百叶式风窗流场分布模拟及局部风阻计算分析研究

李晓波，赵 晶，尉 瑞，桑 聪

(1.中煤华晋集团有限公司，山西 河津 043300；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；4.中煤华晋集团有限公司王家岭矿，山西 河津 043300;5.煤炭科学研究总院矿山大数据研究院，北京 100013)

调节风窗作为矿井通风构筑物之一，在调整和优化通风系统过程中起到了关键的作用[1]。目前井下风窗调节仍是借助于人工调节，在调节的过程中仅能根据经验人工现场调节风窗过风面积，以此达到风量调节的目的[2-3]。人工调节过程中存在很多安全隐患，且浪费人力、物力、财力。因此,近年来矿山大力发展、引进、研发井下风窗风量自动调节控制装置。与人工调节相比，自动调节装置具有调风稳定、安全和准确的特点，一定程度上解决了井下风窗人工调节难度。当井下风量需要进行调节时，无需人为现场调节，仅需通过远程操控电脑，对风窗风量进行调节。国内研究人员研发了远程定量控制的百叶式调节风窗，调节风窗以压缩空气为动力，通过气动马达驱动风窗扇片转动调节过风面积[4]。风窗的调控由地面的上位机软件远程发布命令，控制井下电控系统，通过外国传感器监测风窗运动状态，实现了对百叶式调节风窗的准确快速调控[5-6]。

本文以王家岭煤矿12309工作面为例，用百叶式风窗调节风量进行研究[7]。利用Fluent软件对窗扇开启不同角度时风窗进行了模拟分析，目的是研究风窗两端流场分布以及利用软件模拟得出风窗相关研究数据，推导出风窗局部风阻计算公式，结合实测数据对公式进行误差分析对比，判定风窗局部风阻公式在实际生产中的实用性，为百叶式风窗现场调风工作提供指导[8-9]。

1 百叶式风窗结构

百叶式风窗如图1所示。风窗门体由若干个扇叶构成，支撑框架主要由窗扇框和小门门框两部分组成，各部分由螺栓连接成为一个整体结构。该框架主要起到固定支撑作用，为动力传动装置、运动机构、小门以及各类传感器提供固定安装载体。窗扇框架由立挡板、上下挡板通过螺栓拼接固定而成。在框架内部等间距布置了4道隔板，形成了5个风流通道，并在通道内安装5个窗扇，通过控制窗扇角度的变化，改变风流通道的过风面积。

图1 自动风窗设计示意图Fig.1 Schematic diagram of automatic wind window design

百叶式风窗在每个门体配备了2套动力系统，分别为气动马达和手动动力系统。正常工作条件下，以压缩空气为动力，使用气动马达快速进行风窗过风断面调节；在井下停电、压缩空气中断等异常条件，使用摇把手动系统应急调节风窗过风面积[10]。

风窗运动机构安装于支撑结构上，主要包括窗扇、连杆和气动马达3部分组成。百叶风窗调风过程中，借助于动力传动装置，风窗扇片角度发生变化，使得过风面积发生变化。

1) 运动机构运动过程。百叶式风窗共有5个活动的窗扇，每个窗扇的轴与短连杆固定连接；5个短连杆与长连杆同步铰接，长连杆在气动马达作用下，带动短连杆，驱动窗扇转动改变过风面积。当叶片处于竖直位置时，此时风窗扇片闭合，过风面积0 m2；中图窗扇旋转到60°位置，此时过风面积为最大调节面积的50%；右图窗扇处于水平位置，风窗处于完全打开状态，此时过风面积最大。

2) 小门。小门的作用是方便行人，小门采用方钢管焊接构成门体框架，外敷1 mm的蒙皮组成。行人小门宽800 mm，高1 500 mm，行人稍稍低头即可顺利通过。

2 百叶式风窗流场数值模拟

2.1 数学模型

根据百叶式风窗开启角度以及百叶式风窗几何尺寸，推导出百叶式风窗开启面积计算公式，见式(1)，百叶式风窗开启面积与开启角度参数对应情况(图2)。

(1)

式中：θ为风窗开启角度，(°)；b为单页百叶窗的宽度，m；L为单页百叶窗的长度，m；S为百叶式风窗的总开启面积，m2。

根据式(1)可知，百叶式风窗不同开启角度对应风窗开启面积。

2.2 模型建立

为研究百叶式风窗周围流场的分布情况以及风窗局部风阻，根据风窗实际尺寸以及风窗所在巷道的几何尺寸，利用对Fluent软件数值模拟建立百叶式风窗百米巷道模型，巷道模型如图3所示。为了分析百叶式风窗巷道内风窗前后压力分布，设置了一个流场水平监测面与一个流场垂直监测面。表1为百叶式风窗百米巷道几何模型关键参数。

图2 风窗开启一定角度示意图Fig.2 Schematic diagram of opening certain angleof wind window

图3 百叶式风窗百米巷道整体几何模型图Fig.3 Overall geometric model of 100 m roadwaywith louver

表1 百叶式风窗百米巷道几何模型关键参数Table 1 Key parameters of geometric model of100 m tunnel with louver

2.3 百叶式风窗巷道风流场计算结果分析

通过Fluent软件模拟得到巷道内百叶式风窗前后压力分布，如图4所示。百叶式风窗位置处气压骤然急剧变化[11]，风窗前后存在明显的压差，说明百叶式风窗对通过风流产生明显的局部阻力。

通过Fluent软件模拟得到百叶式风窗前后风速分布情况如图5所示。由图5可知，风窗附近区域风速明显大于行人风门附近区域风速。通过Fluent软件模拟得到百叶式风窗巷道内风窗前后流线分布及局部放大图如图6所示。行人风门后方形成涡流区，百叶式风窗结构严重改变了风流流线，特别是风窗上方区域形成涡流区，该区域不适合布置风速传感器。

图4 百叶式风窗巷道内风窗前后压力场分布Fig.4 Pressure field distribution before andafter louver in tunnel with louver

图5 百叶式风窗巷道内风窗前后风速场分布Fig.5 Distribution of wind velocity field before andafter louver in tunnel with louver

2.4 百叶式风窗局部风阻计算公式推导

确定风流通过百叶式风窗不同开启程度的局部阻力，结合过风量即可确定百叶式风窗不同开度程度下的局部风阻。巷道内风流处于紊流区，巷道风流主要受到摩擦阻力、风窗局部阻力影响。计算模型中将巷道壁面摩擦阻力系数设置为极小值，近似为光滑壁面，风流流经巷道造成的摩擦阻力损失可忽略不计。对巷道两端断面内各处静压进行积分可以得到整个巷道断面的静压力，对巷道两端断面内各处动压进行积分可得整个断面的动压力，根据伯努利能量守恒方程可得式(2)。巷道两端断面的静压差与动压差之和为百叶式风窗局部阻力，百叶式风窗局部风阻计算公式见式(3)。

(2)

(3)

式中：hj为百叶式风窗局部阻力，J；n为风流入口端巷道断面划分单元个数，个；m为风流出口端巷道断面划分单元个数，个；Vi、Vj为风速，m/s；Pi、Pj为气压，Pa；ρi、ρj为风流密度，kg/m3；Sl为风流入口断面面积，m2；Sk为风流出口断面面积，m2；Rj为百叶式风窗局部风阻，N·S2/m8。

由数值模拟得到巷道两端静压值和动压值，利用式(2)和式(3)计算可得到百叶式风窗局部风阻值。风窗开启角度分别为30°、45°、60°、70°、90°时，对应的风窗开启面积分别为0.33 m2、0.73 m2、1.26 m2、1.64 m2、2.50 m2，风窗开启面积保持一定时，设定风窗的过风量分别为7.5 m3/s、15.0 m3/s、22.5 m3/s、30.0 m3/s，根据百叶式风窗局部风阻计算公式求出百叶式风窗不同过风量时风窗的局部风阻。

由图7可知，百叶式风窗过风量对其风阻几乎没有影响，当风流处于紊乱状态时，可以忽略百叶式风窗过风量对其局部风阻的影响，决定百叶式风窗局部风阻是百叶式风窗的设计结构、开启角度以及巷道特性。

由图8可知，百叶式风窗局部风阻随风窗过风面积增大而减小的规律极为明显，利用Origin数据分析软件进行非线性迭代拟合，式(4)为以风窗过风面积为自变量的百叶式风窗局部风阻计算公式，拟合度达到0.994。

r=a+bcs

(4)

式中：r为百叶式风窗的局部风阻，N·S2/m8；s为百叶式风窗的总开启面积，m2；a、b、c为拟合系数，其中a=0.070 29，b=-11.440 37，c=0.012 59。

将数据带入式(4)可得到以风窗开启角度为自变量的百叶式风窗局部风阻计算公式，见式(5)。

(5)

由式(5)可知，百叶式风窗局部风阻随风窗过风面积呈现指数负相关关系。

图7 百叶式风窗局部风阻模拟计算结果汇总表Fig.7 Summary of local wind resistance simulationcalculation results of louver

图8 局部风阻平均值Fig.8 Average value of local wind resistance

3 百叶式风窗局部风阻计算公式的误差分析

为实现12309工作面风量远程调控，百叶式自动安装风窗在12309工作面回风绕道，用于调控12309工作面的风量。百叶式风窗安装位置如图9所示。

调整百叶式风窗的开启角度分别为30°、45°、60°、70°、90°，对应不同的百叶式风窗开启角度，分别测试风窗的过风量及风窗两侧压差。

利用单管倾斜微压计实测了不同风窗开启角度下巷道两端静压差，压差测试所用仪器如图10所示。为精确测量风窗两侧静压差，测量时将倾斜压差计放置于风窗上风侧巷道约10 m处，倾斜压差计“+”压接头上接2 m软管，单管倾斜微压计“+”压接头软管连接皮托管并将皮托管置于巷道断面中心区域，单管倾斜微压计“-”压接头接60 m软管，将软管沿巷道底板铺设至风窗下风侧巷道约20 m处，倾斜压差计“-”压接头软管连接皮托管并将皮托管置于巷道断面中心区域，利用皮托管和单管倾斜微压计可提高测量精度，准确测量百叶式风窗前后压差。

图9 百叶式风窗安装位置Fig.9 Installation position of louver

图10 风窗压差测试所用仪器Fig.10 Instrument used for air windowdifferential pressure test

在调节风窗上风侧合适位置利用人工走线法测定风窗所在巷道的风量[10]，为尽量避免偶然误差影响，在每个测试位置进行人工测风3次，确保每次测风误差要小于5%，3次测风数据平均值计算风量即为巷道风量。

百叶式风窗的开启角度分别为30°、45°、60°、70°、90°时，风窗开启面积分别为0.34 m2、0.73 m2、1.25 m2、1.65 m2、2.50 m2，测试风窗风量及风窗两端压差分别为见表2。

根据摩擦阻力定律，通过表2中测试的百叶式风窗过风量及风窗两侧的压差可计算得到风窗局部风阻实测值，根据式(5)结合百叶式风窗不同开启角度推导公式计算值，对百叶式风窗在不同开启角度下的实测风阻值和公式计算风阻值进行对比统计，见表3。

表2 百叶式风窗不同开启角度对应风量及压差Table 2 Air volume and pressure difference correspondingto different opening angles of louver

表3 实测风阻与推导公式计算误差统计Table 3 Error statistics of measured wind resistanceand derived formula

由表3可知，风窗的开启角度分别为30°、45°、60°、70°、90°时，实测风窗局部风阻分别为2.803 7 N·S2/m8、0.511 0 N·S2/m8、0.165 8 N·S2/m8、0.086 1 N·S2/m8、0.028 7 N·S2/m8，经式(5)计算风窗局部风阻分别为2.714 4 N·S2/m8、0.523 9 N·S2/m8、0.163 8 N·S2/m8、0.087 0 N·S2/m8、0.027 2 N·S2/m8，实测与公式计算误差分别为3.19%、2.52%、1.18%、0.97%、5.41%。由表3可知，实测结果与公式计算结果之间的相对误差最大为5.72%，其中在30°、45°、60°和70°时的相对误差均<5%，说明利用公式计算得到的百叶式风窗局部风阻值较为准确，可用于指导百叶式风窗现场调风工作。

4 结 论

1) 当风流处于紊流状态时，可以忽略风窗过风量对百叶式风窗局部风阻的影响，对百叶式风窗局部风阻起作用的是风窗的设计结构、开启角度以及巷道特性。

2) 百叶式风窗局部风阻与风窗过风面积增大而减小的规律明显，百叶式风窗局部风阻与风窗过风面积呈现指数负相关关系。

3) 通过模拟和现场实测，百叶式风窗在不同开启角度时，实测风阻与公式计算风阻最大误差为5.72%， 在30°、 45°、 60°和70°时的相对误差均<5%，利用公式计算得到的百叶式风窗局部风阻值较为准确，可用于指导百叶式风窗现场调风工作。