基于ANSYS的综采工作面降温优化设计.pdf

2 0 0 8 年2 月矿典安全与妹保第3 5 卷第 1 期 基于A N S Y S的综采工作面 降温优化设计 肖 林京， 青洪彬， 李振华 山东 科技大学机械电子工程学院， 山东青岛2 6 6 5 1 0 摘 要 针对综采工作面出 现的高温现象， 调查了 工作面热流的主要来源。采用空冷器降温， 然后 利用A N S Y S 的F L O T R A N C F D 模块对工作面流场进行数值模拟， 验证工作面空调的效果， 得出温度场分 布的一般规律。通过改变进风巷道和工作面上空冷器的安装位置， 获得最优的降温效果。 关键词 高温环境; 综采工作面; 空冷器; A N S Y S ; 优化设计 中图分类号 T D 7 2 7文献标识码 B文章编号 1 0 0 8 一 4 4 9 5 2 0 0 8 0 1 一 0 0 2 1 一 0 3 随着矿井开采深度的增加， 围岩的散热量将加 大， 矿井空气的温度必会增加。随着矿井机械化程 度的提高， 工作面内装机容量不断加大， 其散热量将 增 加， 工 作 面的 热 环 境 必 将 恶 化 〔 ’〕 。 在高 温 环 境 下， 不但劳动生产率会下降， 而且矿工身体健康也会受 到损害， 同时严重威胁井下安全作业并易引发灾害 和事故。 我国 煤矿安全规程 第 1 0 8 条中规定“ 采掘工 作面的空气温度不得超过2 6℃” 。为把工作面的温 度降到允许的范围， 主要采用人工制冷降温， 其中空 冷器降温是最主要的应用之一。 理论上可以建立工作面风流流动的数学模型， 由于其封闭方程组的复杂性和非线性， 几乎无法求 解该方程组 的数值解。而 A N S Y S程序 中的 F L O T R A N C F D 模块专用于二维及三维流体流动场 分析， 故可用F L O T R A N 对工作面进行数值模拟。同 时， 为了达到最佳降温效果， 需对空冷器的数量和安 装位置进行优化设计。 1 . 1 围岩散热 井下围岩主要是通过热传导自 岩体深处向围岩 壁面传热， 巷道和采掘工作面围岩壁面通过与风流 的热交换而加热风流。 矿井越深， 原岩温度越高， 对 工作面的影响越大。 1 . 2 机电设备散热 随着工作面装机容量的增大， 散热量增大。采 煤机通过馈电电路接受的电能几乎全部都转化为热 能传递到风流中， 刮板输送机和带式输送机的一部 分通过摩擦作用把能量转化为热能。 通过统计， 围岩和机电设备是工作面的主要热 源， 两者之和占了 工作面总放热量的8 0 以上， 故在 工作面的数值模拟过程中， 主要考虑围岩散热和机 电 设 备 散 热 [[2 。 1 矿井中的主要热源及其特点 工作面热源的调查范围是从运输巷进风到工作 面出风之间。经调查， 工作面中存在的热源有围岩 散热、 机电设备散热、 运输中的煤与歼石散热、 工作 人员散热和氧化散热。 收稿日 期二 2 0 0 7 一 以一 5 ; 2 0 0 7 - 0 6 - 2 6 修回 作者简介 育 林京 1 9 6 6 - - - ， 男， 山东沂水人， 博士后， 教 授， 博士生导师， 主要从事计算机仿真和煤矿安全方面的教学 和科研工作。 2 工作面内 流场和温度场的优化设计 F L O T R A N C F D 模 块 采 用 F L U I D 1 4 1 和 F L U 1D 1 4 2 ， 分别用于解算单相猫性流体的二维和三 维流速、 压力和温度分布。 对于这些单元， A N S Y S 通 过质量、 动量、 能量和状态4 个守恒性质来计算流体 的 速 度 分 量 、 压 力 及 温 度 [[3 。 2 . 1 A N S Y S 模型的建立 工作面计算区域取工作面进风巷道到工作面回 风巷道的范围内。其中 进风巷道取1 0 0 m ， 回 风巷道 取巧m 。 工作面宽度按控顶距4 m取值， 回风巷、 运 输巷宽3 m ， 工作面长1 5 2 m 。 进风巷道的空冷器安 放在距工作面2 0 m处， 工作面的2 个空冷器安放在 距工作面进口5 0 m和1 0 0 m处， 长2 m ， 直径1 m o 2 1 万方数据 2 0 0 8 年 2 月 矿典安令与妹保 第3 5 卷第 1 期 为使工作面模拟与实际相符， 对高温工作面进行三 维数值模拟。求解完成后， 观察在工作面中间水平 截面上的温度分布， 如图1 所示。 距进风口3 m和5 m时， 工作面降温效果比较好。 然后再对距进风口4m处进行模拟， 发现降温效果 比3 m和5 m处更好， 此情况下工作面的温度分布 如图3 所示。 NM AL S O UR“ 5 】 E卜 月 S UF I r 日 N P峨 A V 刀 R S Y S月 】 S心十刀 妇 .侧 妇 S I NX 巴 洲 刀 5货b 2 7 9 33 3- - I 3 01 1 1 1 图2 进风巷道优化后温度分布图 图1工作面中间水平截面的温度分布 通过对图1 分析可得到以下规律 1 工作面进风口 温度较高， 特别是靠近进风巷 道的一侧; 2 工作面上空冷器的作用距离在4 0 m左右， 需 在工作面上安装3 个空冷器; 3 进风巷道的空冷器对工作面降温效果不 明显。 2 . 2 工作面降温优化设计 选用空冷器后， 其参数已确定， 为达到最优降温 效果， 需选择合适的安装位置。由于本模型比较大， 若直接应用A N S Y S 优化模块进行优化设计， 需要花 费很长的机时。采用试值法和二分法， 在结果比较 满意的两者之间取值， 对此值进行模拟， 逐步获得最 优解。 2 . 2 . 1进风巷道空冷器的优化 分别对空冷器安装在距工作面1 5 , 2 0 , 2 5 , 3 0 m 处进行模拟， 对模拟结果进行比 较后， 发现空冷器安 装在距工作面2 0 m时， 工作面降温效果最好。然 . 后， 对距工作面1 7 . 5 m和2 2 . 5 m处进行模拟， 模拟 结果与2 0 m时比 较， 可得在2 0 m处降温效果最好， 此时进风巷道和工作面的温度分布如图2 所示。 2 . 2 . 2 工作面安装1 个空冷器时的优化 分别对空冷器安装在距进风口3 , 5 , 7 m处进行 模拟， 通过对模拟结果进行比 较， 发现空冷器安装在 2 2 . N O DA _9ST EP I \SUB --1 A 及闷1 几 旧 卜2场 图3 2 f 湘 奋O 2 5 6 1 5 距进风口 距离优化后温度分布图 通过对图3 分析可知， 靠近进风巷道一侧的温 度比较高， 需移动空冷器。分别对空冷器安装在距 进风巷道壁面2 , 1 . 5 , 1 , 0 . 7 5 m处进行模拟， 通过对 模拟结果进行比 较， 发现空冷器安装在1 . 5 m 时， 工 作面降温效果比 较好， 此时工作面的温度分布如图4 所示。 2 . 2 . 3 工作面 安装2 个空冷器时的 优化 对第2 个空冷器分别安装在距进风口3 0 m和 5 0 m处进行模拟， 通过对模拟结果进行比 较， 发现空 冷器安装在距进风口3 0 m时， 工作面降温效果比较 好， 此时工作面的温度分布如图5 所示。 万方数据 2 0 0 8 年2 月矿典安全与妹保第3 5 卷第 1 期 刊 们 OA L3 1u以荆 S i 长P二 . 粼 A- I 1 二， 8 _压 刀 3 7 洛 钧 图6 E 31 3 7 , g 7 U 2 9 1 _ 1 8 F 图4 距进风巷道侧距离优化后温度分布图 NODALsoLunONv u}5}’ 距进风口 距离优化后温度分布图 叮 从C z vx mL - 2 T 门 S N G二 1川l m 口 L 丫卜于‘不二二二二耳耳开1 口 日 . .曰. .. 日 .. .口 .口..州.曰即 曰.口.. A 2 9 3c 2 E - 酬 4 翔 F } 3 0 1 朋 图5 距进风口 距离优化后温度分布图 图7 工作面出风口温度分布图 2 . 2 . 4 工作面安装3 个空冷器时的优化 对第3 个空冷器安装在距进风口7 0 m处进行 模拟， 通过对模拟结果进行比较， 发现此空冷器安装 在距进风口7 0 m时， 工作面降温效果比较好， 此时 工作面的温度分布如图6 所示。在此情况下， 工作 面距出风口5 m处的截面上温度分布如图7 所示。 通过模拟， 当进风巷道的空冷器距工作面2 0 m , 工作面上3 个空冷器距进风口的距离依次为4 , 3 0 m 和7 0 m ， 且工作面上第1 个空冷器距进风巷道侧的 距离为1 . 5 m 时， 工作面的降温效果最好。 3 结论 通过在工作面和进风巷道安装空冷器， 有效降 低了工作面的温度。利用F L O T R A N对工作面的速 度场和温度场进行模拟， 验证了工作面空气调节的 效果。 通过对模拟结果分析， 优化空冷器的数量和 安装位置， 从而达到最佳降温效果。 参考文献 [ 1 ]肖 知国. 高温综采工作面冷负荷的核定与温度场数值模 拟【 D ] . 淮南 安徽理工大学, 2 0 0 4 . [ 2 ] A . H . 舍尔巴尼， 等. 矿井降温指南【 M ] . 北京 煤炭工业 出 版社， 1 9 8 2 . [ 3 」张朝晖. A N S Y S 8 . 0 热分析教程与实例解析【 M ] . 北京 中 国铁道出 版社， 2 0 0 5 . 责任编辑 李琴 2 3 ， 万方数据