巷道中车辆不同行进状态下的活塞风效果分析

冯京波

（晋能控股集团，山西 晋中 032600）

引言

由于流体黏性效应，井下承担运输任务的柴油机车和矿车在巷道中运行时，会与周围空气相互摩擦，从而会带动部分气体流动，且巷道内风流流动受限，被挤压的空气一部分沿车辆前方向前流动，一部分从车辆和巷道的间隙流动到后方，形成了活塞风效应。随着井下开采量的增加，矿车等机车在巷道中的活动更加频繁，导致矿井运输过程中的活塞风问题也越来越明显。因此，对活塞风导致速度场和压力场变化的研究也越来越重要。目前主要集中于对车辆运输和井筒提升形成的活塞风进行研究。王从陆等采用移动参考框架对车辆不同运行状态形成的活塞风进行模拟分析[1-2]，王文才、王海桥等分析了矿井提升设备在升降过程中活塞效应的动态阻力分布[3]。

1 矿井巷道活塞风效应计算的数学模型

井下车辆、罐笼等较大的运输设备在巷道或竖井中运动时，产生的活塞风会影响风流流动，使其流场发生变化。采用数值模拟的方法，对巷道中车辆行驶产生的活塞风进行模拟分析。为便于计算分析，根据实际情况对模型做如下假设[4]：

1）风流可视为不可压缩气流，并且忽略流体黏性力做功耗能。

2）壁面假设为绝热壁面，且风流等温。

3）流体的紊流粘性具有同向性，且将紊流黏性系数看作标量。

4）风流流动为稳态紊流，满足Boussinesq 假设。

根据以上假设，巷道内的空气流动一般为紊流流动，对于不可压缩流体，紊流模型采用标准的k-ε 双方程模型。

式中：ui，uj为速度分量，m/s；xi，xj是坐标分量；t 为时间，s；fi为质量力，m/s2；v 是层流动力黏性系数，Pa·s；vt紊流黏性系数，vt=Cuk2/ε，Pa·s；γ 为系数；k 为紊流动能，m2/s2；Gk为平均速度梯度引起的紊动能产生项，；pk为修正时均压力，Pa；ε为紊流动能耗散率，m2/s3；方程中其他常数为σk=1.0，σε=1.33，C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cu=0.09。

2 模型建立和参数设置

2.1 物理模型的建立和网格划分

车辆在巷道中运行时，会产生活塞风，同时巷道内的流场也发生变化，因此结合现场实际情况，建立简化后的三维物理模型。巷道长为50 m，断面为半圆拱形，拱高3.5 m，半圆的半径为1.5 m；将车辆看作是一个矩形，长8 m，宽1.6 m，高1.6 m。采用Workbench 建立模型，并划分六面体网格，如下页图1 所示。计算域为巷道内有气流通过的地方。

图1 模型及网格划分

2.2 求解方法的选择

采用基于压力隐式分离的求解器，选择三维稳态流动。流动速度为绝对速度，紊流模型选择双方程模型；梯度选项选择green-gauss cell-based，采用SIMPLEC 算法求解压力与速度耦合以加快收敛速度；压力场采用标准离散方法，其他都采用二阶迎风格式离散；压力松弛因子设为1，其他保持默认；采用压力梯度效益加强墙面处理方式。

2.3 边界条件的设置

巷道两侧分别为风流的入口和出口，入口选择为速度入口，风速为3 m/s，且入口处风速均匀；出口选定为压力出口，静压为0；车辆表面设为固定壁面，巷道壁面设为绝热，垂直壁面的压力梯度为0，近壁面采用标准壁处理，流体运动类型为moving wall，且壁面无滑动；流体区域运动采用SPF 模型；采用紊流强度和水力直径确定紊流[5-6]。

（1）德城区城市建设面积从1997—2017年扩大了1.77倍，尤其是2005—2010年间，建成区扩展强度指数最大，扩展面积最多，增加了29.24 km2，年均增加4.87 km2．

3 数值模拟与结果分析

为分析车辆运行过程中对风流的影响，以及形成的活塞风，采用控制变量法，保持入口风速和出口的总压不变。先做进行空白模拟，即让车辆在巷道中静止，观察流场的变化；然后模拟车辆顺风行驶和逆风行驶时，流场各自的变化规律。

巷道阻力可以通过出入口的压强求得。由于巷道断面相同，入口为速度入口，所以出入口的风流速度相等，即动压相等，所以出入口静压的压力差就是巷道阻力。

3.1 静止车辆对巷道内流场的影响

当车辆静止在巷道中，风流流过时，相当于遇到一个障碍物，风流绕过障碍物继续前进的同时，流场发生变化，导致空间压力和速度同时发生变化。其中巷道内的流场分布如图2 所示，从图中可以看出：

图2 当车辆静止时巷道内风速分布

1）对不同Y 值的平面流场进行分析，在巷道内，风流通过静止车辆时，风速在巷道入口前均匀分布，但在车辆前后速度场发生明显变化，车前出现一个速度减小区，在环状空间速度增大，并在车后出现尾流，速度较小，局部出现v=0，且形成漩涡[7]。

2）对不同X 值的平面流场进行分析，由于风流通过障碍物时截面发生变化，导致在环状空间内风流速度要明显大于车辆前后的速度。

3）对不同Z 值的平面流场进行分析，入口处风流在截面上分布均匀，但在车前的前后靠经底板部分风速下降，出现两个低速区。

除了速度场，压力场也是反映风流变化的重要特征，其中静压更是风流运动的主要动力源之一。当运输设备速度不同的时，压力场的分布也会发生变化。如图3 所示，当车辆在巷道中处于静止状态时，风流流过车辆后，巷道中的静压变化较大。车辆的迎风面中心处静压最大，由迎风面进入环状空间处，静压几乎为0。环状空间静压为负，过了环状空间静压逐渐变为0[8]。

图3 当车辆静止时巷道内压力分布

3.2 车辆顺风行驶时的活塞风

车辆以6 m/s 的速度在巷道中顺风行驶时，与静止状态相比，风流流场会发生巨大变化，即形成了活塞风。风流不仅受到车辆的阻碍导致风流流线发生变化，而且受到车辆运动产生的诱导风流的影响。模拟得出的流场是由矿井正常进入巷道的风流和车辆运动产生的活塞风的共同作用下形成的。巷道内的流场分布如下页图4 所示，从图中可以看出：

图4 当车辆顺风行驶时巷道内风速分布

1）对不同Y 值的平面流场进行分析，入口处风流分布均匀；在靠近车尾时风流开始出现变化，且出现一个低风速尾流区；且风流在环状空间区增大幅度较小；车辆的正前方不存在v=0 的区域，与没有漩涡产生，而是存在一个很小的低速区，它的大小和车辆的速度有关，远离车辆后，风速快速下降，重新恢复稳定。

2）对不同X 值的平面流场进行分析，在车辆前后形成两个低速区，这是由于车辆运动产生的额外的流场导致，且在车后的低风速区明显大于车前。在环状空间处，由于断面积变小，风速增加。

3）对不同Z 值的平面流场进行分析，现象基本与前面相同，并且在环状区域处，靠近地板附近的风速要高于顶板附近的风速。

车辆等运输设备运动时，巷道内压力场发生变化，如图5 所示。车的前方会形成高压区，同样在车前方进入环状区域处（车辆边缘）会形成一个负压区域，并且环状区域处静压减小。在车后方也会出现一个低压区，随着远离车辆，静压又逐渐增大。车辆前方静压的变化是由于车辆运动形成的活塞风导致的结果。车速越大，车前后的静压差就越大，后方气压产生的卷吸作用越明显，活塞风就越大[9]。

图5 当车辆顺风行驶时巷道内压力分布

当车辆与风流方向相同时，车与风有各自的速度，但由于方向一致，导致巷道内风流速度与车的相对速度变小，车后部的卷吸作用变弱。以上分析可以得出，活塞风源于车后的诱导风流。

3.3 车辆逆风行驶时的活塞风

当车辆行驶方向与风流流向相反时，在巷道风流和活塞风的共同作用下，风流流场会发生巨大变化。由于车辆行驶方向不同，模拟结果和顺风行驶的结果又存在很大区别，风流场如图6 所示，可以看出：

图6 车辆逆风行驶时巷道内风速分布

1）对不同Y 值的平面流场进行分析，入口处风速均匀分布，靠近车辆时，在地板附近出现一个低速区，但车辆的前上角和环状空间（特别是车的前半部分），风速急剧上升；在车后风速开始逐渐下降，但在车后方靠近巷道地板处有一个风流高速区，这是由于车辆运动形成的风流卷吸区导致的，车辆后方可分为尾流区和卷吸区。

2）对不同X 值的平面流场进行分析，可以明显看到车辆前后存在的低速区和高速区，以及车辆后方的涡流充分发展。

3）对不同Z 值的平面流场进行分析，在环状空间，风速分布存在一个变化的过程，入口附近靠近地板附近风速较大，顶板附近小；但继续向后，由于车前部边缘的高速风流，顶板附近风速逐渐变大，大于地板附近风速。

当车辆与风流速度反向时，车速与风流的相对速度变大，在车辆的后面出现负压区，且负压较大，导致卷吸作用增强。车辆逆风行驶时巷道内压力分布如图7 所示。

图7 车辆逆风行驶时巷道内压力分布

4 结论

1）当车辆顺风行驶时，对巷道内流场变化影响相对较小，活塞风效果不明显；当车辆逆风行驶时，巷道内风流场变化相对较大，特别是环车辆四周区域，风速和压力明显增加，对巷道通风的效果影响较明显。

2）车辆在行进过程中，会在正前方形成一个正压区，后方形成一个负压区，车辆两侧由于流速较大，所以其静压要小于其他区域。且车辆逆风行驶时，产生的通风阻力要远大于顺风行驶时。

3）由于车辆行驶产生的活塞风，会对巷道原有风流有一定程度的扰动，使巷道局部风速发生较大变化，从而对矿井通风系统产生局部影响。因此，在对运输巷道进行风量测定时，需考虑活塞风的影响。