基于fluent的采煤工作面流场数值模拟.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 - 1 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 基于 fluent 的采煤工作面流场数值模拟 张春，题正义，李宗翔* 基金项目辽宁工程技术大学青年科研基金 作者简介男，辽宁沈阳市人，讲师，1979 年生，2002 年毕业于黑龙江科技学院采矿专业，2005 年辽宁 工程技术大学采矿专业硕士毕业，同年留校任教，主要从事“三下”开采与煤矿安全教学与研究，现为辽 宁工程技术大学煤矿安全专业博士生. E-mail zhang_chun_110 （辽宁工程技术大学 应用技术学院，辽宁 阜新 123000） 摘要针对采煤工作面煤壁瓦斯涌出及巷道布置的特点，对采煤工作面进行了数学建模。依 据此建模方法，利用基于有限体积分析法的 fluent 软件对采煤工作面的瓦斯浓度场和风速 场进行了数值模拟研究， 其计算结果与实际数据比较接近， 说明应用此方法对采煤工作面进 行研究是可行的。同时，根据模拟计算结果，对采煤工作面瓦斯浓度分布特点、风速变化规 律以及采煤机位置对他们的影响进行了分析。 并依据分析的结论提出了保证工作面安全开采 的一些技术措施。最后指出了今后的研究方向和需要完善的内容。 关键词采煤工作面；数值模拟；瓦斯浓度场；风速场 中图分类号TD712 Flow Field Numerical Simulation of Coal Face Based on the Fluent ZHANG Chun, TI Zhengyi, LI Zongxiang Applied Technical College, Liaoning Technical University, Liaoning Fuxin 123000, China Abstract Based on characteristics of tunnel and gas emission of the coal face, the mathematical model of coal face has been built. The gas concentration field and the velocity field have been studied through the of numerical simulation based on the fluent system. These results con to measured data and this shows the is practicable. Based on results of numerical simulation, the distribution characteristic of gas concentration, the change regularity of wind velocity and the effect of coal winning machine on them are analyzed at the same time. And based on this analysis, some technical measure to ensure safety in production are put forward. Finally, the future research direction and content are pointed out. Key words coal face; numerical simulation; the gas concentration field; the velocity field. 0 引言引言 随着经济的发展和社会的进步， 矿井的安全问题越来越受到国家和人民的重视， 而对于 一个矿井来说， 最危险的区域莫过于采煤工作面， 矿井的绝大多数事故都是和采煤工作面有 联系的。 就各种灾害事故发生时的影响范围和破坏力而言， 瓦斯和矿尘所引发的事故对矿井 的安全生产影响是最大的。同时，工作面又是这两个因素最集中的区域，因此，采煤工作面 在煤矿的安全生产中具有举足轻重的地位。 本文通过数值模拟方法， 对采煤工作面的速度场、 瓦斯浓度场及采煤机对各场的影响进行了研究， 为保证矿井的安全生产提供了参考数据。 本 文从守恒原理出发， 考虑了采煤工作面煤壁作为瓦斯源， 风流假设为不可压缩流体的前提下， 采用紊流模型ε−k方程，闭合方程组，并给出了各种模拟边界条件的处理方法。应用有限 体积法离散通用微分方程。采用 SIMPLE 方法，利用 fluent 程序进行数值模拟求解。并对现 场实测数据与模拟数据进行比较，验证了本文的数学模型和数值模拟方法的正确性。 - 2 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 1 采煤工作面风流流动的控制方程和数值模拟方法采煤工作面风流流动的控制方程和数值模拟方法 1.1 采煤工作面风流流动的控制方程采煤工作面风流流动的控制方程 采煤工作面风流流动遵循质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分质量守恒 方程，这些方程可以用下面的通用形式[1]进行表示 Sgraddivudiv t Γ ∂ ∂ φφρ ρφ （1） 其展开形式为 S zzyyxxz w yx u t ∂ ∂ Γ ∂ ∂ ∂ ∂ Γ ∂ ∂ ∂ ∂ Γ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ φφφφρρνφφρρφ （2） 式中，φ为通用变量，可以代表u、v、w、T等求解变量；Γ为广义扩散系数；S为广义 源项；t为时间。式（2）中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项。 针对上述控制方程，将采煤工作面简化为二维平面，同时认为工作面的温度保持不变， 并且假设工作面的风流为稳态流动，不考虑瞬态项。 1.2 湍流黏性数学模型湍流黏性数学模型 由于采煤工作面的风流都是湍流状态，风流的黏性不能忽略不计，能够使上述方程能够 封闭，这里还要考虑紊流黏性数学模型。 根据所研究问题的特点，采用标准ε−k两方程模型对工作面湍流风流进行模拟计算。 在标准ε−k两方程模型中，k和ε是两个基本未知量，与之对应的输运方程为[2] kMbk jk t ii i SYGG x k xx ku t k −− ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ρε σ ρρ （3） εε ε ρ εε σ ρερε S k CG k C xxx u t gk jk t ii i − ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ 2 21 （4） 其中， k G是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，由下式计算 j i i j j i tk x u x u x u G ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ （5） 各常数取值为 44. 1 1 ε C，92. 1 2 ε C，09. 0 C ，0 . 1 k σ，3 . 1 ε σ 当流动为不可压，且不考虑用户自定义的源项时，0 b G，0 M Y ， 0 k S ；0 ε S。 上述的标准ε−k模型，是针对湍流发展非常充分的湍流流动来建立的，而在近壁区内 的流动，湍流发展并不充分，因此需要其他的解决方法，本文中采用壁面函数法。其核心思 想为 直接使用半经验公式将壁面上的物理量与湍流核心区内的求解变量联系起来， 就可直 接得到与壁面相邻控制体积的节点变量值。 1.3 边界条件的确定边界条件的确定 风流流动的入口边界条件采用速度进口边界条件[3]，此边界条件适用于不可压流动问题 的求解。选择指定速度大小，方向垂直于边界的方法确定入口速度。速度的大小采用均值的 方法处理，即入口断面各点的速度大小相等，均等于均值。风流的出口采用出流边界条件， 该边界条件适合于出口处的流动是完全发展的情况。 煤壁瓦斯涌出采用源项处理， 应用煤壁 - 3 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 瓦斯涌出强度数值表示瓦斯涌出量。 其他边界条件采用固定壁面处理， 没有热量交换和风流 的流入流出。 1.4 数值方法的确定数值方法的确定 本文采用有限体积法中的二阶迎风格式对控制微分方程进行离散，应用基于交错网格的 SIMPLE算法对离散方程组进行耦合求解和各参数的校正。同时，在求解过程中对所计算的 各参数设定相应的收敛控制参数。对所计算的区域采用结构化的四边形网格进行剖分。 2 采煤工作面风流流速场与瓦斯浓度场分布的数值模拟采煤工作面风流流速场与瓦斯浓度场分布的数值模拟 算例为铁法矿区小青煤矿某综采刨煤工作面[4]，工作面长度为100m。采高2.2 m，日进 度3.6m。瓦斯源以煤壁均匀涌出为主，绝对瓦斯涌出量为5m3/min，煤壁平均瓦斯涌出强度 为2.710 ＿4kg/m2s，不考虑采空区瓦斯涌出的影响，顺槽为矩形断面，面积为 12m2， 供给风量为12m3/ s。 2.1 模拟数据的确定模拟数据的确定 根据上述条件，得计算所需数据为入风流风速为1 m/ s，湍流特征长度（以水力直径 代替）为3m，空气黏度为1.510 ＿5 m2/s，湍动能为 k＝0.0018 m2/s2；耗散率ε＝4.210 ＿6 m2/s3。 对所模拟计算区域进行剖分结果如图1所示，应用四边形结构网格进行剖分，共形成 2183个结点，3697个面。根据采煤机位置的不同，对模拟区域进行了三次剖分计算，结果 如图3,图4所示。 2.2 收敛条件的确定收敛条件的确定 由于本算例为稳态模拟， 并且所计算结果总是无限的接近真实结果， 若想得到满意的结 果和结束迭代的计算，必须设定各参数的收敛条件。经分析后，各参数的收敛条件均确定为 0.001。各参数迭代收敛结果如图2所示。迭代次数分别为48次、45次和138次。 2.3 模拟结果与实测数据对比模拟结果与实测数据对比 对采煤机处于不同位置的三个剖分图进行模拟计算的结果如图3所示。 同时， 根据模拟结果 对实际采煤工作面相对应的几个位置进行实际数据的测定，测定结果与模拟结果比较吻合。 这说明应用此数值模型对采煤工作面进行模拟是可行的，模拟结果可以为实践所参考。 2.4 模拟结果分析模拟结果分析 1）根据瓦斯摩尔浓度图可以得出，在采煤工作面入风侧瓦斯浓度较低，几乎为零，而 随着风流的流动瓦斯浓度逐渐增高，高浓度区域也逐渐增大，最高约为0.4mol/m3。这与实 际情况也是比较相符的。瓦斯浓度偏高的区域为靠近煤壁处与上出口风流转弯处。 2）采煤机对采煤工作面瓦斯浓度的分布影响较大，当采煤机处于中部和回风口处时， 在采煤机两侧形成涡流区，使得瓦斯浓度偏高，尤其是在回风口处时。当采煤机处于上端口 和下端口时，采煤工作面断面内瓦斯浓度分布梯度较大，尤其当采煤机在上端口时。而当采 煤机处于中部时，工作面内瓦斯分布较均匀。同时，采煤机越靠近回风巷，回风巷内的瓦斯 分布也越均匀，高瓦斯浓度区域也越小。 3）根据采煤工作面风速分布图可以得出，在采煤工作面下出口和上出口靠近采空区侧 转弯处、采煤机两端头存在风速降低区。这与实际情况也是相符的，也部分的解释了上隅角 - 4 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 容易聚集瓦斯的原因。 图 1.采煤机处于不同位置的采煤工作面模拟剖分图 Fig.1 the simulated subdivision diagram of coal face （a）采煤机位于下端口时的计算收敛图 （a）the calculation convergence graph when coal winning machine at the lower end （b）采煤机位于中部时迭代计算收敛图 （b）the calculation convergence graph when coal winning machine at the middle part - 5 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 （c）采煤机位于上端口时迭代计算收敛图 （c）the calculation convergence graph when coal winning machine at the upper end 图2.采煤机位于不同位置时模拟迭代计算收敛图 Fig.2 the calculation convergence graph when coal winning machine at different positions 4）采煤机的位置对工作面的风流影响较大。随着采煤机的上移，工作面内最高风速不 断的增大，当采煤机位于上端头时，最高风速约为2.66m/s。但风速最高点始终与采煤机处 于同一断面内，这与理论结果也是相符的。 5） 工作面上下出口转弯处及采煤机两端头低风速区的大小与采煤机的位置也存在一定的 关系。采煤机处于下端口时，上下出口的低风速区较小，并且上端口前后处风速变化梯度较 大；采煤机处于上端口时，采煤机两端头低风速区较小。 图3.采煤机位于不同位置时的瓦斯摩尔浓度场 Fig.3 The gas concentration field when coal winning machine at different positions 3 结论与展望结论与展望 3.1 结论结论 通过前面的理论分析及实际算例的模拟研究，可以得出以下结论 1） 依据有限体积分析法，应用fluent软件对采煤工作面进行建模、研究分析是可行的， 所得结果与实际情况比较相符，可以为实践所参考。 - 6 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 图4.采煤机位于不同位置时的工作面风速场 Fig.4 the velocity field when coal winning machine at different positions 2） 采煤机的位置对采煤工作面内瓦斯的分布、风速的变化有很大的影响，在实际生产 中要加以考虑。 3） 在采煤工作面除了要防止上隅角瓦斯的积聚外，还要防止上出口靠煤壁侧的瓦斯积 聚，尤其是当煤壁瓦斯涌出量较大时。 4） 要人为的采取一些措施降低采煤工作面和回风巷风流中瓦斯浓度的梯度，充分的利 用风流稀释作用，尤其是当采煤机下行时。 5） 随着采煤机的上行，工作面内的风速逐渐增大，要注意采取降尘措施，尤其是采煤 机的附近。同时，还要防止采煤机前后发生瓦斯积聚。 3.2 展望展望 本次的模拟还存在着一些不足之处， 在今后的研究中还需要不断的完善， 主要包括下面 一些内容。 1）此处的模拟假设煤壁瓦斯涌出为均匀涌出，而实际情况却为按负指数衰减涌出[5]， 这需要在今后的模拟中改进。 2）本次的模拟没有考虑采空区瓦斯涌出和漏风的影响，在今后的研究中需要完善。 3）模拟入口风流使用的为平均风流，即入口断面内各点风速相等，这与实际巷道断面 内的风速分布不相符[6]，需要在今后的研究中改正。 4）这里使用的模拟为稳态模拟，而实际采煤工作面的风流和瓦斯浓度的分布都为动态 的，即非稳态的，与时间是有关系的。这需要在今后研究中的数学建模中完善。 尽管在本次的模拟中存在一些不足之处， 但根据此次模拟所得到的结果还是与实际情况 比较接近的。总结的一些规律还是与理论相符的，可以为实践所应用。 [参考文献参考文献] References [1] 周西华，王继仁.回采工作面温度场分布规律的数值模拟[J].煤炭学报，2002年第27卷第一期59～63. [2] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京清华大学出版社，2008年. [3] 于 勇.FLUENT入门与进阶教程[M].北京北京理工大学出版社，2008年. [4] 李宗翔.高瓦斯与煤炭自燃耦合研究[D].阜新辽宁工程技术大学，2008年. [5] 王永安，朱云辉.矿井瓦斯防治[M].北京煤炭工业出版社，2007年. [6] 王永安，李永怀.矿井通风[M].北京煤炭工业出版社，2005年.