独头巷道附壁射流通风流场数值模拟研究.pdf

文章编号0253 - 9993200404 - 0425 - 04 独头巷道附壁射流通风流场数值模拟研究 王海桥,施式亮,刘荣华,刘何清 湖南科技大学 能源与安全工程学院,湖南 湘潭 411201 摘 要基于流体动力学和射流理论,建立了独头巷道压入式受限附壁射流通风的紊流k- ε数 学模型,分析了计算边界条件,并结合实际应用Phoenics314计算流体动力学软件模拟了独头巷 道射流通风三维流场,得出了独头巷道有限空间受限附壁射流通风典型截面的流场规律.模拟计 算结果表明,独头巷道压入式通风流场可分为附壁射流区、冲击射流附壁区、回流区和涡流区. 数值模拟与实验结果相符,为研究独头巷道风流传质过程、瓦斯运移规律及通风排污效率等提供 了理论基础. 关键词独头巷道;附壁射流;k-ε模型;流场;数值模拟 中图分类号 TD72414 文献标识码 A 收稿日期 2003-07-14 基金项目国家自然科学基金资助项目59974022 ;湖南省教育厅科研项目00C211 作者简介王海桥1962 - ,男,湖北武汉人,教授. Tel 0732 - 8290040 , E- mail xtpuwhq xtpu1org1cn Numerical simulation study on ventilation flowfield of wall2attached jet in heading face WANG Hai2qiao , SHI Shi2liang , LIU Rong2hua , LIU He2qing School of Energy wall2attached jet ;k-εmodel ; flow field; numerical simulation 空气从圆形风筒出口射入同一介质的空间所形成的气流称为空气射流.根据空间界壁对射流扩展的影 响不同,可分为自由射流、受限射流.空气射流在流动过程中不受井巷壁面限制的称为自由射流,受到限 制的称为受限射流;射流流速较大时呈紊流状态,称紊流射流[1].独头巷道压入式通风实际上是紊流射流 通风,独头巷道压入式通风风筒一般布置在掘进巷道的一侧,沿巷道侧壁形成附壁射流,通风射流风流必 须到达巷道迎头才能及时稀释和排出有害气体和粉尘,同时产生回流.因此,掘进工作面压入式通风实际 上是有限空间受限附壁射流[2].揭示独头巷道压入式有限空间通风流场规律对研究独头巷道风流传质过 程、瓦斯运移规律及空气置换效率有重大的现实意义. 第29卷第4期煤 炭 学 报Vol.29 No.4 2004年8月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYAug. 2004 1 计算模型 111 物理模型 独头巷道压入式通风的风筒一般布置在独头巷道的侧壁,风筒出口的位置在巷道侧壁的中部,与迎头 图1 独头巷道附壁射流通风物理模型 Fig11 The physical model of wall2attached jet ventilation in heading face 保持一定的最小距离,一般风筒出口距独头巷道迎头的最大距离为 4 ～ 5 S ,其中S为巷道断面积[3～8].因此,根据现场实际情况,为了便 于分析,将压入式独头巷道简化为3 m3 m的矩形断面,风筒出口距 独头巷道迎头的距离L 10 m ,风筒出风口直径为600 mm的三维物理 模型,如图1所示.模型计算域为风筒出口到独头巷道迎头. 112 数学模型 1假设条件 ①通风气流可视为不可压缩流体,可忽略由流体 黏性力做功所引起的耗散热,同时假定壁面绝热,等温通风.②流体 的紊流黏性具有各向同性,紊流黏性系数μt可作为标量处理.③流动 为稳态紊流,满足Boussinesq假设. 2数学模型 根据以上假设,独头巷道压入式受限附壁射流通风 三维k-ε双方程紊流流动的基本微分时均方程组可用统一模型形式描述[4],即 5 5xi Ui- Γ ρ 5 5xi S,1 式中,Ui为速度分量, m/ s ,X方向i 1,Y方向i 2,Z方向i 3;为模型通用因变量,代表速度、 紊流动能、紊流动能耗散率等;Γ为与 对应的扩散系数; S为与 对应的源项.其具体含义见表1. 表1 控制方程中因变量的含义 Table 1 The variable meaning of control equation 方 程ΓS 连续性方程100 动量方程Ui ννt- 5p 5xi p ρ 2 3 δijk 紊流动能kν νt σk 5Ui 5xj G- 2 3 δijk-ε 紊流动能耗散率εν νt σ ε ε k Cε15 Ui 5xj G - 2 3 δij k -Cε2ε 模型经验常数[4,5] σk110σε113Cε11144Cε21192Cμ0109 注k为紊流动能, m2/ s2;ε为紊流动能耗散率, m2/ s3;G νt 5Ui 5xj 5Uj 5xi 5Ui 5xj ; p为时均压力, Pa ;δij为Kronecker系数i≠j ,δ ij0; ij ,δij1 ; ν为层流动力黏性系数, Pas;νt为紊流动力黏性系数, Pas ,νtCμρ k2 ε ,其中ρ为空气密度, kg/ m3. 3边界条件 根据模拟的实体条件,以压入式送风风筒出口为模型的入口边界,以送风风筒出口处 的巷道断面为出口边界,巷道壁面及迎头为固定边界.设风筒出口风速为12 m/ s ,则模型的边界条件可描 述为 入口边界U1U2 0,U3 12 m/ s ,紊流动能kinCU23/2,其中C为紊动常数,通常取01005～ 01015[6];紊流动能耗散率εinCμρk2/μt. 出口边界5Ui/5xi 0,ppout,取相对压力p 0,k ,ε自由滑动. 壁面边界所有壁面上施加无滑动边界条件,即Ui 0;壁面以绝热对待,垂直于壁面压力梯度为0. 624 煤 炭 学 报 2004年第29卷 2 网格划分与数值计算 针对上述模型,在笛卡儿坐标系下划分计算网格,X ,Y方向分格数均为20,Z方向分格数为30 ,整 个计算域共分割成202030 12 000个计算单元. 应用有限差分法中的控制容积法对控制方程的微分形式进行离散,用SIMPLEC算法求解离散方程, 其步骤为[4]①确定试探压力场p 3 ;②求解动量方程,得到U 3 i i 1,2,3 ; ③求解压力修正方程 得到p′;④对速度分量Ui进行修正;⑤求解k ,ε方程得到k 和ε ;⑥将经过校正的压力作为新的试探 压力p 3 ,回到第2步,重复整个过程,直到得到收敛解. 3 计算结果与流场分析 根据图1所示的计算模型和边界条件,用PHOENICS314计算流体动力学软件对独头巷道压入式受限 附壁射流通风三维流场进行了数值计算,用PHOENICS314软件的VR - Viewer后处理模块得到不同的X- Z和Y-Z截面的速度矢量场图2 , 3 . 图2 X-Z截面速度矢量场 Fig12 The vector field onX-Zsection a出风口中心线Y115 m ; b出风口边缘 Y118 m ; c距出风口中心线1 m Y 215 m ; d巷道壁面Y31 0 m 图3 Y-Z平面速度矢量场 Fig13 The vector field onY-Zsection a巷道壁面X310 m ; b出风口中心线X217 m ; c出风口边缘X214 m ; d距出风口中心线113 m X114 m ; e距出风口中心线115 m X11 2 m 图2给出的不同X-Z截面速度矢量场充分说明 了有限空间受限附壁射流的流场特性.在射流运动过 程中,射流不断卷吸周围的空气,射流范围扩大,但 由于空间受限和回流的影响,射流范围的扩展受到一定的限制,射流不再卷吸周围的空气,而是向外析出 空气,射流的卷吸与析出有明显的分界,分界处有涡流;数值计算结果明显地表明了附壁射流区、冲击射 流附壁区、回流区及涡流区;X-Z截面离出风口中心越远,射流断面越小,这说明在X-Z截面射流最 大断面出现在出风口中心截面;在不同的X-Z截面上,风流均是从风筒侧进,另一侧回. 724第4期王海桥等独头巷道附壁射流通风流场数值模拟研究 图3给出不同Y-Z截面速度矢量场.在出风口附近的Y-Z截面,射流有自由射流的特性;图3 a , c分别是出风口边缘Y-Z截面的速度矢量场,但图3 a是巷道壁面,也就是附壁面,速度场 与图3 c有明显的区别,射流的最大断面在巷道壁面上,充分体现了附壁射流的附壁效应;图3 d 中出现了明显的分界,左侧是回流,右侧中部是射流;距出风口中心115 m以后,X-Z截面才出现全断 面回流图3 e .在邢台矿业集团葛泉矿掘进工作面用发烟管烟雾观测,其流场与数值模拟结果基本 一致,说明数值模拟结果可靠. 4 结 论 1独头巷道压入式通风是受限附壁射流通风,与自由射流不同,从风筒出口射出的射流断面发展到 一定程度时,由于空间受限,射流中的部分空气便开始从射流体中析出,之后,射流体到达巷道迎头,由 于受迎头壁面的限制,射流开始冲击并附壁回转,形成了独头巷道的空气流动. 2独头巷道压入式通风流场可分为4个区,即附壁射流区、冲击射流附壁区、回流区和涡流区.在 Y-Z截面,射流的中心面转移到了巷道壁面.射流区流速在Z方向从出口由大变小,涡流区流速最小, 换气效率最差.回流区在截面方向靠壁面风速大,在Z方向,靠中部风速大. 3巷道风筒侧为射流区,另一侧为回流区,射流区与回流区之间是涡流区,射流区最大断面只有整 个断面的30 左右,且回流区大于射流区,与理论分析[7]和实验基本一致,说明数值模拟结果较可靠. 4巷道避免粗糙度对模拟结果有一定的影响,需进一步研究. 参考文献 [1] 余常昭.紊动射流[M].北京高等教育出版社, 1993. 118～125. [2] 王海桥.掘进工作面射流通风流场研究[J ].煤炭学报, 1999 , 24 5 498～501. [3] 张国枢.通风安全学[M].徐州中国矿业大学出版社, 2000. 111～112. [4] 郭鸿志,张欣欣,刘向军.传输过程数值模拟[M].北京冶金工业出版社, 1998. 61. [5] 刘顺隆,郑 群.计算流体力学[M].哈尔滨哈尔滨工程大学出版社, 1997. 291～298. [6] 赵 彬,李先庭,彦启森.入口紊乱参数对室内空气分布的影响研究[J ].建筑热能通风空调, 2000 , 19 1 1～4. [7] 王海桥,施式亮,刘荣华,等.压入式受限贴附射流流场特征及参数计算[J ].黑龙江科技学院学报, 2001 , 11 4 4～7. [8] 王英敏.矿内空气动力学与矿井通风系统[M].北京冶金工业出版社, 1994. 44～60. 本刊收取稿件审理费的通知 承蒙广大作者的厚爱,近几年,煤炭学报的收稿量急剧增加.由于本刊采取比较严格的审稿制度, 外审工作量很大,审稿费的开支逐年增加,因此,本刊从2003年7月1日起,对投稿的作者一律酌收稿 件审理费60元/篇,以补充办刊经费的不足,敬请广大作者谅解与支持. 本刊编辑部 824 煤 炭 学 报 2004年第29卷