基于多相流的礦井通風(fēng)仿真模型的研究.doc

《基于多相流的礦井通風(fēng)仿真模型的研究.doc》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。

1、基于多相流的礦井通風(fēng)仿真模型的研究摘要通過(guò)運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)，建立礦井工作面三維數(shù)學(xué)模型，以及對(duì)礦井通風(fēng)網(wǎng)路中多相流風(fēng)流和熱交換進(jìn)行模擬。簡(jiǎn)化壁溫分布，瓦斯和蒸汽也在本篇論文中論及到。本模型考慮到了各相耦合效應(yīng)，以反映它們之間的關(guān)系。同時(shí)可以表述某相根據(jù)另一相而發(fā)生的變化。本論文對(duì)干燥空氣和多相流空氣的溫度分布進(jìn)行比較。另外，本論文論述了對(duì)模擬礦井通風(fēng)系統(tǒng)及保證其高效運(yùn)行的一種有效工具。關(guān)鍵詞：多相；簡(jiǎn)單算術(shù)；耦合隨著不斷向深部發(fā)展，以及機(jī)械化程度的不斷推進(jìn)，越來(lái)越多的礦井面臨著高溫、高濕問(wèn)題，這些問(wèn)題不僅威脅著礦工的健康，還嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率。目前，熱危害已經(jīng)成為煤礦重大

2、災(zāi)難之一。近年來(lái)，隨著高速計(jì)算機(jī)和高效計(jì)算方法的出現(xiàn)，通過(guò)建立多相和多維礦井通風(fēng)系統(tǒng)模型，模擬工作面空氣狀態(tài)及其兩個(gè)連接通道以及更準(zhǔn)確地分析多相流耦合機(jī)理。通過(guò)應(yīng)用基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的多相耦合模型，取得了多項(xiàng)成果，國(guó)內(nèi)很多文獻(xiàn)已詳細(xì)描述礦井，然而，很少提及礦井模型。在本篇論文中，建立了考慮到持續(xù)相（礦井中的干燥空氣）和晶相（蒸汽）的數(shù)學(xué)模型，并且研究了耦合過(guò)程，同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)一些礦井的通風(fēng)系統(tǒng)形勢(shì)進(jìn)行了模擬。1.建立數(shù)學(xué)模型根據(jù)工作面的情況，建立三維模型。模型的建立考慮到了穩(wěn)定條件下，氣相和液相多種性質(zhì)變量守恒。1.1.基本方程：連續(xù)性方程：動(dòng)量方程：液相：晶相：

3、式中，和分別表示液相和晶相粘應(yīng)力張量，和分別表示液相和晶相體積應(yīng)力，f表示晶相施于液體的阻力，減號(hào)表示力的方向與液體所受力方向相反。1.2.湍流模型通過(guò)湍流參數(shù)模型，計(jì)算出氣相（持續(xù)相）的湍流粘度。本篇論文運(yùn)用了RNGκ-ε模型。湍流動(dòng)能（κ）方程：湍流動(dòng)能損失率（ε）方程：式中，αk和αε分別表示可用k和ε普朗克常數(shù)的倒數(shù)，可據(jù)如下公式算得：1.3.兩相間的動(dòng)量傳遞應(yīng)用Schiller和Naumann模型計(jì)算氣相和液相間的拉力，因此氣體受到液體施加的力由如下公式算得：若Re≦1000，則CD=24（1+0.15Re0.687）／Re；若Re＞1000，則CD=0.44。

4、式中，Re為相對(duì)雷諾數(shù)。氣相相對(duì)雷諾數(shù)g和液相相對(duì)雷諾數(shù)p通過(guò)下式求得：1.4.兩相間的熱傳遞應(yīng)用Ranz-Marshall公式計(jì)算氣相與液相間的熱對(duì)流系數(shù)。詳見(jiàn)流化床和流化壁間熱傳遞理論：式中，g和p分別表示氣相和液相，Re表示相對(duì)雷諾數(shù)，CD表示拉力系數(shù)，kg表示持續(xù)相熱傳導(dǎo)率，dp表示液體參數(shù)。1.5.給定邊界條件和特征參數(shù)圖1給出了計(jì)算范圍。工作面、軌道和運(yùn)輸巷道長(zhǎng)度分別為130m、180m和210m。進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為0.90m/s，風(fēng)流、壁面和滲透水溫度分別為26.3℃、24.2-29.3℃和28.2-31.4℃。出風(fēng)口壓力位0.1095MPa。兩通道截面積為4.2

5、m×2.8m，工作面截面積為7.0m×2.8m。本模型中計(jì)算的氣體視為理想氣體。連續(xù)相得熱交換率看似常量。熱容量、密度和粘度系數(shù)通過(guò)溫度測(cè)定。2.仿真結(jié)果和討論該模型以控制體積法計(jì)算，并用簡(jiǎn)單算術(shù)法計(jì)算氣相和晶相連續(xù)性方程。運(yùn)用FLUENT模擬該模型。以濟(jì)寧2號(hào)煤礦為例，溫度、風(fēng)速、風(fēng)壓、滲透水溫度和壁面溫度都從礦中收集。圖2和圖3表明了與軌道溫度分布相近的工作面溫度分布：兩者都呈上升趨勢(shì)。包括多相流的蒸汽溫度場(chǎng)要較干燥空氣高出1-2K，其主要原因是壁面高溫滲透水同干燥空氣交換熱量。圖4表明沿著運(yùn)輸巷道，包含有相流的蒸汽溫度會(huì)下降，另外，很明顯的差異是空氣溫度上升，而蒸汽

6、溫度降低。其主要原因是含有相流的蒸汽溫度較壁面巖石、巷道頂部和巷道底面要高，因此熱量傳遞到煤壁，與此同時(shí)，因干燥空氣的溫度更低，熱量便傳遞給空氣。我們可以發(fā)現(xiàn)，分析含多相流的蒸汽溫度場(chǎng)對(duì)通風(fēng)降溫很重要。2.結(jié)論首先，建立了考慮到兩相的礦井三維通風(fēng)模型。依據(jù)此仿真模型，我們可以得出晶相和氣相溫度場(chǎng)之間嚴(yán)格耦合的結(jié)論。對(duì)比模擬結(jié)果和實(shí)地所測(cè)參數(shù)之后，可以發(fā)現(xiàn)該仿真模型初步反映出了礦井通風(fēng)狀態(tài)，通過(guò)該模型得到的信息較以前類似工作要豐富得多。本篇論文中建立的模型能模擬礦井通風(fēng)過(guò)程，這為研究礦井多相運(yùn)移過(guò)程以及多相溫度場(chǎng)耦合機(jī)理奠定了更詳細(xì)和精確的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)（略）