复杂矿井通风系统耗散行为研究.pdf

2 0 0 3年 1 0月 第 3 2卷第 5 期 有色矿山 Non f e r r o u s M i ne s Oc t ． ， 20 03 Vo 1 ． 3 2 No． 5 复杂矿井通风系统耗散行为研究 王从陆， 李树清 湖南 科技大学 能源与安全 工程学 院， 湖 南 湘潭 4 1 1 0 0 0 [ 关键词】耗散结构理论 ； 矿井通风系统； 耗散行为 ； 通风参量 ； 非平衡相变 [ 摘要】利用耗散结构理论， 把通风系统看成一个开放系统， 对通风系统的耗散行为进行研究， 得出了通风参 量与通风系统稳定工作及非平衡相变的关系， 为通风系统数值模拟的参数选定提供理论依据。对耗散参量进行研 究， 深入认识了通风系统中参数起作用的方式。通风系统有序相变临界耗散趋势的研究表明， 整个通风系统的演 化 主要 由风机 主宰。 [ 中圈分类号】T D 7 2 2 [ 文献标识码】A [ 文章编号】1 0 0 2 ． 8 9 5 1 2 0 0 3 0 5 ． 0 0 0 5 ． 0 3 Re s e a r c h o n d i s s i p a t i v e b e ha v i o r o f c o m p l e x m i n e v e n t i l a t i o n s y s t e m W ANG Co ng l u， LI Shu q i ng S c h o o l o fE n e r g y S o u r c e s a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g ，Hu n a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y，Xi a n g t a n 4 1 1 0 0 0 ，C h i n a Ke y wo r d s t h e o r y o f d i s s i p a t i v e s t r u c t u r e ；mi n e v e n t i l a t i o n s y s t e m ；d i ssi p a t i v e b e h a v i o r ；v e n t i l a t i o n p a r a me t e r ； n o n e q u i l i b r i u m p h a s e c h a n g e Ab s t r a c t By u s i n g t he t h eo ry o f di ssi p a t i v e s t r uc t u r e a nd l o o ki n g m i ne v e nt i l a t i o n s y s t e m a s a o pe n i ng s y s t e m ， t h e d i ssi p a t i v e b e h a v i o r o f mi n e v e n t i l a t i o n s y s t e m i s b r i e fl y s t u d i e d ，a n d d r a wi n g a c o n c l u s i o n a b o u t t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n v e n t i l a t i o n p a r a me t e r s a n d s t a b l e wo r k o f mi n e v e n t i l a t i o n s y s t e m a n d n o n e q u i l i b r i u m p h a s e c h a n g e ，p r o v i d i n g t h eory b a s i s f o r s e l e c t i n g p a r a me t e r s o f v e n t i l a t i o n s y s t e m d i g i t a l s i mu l a t i o n．I t c a n b e k n o w t h a t t h e f u n c t i o n wa y o f p a r a me t e r s i n t h e v e n t i l a t i o n s y s t e m b y s t u d y i n g d i ssi p a t i v e p a r a me t e r s ，a n d t h e v e n t i l a t i o n s y s t e m i s d o mi n a t e d b y f a n t h r o u g h s t u d y i n g t h e d i ssi p a t i v e t r e n d o f n o n e q u i l i b r i u m p h a se c h a n g e ． 矿井通风系统在没有 自然风压的作用或没有风 机运转时， 可以视 为一个封 闭系统 。封 闭系统是一 个相对平衡系统， 该系统 同外界没有物质 、 能量的交 换 。处于封闭状态的通风系统 中， 分支中没有风流， 无法给工作面提供新鲜空气， 排出被污染的空气， 不 能满足生产需要。 当矿井通风系统受到 自然风压作用或者通风系 统中有风机运转时， 风机消耗 了大量能量， 新鲜空气 经通风系统的进风段 ， 到达用风工作面， 污浊气体经 回风道排 出系统 ， 维 持 “ 输入一输 出” 的体系结 构。 耗散结构理论是一个用 于处理远离平衡 的、 开放 系 统的有力工具， 已经广泛应用于工程、 管理和 医学等 [ 收稿 日期】 2 0 0 3 0 5 1 9 【 作者简介 】王从陆 1 9 7 2一 ， 男， 江西万年人。 硕士研 究生， 湖南科技大学能源与安全工程学院安全教研室工作。 领域 3 ～ 4 l 。本文把通风 系统作为一个开 放系统， 利 用耗散结构理论对系统如何维持“ 输入一输出” 的体 系结构进行探讨， 用于矿井通 风系统优化与控制 的 计算机模拟和为 日常通风管理工作提供指导[ 5 - 7 ] 。 1 耗散结构基本知识 一 个远离平衡的开放系统， 通过不断同外界进 行物质、 能量和信 息交换， 从周 围环境 中引入 负熵 ， 以抵消系统熵的增加， 由于内部各子系统之间存在 非线性相互作用， 通过涨落， 使各元素或子系统有可 能合作行 为， 形成时间、 空间和功能都稳定有序的耗 j 散结构。从热 力学 第 二定律 的数学 表达 式 ≥0 出发 ， 推广到与外界有能量和物质交换的开放系统 ， 熵的改变 d S有两部分 组成 一是 系统 内部 的不可 逆过 程所引起的熵 的增 加 d i s； 另一部分是 系统 与 外界交换物质和能量所引起 的熵流 d , s。即有 维普资讯 6 有色矿山 2 0 0 3年 第 3 2卷 d S d i S d , S 若 d , S为负值 ， 在一定外界参量控制下 ， 当 l l d S时， d S为负， 即系统从外界吸入的负熵 流 抵消了内部的熵增加， 系统的熵就会降低 ， 有序度不 断提高， 最后稳定在 比平衡态 的熵 总值 更低 的新 的 有序状态， 形成耗散结构。 根据耗散 结构 理论， 事物发展过程是 一个不 断 形成新的散耗结构 的过程。耗散结构形成必需的 内 外条件为[ 1 -- 2 ] ① 系统 必须开放， 与外界进行物质 、 能量和信 息交换， 为系统引入负熵流 ； ②内部各元素 之 间存在非线性协 同作用和相干效 应 ； ③ 系统存在 涨落， 在外界参量控制下达到某一临界值 ， 使系统远 离平衡态， 形成新的耗散结构。 2 矿井通 风 系统耗 散行 为 ． 孤立的通风系统 ， 用熵的概念来描述 ， 就是 自发 的向熵增加到最大值的平衡态发 展， 此 时内部宏观 状态均匀， 不再 随时间变化。这 样的通风 系统 不能 满足生产需要， 具体表 现为没有风流存在、 没有外部 投入， 即没有物质、 能量和信 息的交换 。 2 ． 1 矿井通风系统有序相变 通风系统中， 在 自然风压或风机的作用下， 风流 在通风系统 内部经 系统层 、 传输层到达用风 层的用 风点， 最后通过 回风 系统把 使用后 的污浊 空气排 出 通风系统， 维持“ 输入一输出” 的有序状态。 通风系统 因风机工作特性及 内部协 同机制 的不 同， 可形成许多不同的相。不 同的相表现 出不同的 宏观行为， 相与相在结构 、 功能 、 形态等方面 存在差 异。引起这种差异的原 因是其 内部有序度和对称性 存在差别 ， 可用序 参量来表征。相变是指 当外场和 控制参量连续变化到达某 个 临界值， 而 引起 系统 内 部对称性 时间、 空间的对称性 的破缺和 有序度的 突变。虽然 非平衡 相变 和平衡 相变 的属性 截然 不 同， 但其临界行 为却有许多相似之处 ， 如临界 慢化， 有序突变 ， 对称破缺， 序参量在临界点由零连续增长 或由非零连续的消失等 。 通风网络 中某条巷道 的通风 阻力发 生变 化， 可 引起在该分支风量的变化， 从而使通风 系统 内部风 流不断变化， 并相互溶 合， 并 吞及 调节， 有 的分支风 量增多， 有的减少。当这种变化到达特定的值时， 系 统 内部的有序度可能 发生突变 如风流 的风向发生 变化 ， 或在整体有序结构 中出现局 部的平衡态 系 统中出现流量为零 的分支 。 2 ． 2 矿井通风系统稳定条件 在定态系统 中， 大 量通 风子系统相互弥补和抵 消， 保证 了通风系统总的宏观状态显现稳定性 ， 而这 种稳定性 需要不断的耗散物质 、 能量或信息来维持。 设在通风 系统中描述某一非平衡过程应考虑的 参量分别为 q 1 ， q 2 ， ⋯， q ， ⋯， 它 们是时 间 t 、 风流 动能、 风机参数和网络分支参数等组成“ 通风系统相 空间” 函数， 为描述方便 ， 将这些物理 量看成 系统状 态矢量 q q 1 ， q 2 ， ⋯， q ， ⋯ 的各分量。整个 系统可 由一组状态矢量构型 { q ￡ ， t l i 1 ， 2 ， ⋯， } 来 描述， 该模型的变化可反映系统状态的变化。 由于存在着“ 流” 和耗散， 根据连续性原理 ， 对于 稳定的非平衡定态通风 系统而言， 在其 内部某一确 定的系统空间和某一确定的时间内输入的某种系统 参量 ， 必须等于在同一系统空 间和 同一时 间内耗散 掉的相应的系统参量。如果这些输入量在系统 内出 现了“ 堆积” 正堆积或负堆积 ， 定态便会失稳， 只有 在无“ 堆积” 的情况下才能维持系统定态的稳定。因 此， 一般 非平衡定态系统都存 在某种耗散量和与之 相对应的守衡量 。在通风系统中表现为风机的输出 功要等于在系统 中消耗 的阻力以及风流在出 口处的 动压损失等之和 。 设在 定态条件下， 第 i个通风子 系统 内含有 的 某一恒定的系统参量 M ， 外界 在单位时 间内向该 通风子系统输入 同质系统参量为 M．衄， 与此同时该 通风子系统在单位时间内向外界耗散 出的相对应的 系统参量为 Md i s ， 则子 系统定态的条件为 M ．唧 M d i。 为具有普 适性， 引入两 个无 量纲 的量 Mo 耗 散 参 量 和 MT 输 入参量 来衡量该 系统此刻 的相对耗 散强度和相对输入强度， 其定义为 ．， M M d i s MD 。 ， M 一 十M MT 在未达非平衡相变临界点 时， 系统是定态稳定的， 根 据连续性原理， 其稳定的必要条件之一是 M o M y 在通常情况下 Mo是系统状态矢量 q的函数， 耗 散 参量可表示为 Mof q 1 ， g 2 ， ⋯， g f ， ⋯ q q 是各系统变化参量 { q 1 ， q 2 ， ⋯， q ， ⋯， q } 的非 线形泛 函， 其具体形式与 系统 的耗散模式和耗散 物 质有关 。在整个非平 衡过程 中， MT的变 化是连 续 平滑的。在耗散系统 中， 一种定 态对 应着一种耗散 维普资讯 第 5期 王从陆等 复杂矿井通风系统耗散行为研究 7 模式。就某种确定的耗散模式来说， 其耗散能力是 有限的， 当系统趋于平衡相变 临界点时有 M o≠ M T 这时， 原耗散模式 已不能满 足耗 散与输入 同步 的稳 定条件， 系统 内形成 “ 堆积 ” ， 使 原定 态失稳。这 种 “ 堆积” 迫使处于不稳定的系统寻找 新的耗散途径 ， 以便重新稳定下来 ， 使 MoMT重新得 以满足。 通过 对耗散参量的研究， 可以更 加深入的认识 通风系统 中参数作用形式 。在通 风系统 中， 如果某 一 分支 的实际风向同设计的不一样 ， 可 以对周 边分 支阻力进行调节。这个调整阻力达到设计要求的过 程就是在系统内形成“ 堆积” 的过程， 迫使原定 态失 稳， 推动着系统进入一个新的耗散状态， 完成一次非 平衡相变， 形成满 足条 件的新 的定 态稳定。当系统 正常运转时， 要尽可能维持系统 的原定态 ， 阻止系统 内形成“ 堆积” ， 具体做法是保持 风机工况点 的稳定 性。确保通风网络 中的状态参数保持不变。理论表 明 在调节通风系统中的某一参数时， 可以通过调节 系统参量来实现， 即通过调整风机的输 出功率、 改变 风机工况点。 或通过各种调节设施来实现 。 3 结语 利用耗散 结构理论。 把通 风系统 看成一个开放 系统， 对通 风系统的耗散行为进行研究， 得到了几点 初步认识 。①得知通风参量与通风系统稳定工作及 平衡相变的关 系， 为通风 系统 数值模拟 的参 数选定 提供理论依据。②通过 对耗散参量 的研究， 深入认 识了通风系统 中参 数起作用 的方式 ， 即系统参 数的 改变 ， 导致 系统 内物质 、 能量形成“ 堆积” ， 迫 使原定 态失稳。 推动系统进入一个新的耗散状态， 完成一次 非平衡相变 ， 形成满足条件的新定态， 达到通风 目的 和要求 。③通风系统有序相变临界耗散趋势的研究 表明， 整个通风系统 的演 化主要 由风机主宰。搞好 通风系统的网络建设。 为系统 同外界进行物质、 能量 的交换创造 良好条 件， 是通 风管 理 的基础性 工 作。 ④管理好风机所在 的分支风阻， 是矿井通 风系统 的 全局性问题， 对提 高风 机 的工作效 率。 有积 极 的作 用。 [ 参考文献 】 [ 1 ] 湛垦华， 沈小峰． 普利高津与耗散结构理论[ M] ． 陕西 陕西 科学技术 出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 2 ] 蔡绍洪 ， 彭仕 政， 赵行知 ， 伍进 ． 耗 散结构 与非平 衡相 变原理及应用[ M] ． 贵州 贵州科学技术出版社， 1 9 9 8 ， 3 49 3 60． [ 3 ] 吴彤 ． 耗散结构理论的 自组织方法论研究[ J ] ． 科学 技术 与辩证法 ， 1 9 9 8 ， 1 5 0 6 1 9 2 4 ． [ 4 ] 秦 四清． 初论岩体失稳过 程中耗散结构 的形成机制 [ J ] ． 岩 石力学与 工程学报 ， 2 0 0 0 ， 1 9 0 3 2 6 52 6 9 ． [ 5 ] B e e c h ，Wa r r e n ．Th e r o l e o f t h e v e n t i l a t i o n f u n c t i o n i n o 0 mp l i a n c A p r a c t i c a l p e r s p e c t i v e [ J ] ． J o u r n a l o f t h e Mi n e V e n t i l a t i o n S o c l e t y of S o u t h Af r i c a ，2 0 0 2 ， 5 5 3 8 8 9 1 ． [ 6 ] B a n d y o p a d h y a y L．K，S i n h a S ．K． ，D e v e l o p me n t of a n e x p e r t s y s t e m f o r o n - l i n e v e n t i l a t i o n n e t wo r k a n a i s and g r a p h i c r e p r e s e n t a t i o n of mi n e v e n t i l a t i o n p a r a me t e r s [ J ] ． J o u r n a l of t he S o u t h Af r i c a n I n s t i t u t e of Mi n i n g a n d Me t a l l u r g y ，2 0 0 2 ， 1 0 2 3 1 2 5 1 3 0 ． [ 7 ] D eL a z z a r i C． ，D a r o ws k i M． ， F e r r a r i G． ， C l e me n t e F． ， Gu a r a g n c s M ． ． En e r g e t i c p a r a me t e r c h a n g e s wi t h me e h a n i c a l v e n t i lati o n i n c o n j u n c ti o n wi t h BVAD a s s i s t an c e [ J ] ．J o u r n a l of Me d i c a l En g i n e e r i n g a nd T e c h n o l o g y ， 2 0 0 2 ． 2 6 2 6 37 0 ． 欢迎订阅 2 0 0 4年 矿业快报 是经国家新闻出版署批准公开发行， 马鞍山矿山研究院主办的全国性矿业类科技期刊， 中国核心期刊， 中国 学术期刊、 万方数据数字化期刊群全文收录期刊。主要报道内容 近期国内外重大科技方针和产业政策； 国内外采、 选、 综合利用、 环保等专业的技术进展情况 ； 现场实用技术； 新技术、 新设备、 新产品的开发与应用； 矿业数据 ， 国家矿山再建拟建 项 目信息， 市场动态， 专利简介， 供求信息等。 为月刊， 大 1 6开， 国际标准刊号 I S S N 1 0 0 9 5 6 8 3 ， 国内统一刊号 C N 3 41 2 2 6 ／ TD， 邮发代号 2 61 9 6 ， 每期 定价 6 ． 0元， 全年定价 7 2元。读者可到当地邮局或直接在编辑部订阅。凡直接在编辑部订阅的请将第二联及订阅款 务必详 细填写邮政编码、 详细地址及收件人姓名 一并寄至 编辑部。 联系地址 安徽省马鞍山市湖北路 9号 1 5 8 号信箱 2 4 3 0 0 4 电话 0 5 5 5 2 4 0 4 8 0 9 传真 0 5 5 5 2 4 7 5 7 9 6 Ema i l k y n e t ma i l ． n 3 a s ． a h 1 6 3 ． n e t ． 联 系人 赵鹏 帐户 马 鞍 山矿 山研究院 注 明 开户行 工商银行马鞍山市支行花山办事处 帐号 1 3 0 6 0 2 0 7 0 9 0 2 4 9 0 4 6 4 1 维普资讯