掘进工作忙射流通风流场研究.pdf

第24卷第5期煤炭学报Vol. 24 No. 5 1999年 10月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYOct. 1999 文章编号0253 - 9993199905 - 0498 - 04 掘进工作面射流通风流场研究 王 海 桥 湘潭工学院 资源工程系,湖南 湘潭 411201 摘 要掘进工作面压入式通风实际上是有限空间的受限贴附射流通风.根据流体力学和射流理 论,分析了掘进通风射流产生过程及掘进工作面压入式通风风流结构.风流从圆形风筒射入掘进 工作面形成射流区和回流区.给出了回流区平均速度、最大回流速度及射流作用距离的计算模 型,为掘进工作面合理有效通风提供了新的理论依据. 关键词掘进工作面;受限贴附射流;风流结构;回流速度;射流作用距离 中图分类号 TD724 14 文献标识码 A 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、受限射流和半受限射流.在流动过程中不受井巷壁面限制的空气射流称为自 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.掘进工作面的压入式通风 实际上是紊流射流通风.由于风筒一般布置在掘进巷道的一侧,因而沿巷道侧壁形成贴附射流;通风射流 风流必须到达掘进工作面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的受限贴附射流. 1 紊动射流的特征 空气射出时,与周围空气之间存在速度不连续的间断面.间断面一般受到不可避免的干扰,失去稳定 而产生涡旋.涡旋卷吸周围空气进入射流,同时不断移动、变形、分裂产生紊动,其影响逐渐向内外两侧 发展,形成内外两个自由紊动的混合层.由于动量的横向传递,卷吸进入的空气取得动量而随同原来射出 的空气向前流动,原来的空气失去动量而降低速度,在混合层中形成一定的速度梯度,出现剪应力.我们 把空气质点比作小球,现有两个小球,一个静止,一个向前运动,当运动小球碰撞静止小球时,把本身一 部分动能给予静止小球,使之一起向前运动.射流中的空气质点好比运动小球,由于紊流的横向脉动,会 碰撞靠近射流边界原来静止的空气质点好比静止小球 , 并且带动它们一起向前运动,射流这种“带动” 静止空气的作用,就是射流的卷吸作用.卷吸与混合作用的结果,射流断面不断扩大,流速则不断降低, 流量却沿程增加,见图1. 涡旋的发展呈现紊流的间歇现象,即时而是紊流时而是层流的现象,在射流边界附近尤为显著.射流 边界实际上是一个由紊动涡体和周围流体交错组成的不规则面.根据文献[1] ,以烟雾为示踪气体,采用 高速摄影拍得的圆形出口紊动射流的流动情形见图2. 2 掘进工作面圆形受限贴附射流的特性及其计算 211 圆形受限贴附射流的特性 在一般情况下,压入式通风的风筒均布置在掘进工作面巷道的侧壁,风筒出口距掘进工作面保证一定 收稿日期 1999-05-05 基金项目国家自然科学基金资助项目59974022 图1 紊动射流的形成 Fig11 ation of turbulent jet 的最小距离.由风筒出风口吹向独头巷道的风流,由于受到巷道边壁的限制,其流动特性与自由射流不 同,形成有限空间的受限贴附射流,如图3所示. 图2 紊动射流的流动显示照片 Fig12 Photograph of turbulent jet flow 图3 独头巷道受限贴附射流流动规律 Fig13 of restrained wall2attached jet flow in alone heading face 风流从风筒出口射出后,起始按自由射流规律发展,但由于受独头巷道局限空间的限制和风流的连续 性,不久便出现了与射流方向相反的流动.因此,掘进工作面射流通风风流结构可分为射流区与回流区. 射流区的气流一部分是从圆形风筒射出,同时卷吸一部分回流区的气流;回流区的气流一部分被射流卷 吸,一部分沿掘进巷道排出. 212 掘进工作面受限贴附射流计算 21211 圆形贴附射流特征直径 根据文献[2] ,圆形贴附射流特征直径d′ 0可用下式计算,即 d′ 0 2d0,1 式中,d′ 0为圆形贴附射流特征直径, m; d0为射流出口直径, m. 21212 圆形贴附射流轴心速度 根据文献[2] ,圆形贴附射流轴心速度可用下式计算,即 v2 0148v0 αS d′ 0 01147 ,2 式中,v2为贴附射流轴心速度, m/ s;α为射流的紊流系数;v0为射流出口速度, m/ s;S为射程, m. 射流的紊流系数α与出口断面上的紊流强度即脉动速度的均方根值与平均速度之比及射流出口 断面上速度分布的均匀性有关.不同形状喷嘴的紊流系数不同,根据文献[2] ,圆形出口射流α 0108. 994第5期 王海桥掘进工作面射流通风流场研究 21213 回流区平均速度的计算 如图3所示,设独头巷道宽为B,压入式局部通风机风筒出口直径为d0,风筒出口位置位于巷道侧 壁的中间,则压入式通风形成的射流贴附于巷道侧壁.图3的上部为射流区,下部为回流区,M为圆形 射流的极点.回流区平均速度可按下式计算[3],即 vhp v0 An d0 0117710 x e1017 x -37x2 f x , 3 式中,vhp为回流区平均速度, m/ s;An为垂直于巷道的截面积, m2;x为射流截面至极点的无因次距 离,xαx/An;x为射流截面至极点的距离, m. 21214 最大回流速度的计算 根据文献[2]的实验证明,最大回流速度位置的无因次距离x≈012 ,因此得 vhmax v0 0169d0 An ,4 式中,vhmax为最大回流速度, m/ s. 21215 设计计算中所需的射流作用长度的无因次距离 若设计计算中所需的射流作用长度即距离为L,根据xαx/An,则相应的无因次距离可用下 式计算,即 L αL An ,5 式中,L为无因次距离;L为射流作用长度, m. 当设计要求的距离为L,射流截面平均流速v2为设计所限定的数值时,以xL及vhpv2代入式 3得 f L v2 v0 An d0 .6 联立式4与式6解得 f L 0169 v2 vhmax. 7 计算时,vhmax,v2可由设计限定,故f L可由式7算出.当f L 已知后,可由式3求 出x L .部分计算结果列于表1. 表1 无因次距离L Table 1 Non2dimensional number distanceL vhmax / ms- 1 v2/ ms- 1 010701100115012001300140 0150014201400137013501310128 0160014301410138013701330130 0175014401420140013801350133 1100014601440142014001370135 1125014701460143014101390137 1150014801470144014301400138 在求得L后,可用式5计算L,即 L LAn α .8 3 结 论 1在掘进工作面压入式通风过程中,风流从圆形风筒射出,形成圆形射流.风筒一般布置在掘进巷 005煤 炭 学 报 1999年第24卷 道侧壁,由于受巷道边壁及空间的限制,掘进工作面压入式通风实际上是有限空间受限贴附射流通风,风 流在掘进工作面形成射流区和回流区. 2掘进工作面回流区平均速度和射流截面平均速度是掘进工作面要求的最低流速,与射流出口速度 v0,射流出口直径d0,巷道截面积An及射流的紊流系数α有关.其中v0,d0及α是射流本身的结构参 数,An是射流的空间参数. 3射流作用长度L即是射流最大射程,除与巷道截面积An有关外,还与射流本身的结构参数有 关.掘进工作面风筒出口到工作面的距离应小于射流的作用长度L,否则,在射流作用长度L以外,还 存在一个由射流反向流动引起的循环涡流区,不利于有害物质的稀释和排出. 4在进行掘进工作面通风设计时,射流作用长度应根据工作面设计的最小流速、射流特性及掘进断 面积进行计算,不同的射流特性和断面积,其射流的作用长度不同. 5改善射流出口特性有利于提高射流作用长度及流场特性,如在出风口设计导流或起旋器装置,使 之形成旋转射流. 参考文献 [1] 余常昭.紊动射流[M].北京高等教育出版社, 1993 [2] 周谟仁.流体力学泵与风机[M].北京中国建筑工业出版社, 1985 [3] Mc Gurik J J , Rodi W. The calculation of three2dimensional turbulent free jets [A]. Durst F , et al. ed. In Turbulent Shear Flow I [C]. Berlin Springer , 1979 作者简介 王海桥1962 - ,男,湖北人,副教授. 1983年毕业于阜新矿业学院.现从事通风方面的教学与科研工作,发表 “矿井风流年龄与矿井空气品质分析”等论文20余篇,主持或参与的省部级课题3项. Study on jet ventilation flowfield in heading face WANG Hai2qiao Xiangtan Polytechnic University ,Xiangtan 411201,China Abstract The forced ventilation in heading face is actually restrained wall2attached jet ventilation in confined space. According to fluid mechanics and jet theory , the ation process of jet flow and flow field in heading face ventilation are analyzed. The air2flow injected into heading face from round pipe jet and back field. The calculation models are set up on average speed and max speed in back field and jet effect distance , new theo2 retical reference is provided for effective ventilation in heading face. Key words heading face ; restrained wall2attached jet ; flow field; back flow speed; jet effect distance 105第5期 王海桥掘进工作面射流通风流场研究