极不规则［2］，称之为通风“测不准”现象［3］。传统风流测速工具如热线式风速计、毕托管等属于接触式技术不可避免会对流场形成干扰，并且由于自身测速技术局限导致其无法完成测速流场的瞬时同步测量［4-6］。而粒子图像测速仪（PIV）作为非接触式测速技术，可实现在瞬间捕捉激光片光平面内的风流质点信息而完成全流场的瞬态测量，突破了激光多普勒测速技术（LDA）进行点测量的局限性。文献［7-9］利用PIV获得了不同类型巷道流场风流分布特征，为本研究的有效开展奠定了实验基础。

本项目以在矿井通风领域具有广泛应用的工字钢巷道支护类型为研究背景，采用不锈钢条块模拟巷道边壁支护形式，利用PIV技术对不同风速、不同间距支护影响下矩形巷道速度场进行了实验测试，得到巷道支护流场风流流动特性和湍流结构，对于优化矿井通风测风布置具有重要的作用。

1 实验装置及测速系统

1.1 实验装置

为探索边壁支护方式影响下巷道风流分布，在实验室的条件下对支护形式进行适当简化，基于相似理论，按照1∶20的比例设计实验模型，在巷道模型底部布置不锈钢条块模拟工字钢支护巷道类型。如图1（a）所示，实验测试采用抽出式通风方式，整个实验巷道模型采用折射率低的光滑亚克力板制作加工，利用专用的亚克力胶进行胶粘拼接，保证了巷道模型的透光性以及系统密闭性，通过管路将通风机、调节阀、整流栅、示踪粒子布撒装置、测试段等连接组成，由铝合金框架支撑形成实验主体模型。其中测试段部分可进行实验模型的相互替换，测试段长为2.4 m，巷道断面尺寸为200 mm×200 mm，实验所用的支护不锈钢条块长为200 mm，断面尺寸为15 mm×15 mm，并分别按着间距x=55 mm和间距x=125 mm的距离在测试段内进行逐个布置，如图1（b）、图1（c）所示。

实验所用的PIV测速装置来自丹麦DANTEC公司，系统组成见图1，其设备参数介绍详见文献［7］。本次实验模拟井下巷道风流流动，以空气流流动作为测试介质，其示踪粒子的选择尤为重要，结合前期大量的实验测试［10］，充分考虑空气流中示踪粒子的跟随性和散射性，采用粒径可达到微米量级的光扩散剂作为PIV测速技术的示踪粒子，能够有效提高PIV测试的图像信噪比，满足实验精度要求，光扩散剂示踪粒子由布撒装置在风流入口处投放，经过整流栅、稳流段均匀进入到实验测试段区域。

1.2 PIV测速原理

PIV测速技术的工作原理主要是利用布撒在流场中的示踪粒子成像进行流体速度的测量，如图2所示。由脉冲激光器发出的片光源照亮流场中的测试区域，在一定的跨帧时间内，利用专用CCD相机（拍摄频率5 Hz）拍摄流场中示踪粒子的前后2帧图像，将图像进行互相关计算，得到流场风流质点的速度分布［7，11］。

2 实验参数测定及结果分析

2.1 实验测试区域

PIV片光照射区域选定为测试段中间的3个支护条块，其距离风流入口处约25D（D为水力直径，200 mm）的位置，风流已呈稳定的充分发展湍流状态。由于PIV的专用CCD相机拍摄区域范围有限，确定拍摄测试范围180 mm×180 mm，如图3所示，为突出分析边壁支护对风流速度变化的影响，实验分析区域范围为180 mm×60 mm。

2.2 实验参数测定与数据处理

实验中测试段的风速变化由风机末端的风量调节阀控制，分别在风流速度V=2 m/s、3 m/s和4 m/s通风工况下，对带有边壁支护的巷道进行风速测试。为避免曝光对实验结果的影响，实验测试均在晚上进行，并将除激光入射面和相机拍摄面之外的其他实验巷道区域用黑布遮挡，不锈钢条块用黑胶布缠绕。在实验过程中通过调节2个同步器的激光强度，使得CCD相机拍摄的2帧图片亮度及清晰度相近。根据所测入口风流速度的不同，并在实验中反复对比2帧图像的位移，确定每个通风工况下对应的跨帧时间分别为350 μs、300 μs和 250 μs［7］。在每个工况下连续采集100组粒子瞬态速度图像，利用测速系统中的数据处理Dynamic Studio软件，对图像进行去噪及高斯滤波处理，经过快速傅立叶变换（FFT）算法互相关计算，得到流场各瞬态速度矢量分布，再经统计平均处理得到100组图像的时均速度场，并将测试数据导入到Tecplot软件中进一步分析，获得了巷道风流场的速度分布规律。

2.3 实验结果分析

实验得到了在不同风速V=2 m/s、3 m/s、4 m/s下，边壁支护布置间距分别为x=55 mm和x=125 mm时的巷道流场时均风速分布流线图。

如图4所示，当边壁支护间距布置为x=55 mm时，可清晰地看到巷道流场内包含了边界层分离、强剪切流动及二次回流等流动特征。当风流到达第一个支护条块位置时，由于其阻挡，会产生风流场在高度上的变化，下部风流紧贴支护条块壁面向下流动，上部风流由于惯性的作用继续向前流动，这样就会在支护位置处发生分离现象［12］，由于上下部位风流速度不同，发生接触产生剪切运动，直至风流被第2个支护条块阻挡，即在每2个相邻支护条块之间形成1个大回流涡区。当风速在2～4 m/s之间变化时，整个回流区的长度基本为2个支护条块之间的布置间距55 mm，回流涡心位置随风速的增加，距离第2个支护条块越近，约在11～13 mm范围内，也可近似认为涡心位置不变，可见风流速度变化对湍流回流区长度及涡心位置影响不大。

如图5所示，当边壁支护布置间距加大，布置间距为x=125 mm时，可清晰地看到巷道流场风流分布呈现出了与布置间距为x=55 mm时的不同流动特征，除了包含边界层分离、强剪切流动、二次回流等特征外，出现了明显的再附着运动。当风流到达支护条块位置时，由于其阻挡，会产生流场在高度上的变化，下部风流紧贴支护条块壁面向下流动，上部风流由于惯性的作用继续向前流动，这样就会在支护位置处发生分离现象［12］。而此时，上部风流速度与下部风流速度之间的差异就会导致漩涡的形成，这种流动的本质属于自由剪切流。由于上下部位风流速度的不同，风流接触后发生剪切运动，并且此过程不断向前，直至风流与下壁面接触，形成了一个贴近壁面的封闭的湍流回流区域。当风速在2～4 m/s之间变化时，整个回流区的长度基本在30～80 mm范围内，回流涡心位置均在50 mm处，可见风流速度变化对湍流回流区长度及涡心位置影响不大，这与布置间距为x=55 mm时的回流变化特征表现出一致性。

3种风速 V=2 m/s、3 m/s、4 m/s条件下雷诺数Re分别为 2.8×104、4.2×104和 5.6×104，风流均处于湍流状态，为进一步确定风流再附点的位置，以近壁面处的速度为0作为标准，当x≥90 mm时，流线均开始向下壁倾斜指向再附点，再附点位置几乎不变，这与文献［13］中提到的当流动状态达到紊流时，附着点的长度与Re无关，基本保持在某一范围内浮动一致。同时，在靠近支护条块壁面处存在角涡区，第1个小角涡大约在30 mm位置处，在图中虽然没有明显的涡体现，但可以看到有反向的流动速度，这是角涡区回流的一部分。第2个小角涡大约在140 mm位置处，风流经再附点保持惯性继续向前流动时，再遇支护条块的支护影响，一部分风流被阻挡，形成了小角涡。

综上可见，在有壁面支护方式影响下，风流形成的涡流区高度与巷道支护高度几乎一致，并未对主流风速流向产生影响，且形成的涡流区内风速值较小，涡流区测风方向极不稳定，在井下工程测风以及布置风速传感器时可有条件地忽略湍流涡流区。

3 结论

（1）非接触PIV技术获得了不同风速不同边壁支护布置间距下巷道流场时均风速分布流线，形成包含了边界层分离、强剪切流动、再附着运动、二次回流等流动特征的涡流区，进一步完善了带有支护影响的巷道流场风流速度分布结构特征。

（2）在2种支护布置间距下，风流入口速度变化对形成的湍流回流区长度及涡心位置影响不大；当布置间距为125 mm时，进一步验证了风流场形成的涡流再附着点长度与Re无关。

（3）由于巷道支护影响产生的涡流区对主流风速并未产生影响，涡流区内风速较小且方向极不稳定，表明井下布置测风点位时可有条件地忽略局部构件产生的湍流涡流区。