旋流与直流送风改善回风隅角风流状态的3CFD数值模拟.pdf

第33卷第11期煤 炭 学 报Vol . 33 No. 11 2008年11月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYNov . 2008 文章编号 0253 - 99932008 11 - 1279 - 04 旋流与直流送风改善回风隅角风流 状态的3CFD数值模拟 马中飞,戴洪海 江苏大学 环境学院,江苏 镇江 212013 摘 要为有效地治理工作面回风隅角瓦斯积聚,建立了回风隅角风流状态的三维物理模型,采 用Fluent软件分别对回风隅角的主风流扩散通风、直流送风、旋流送风进行了3CFD数值模拟, 并与实际应用进行了对比分析.结果表明,对回风隅角进行高压二次实心旋转水气射流通风 即旋流送风的瓦斯治理比未加旋的高压水射流通风即直流送风涡流区消除范围更大,瓦 斯驱散稀释效果更佳. 关键词旋流送风;直流送风;回风隅角;风流状态; 3CFD数值模拟 中图分类号TD712154 文献标识码 A 收稿日期 2007-11-29 责任编辑毕永华 基金项目江苏省社会发展科研基金资助项目BS2006036 ;江苏大学科研基金资助项目 jdg2003017 作者简介马中飞1962 , 男,浙江东阳人,教授,博士.Tel 0511 - 8797557, E - mail mzfujs1edu1cn;zfma20061631com 3CFD numerical si mulation of i mproving a irflow state in upcast corner of coalface by spinn ing and direct a irflow ventilation MA Zhong2fei, DA IHong2hai College of Environment,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China Abstract To dissipate gas accumulating in upcast cornerof coalface effectively, three di mension physicalmodelof airflow state in upcast corner of coalface was established, 3CFD numerical simulation was carried through to main airflow diffusing ventilation at savagery, direct airflow ventilation, spinning airflow ventilation, in upcast corner, it was analysed contrast to practice application. The result indicates that high pressure twirotary hydrosphere jet venti2 lation spinning airflow ventilationismore vortex section eliminated, even more effect of discharging and diluting gas, than high pressure hydrosphere jet ventilation of no spinning direct fluxion sending2off air. Key words spinning airflow ventilation; direct airflow ventilation; upcast corner; airflow state; 3CFD numerical si mulation 回风隅角作为采煤工作面的漏风汇,是采空区高浓度瓦斯集中涌出的地点,且因主风流方向的改变和 边界几何条件的限制,出现了气流涡旋区,使得采空区涌出的高浓度瓦斯难以进入到主风流中,从而成为 矿井瓦斯积聚超限的主要地点 [1 - 2 ]. 我国采取的 “ 先抽后采 ”措施,对减少上隅角瓦斯积聚超限无疑是 良好措施,但据调查发现,瓦斯抽放后的回风隅角瓦斯积聚超限现象仍为数不少,因此,很有必要采取改 变回风隅角气流状态的措施来治理瓦斯积聚超限.笔者在实际应用高压二次实心旋转水气射流通风来治理 回风隅角瓦斯积聚研究的基础上,对回风隅角的直流送风和旋流送风进行了3CFD数值模拟,目的是进一 步搞清不同水气射流通风方式治理回风隅角瓦斯的机理. 煤 炭 学 报 2008年第33卷 1 计算模型 图1 回风隅角物理模型 Fig11 Physicalmodel in upcast corner 111 物理模型 工作面回风隅角的物理模型大致根据曾采用高压二次旋 转水射流通风治理回风隅角瓦斯的徐州矿务集团庞庄煤矿 75207工作面的实际情况确定,工作面及回风巷宽215 m, 高2 m,采空区漏风口宽3 m,并设定煤层为水平赋存.对 回风隅角进行直流送风和旋流送风的设施分别采用直流或旋 流风机,旋流风机内设有X型螺旋导流叶片,使气流经过叶 片时产生旋转后流出,直流风机内则无导流叶片,风机壁面 与工作面顶部距离为013 m,风机出口距离隅角拐点115 m, 与漏风面成30夹角,回风隅角直流或旋流送风的物理模型 如图1所示. 112 数学模型 为了利于数值模拟,先假设模型中的流体为常温常压不可压缩空气;采空区漏风稳定,且采空区的 漏风量占工作面总风量的5;工作面主风流沿工作面流动稳定,且流速分布均匀;风机内导流叶片进风 侧简化,设定以一定初速度沿风机内导流叶片进风侧稳定,且流速分布均匀;忽略重力影响和热交换.本 文对流场计算采用Renoldys法,针对回风隅角流场,主风流扩散通风和直流送风时的封闭补充方程采用 Standardk-ε模型,旋流送风时的封闭补充方程型采用Realizablek-ε模型.封闭补充方程 [3 - 4]如下 湍流动能k方程为 9ρ k 9t 9ρkui 9xi 9 9xj μμ t σk 9k 9xj Gk-ρ ε.1 主风流扩散通风和直流送风耗散率ε方程为 9ρ ε 9t 9ρ εui 9xi 9 9xj μμ t σ ε 9 ε 9xj C1εε k Gk- C2ερ ε 2 k .2 旋流送风耗散率ε方程为 9ρ ε 9t 9ρ εui 9xi 9 9xj μμ t σε 9 ε 9xj ρC1Eε-ρC2 ε 2 k ν ε ,3 式中,μt为涡黏性系数,μtρCμ k 2 ε; Gk 为速度梯度引起的紊流动能生成项, Gkμt 9ui 9xj 9uj 9xi 9ui 9uj; C1 max 0143, η η5 ,η 2EijEij 1/2k ε; Eij为时均应变率 , Eij 1 2 9ui 9xj 9uj 9xi ; i,j1, 2, 3;计算中取 经验值C1ε1144,C2ε1192,Cμ0199,σk110,σε113,σk110,σε112,C2119. 2 数值模拟 分别对回风隅角的主风流扩散通风、直流送风、旋流送风进行了数值模拟.物理模型图采用Pro/EN2 GI NEER W ildfire 210三维制图软件来绘制,数值模拟采用Fluent软件. 211 网格划分 原始状态靠主风流扩散通风的情况直接利用Gambit进行划分,选用正六面体三维网格类型,使用 Submap方法来划分网格,间隔大小设为20.在直流送风和旋流送风下,则由于其复杂性而分解成几部分 划分网格,如图2所示.对于直流送风风机内部,采用Cooper方法生成六面体和楔形非结构性网格;旋 流送风风机内包含螺旋导流叶片的出口段,选用四面体锥和金字塔型混合三维网格类型,使用TGrid方法 0821 第11期马中飞等旋流与直流送风改善回风隅角风流状态的3CFD数值模拟 来划分网格,间隔大小设为20;旋流送风风机内无螺旋导流叶片的进口段,选用正六面体和锲型混合三 维网格类型,使用Cooper方法来划分网格,间隔大小设为20;风机以外的回风隅角其他空间,选用四面 体锥和金字塔型混合三维网格类型,使用TGrid方法来划分网格,间隔大小设为150,总数62个;工作面 回风巷空间选用正六面体和锲型混合三维网格类型,使用Cooper方法来划分网格,间隔大小设为20,总 数69个. 图2 回风隅角网格划分 Fig12 Grid division in upcast corner 212 边界条件 参照图1,主要的边界条件设置如下采空区漏风边界,施加速度进口边界条件,进口速度ul 0108 m /s;回风隅角进风侧边界,施加速度进口边界条件,进口速度uj 2 m /s;对于直流、旋流送风的 风机吸风入口边界,按风量1 m 3 /s计算,施加进口速度为uf21488 m /s的进口边界条件,旋流送风通过 定义轴向、径向和切向分速度来模拟旋流入口的流动,直流送风时则不设定轴向、径向和切向分速度;回 风巷回风边界,施加自由出流边界条件;所有壁面均施加无滑移固体边界条件,采用标准壁面函数计 算. 3 模拟结果与分析 利用Fluent软件对以上3种情况进行运算,当迭代收敛之后,得到3种情况下的回风隅角风流流动速 度和轨迹分布.图3, 4分别是从模型中选取的离巷道顶部011 m的水平面X1和通过风机轴线的水平面 X2流线分布. 图3 断面X1局部流线分布 Fig13 Local flow2line distribution on sectionX1 分析图3, 4不难发现,回风隅角进行原始状态靠主风流扩散通风时,回风隅角存在大范围低速涡流 区,工作面主风流无法进入该区域稀释瓦斯,且采空区内的瓦斯不断向回风隅角涌出,从而在回风隅角出 现瓦斯积聚超限;回风隅角进行直流送风时,尽管低速涡流区有所改善,范围也减小,但隅角顶部范围仍 存在部分涡流,仍会出现部分点瓦斯积聚超限;回风隅角进行旋流送风时,回风隅角的低速涡流区已完全 消除,采空区涌出的瓦斯被旋流送风风流及时带走. 1821 煤 炭 学 报 2008年第33卷 图4 断面X2局部流线分布 Fig14 Local flow2line distribution on sectionX2 4 结 论 对徐州矿务集团庞庄煤矿75207工作面回风隅角的主风流扩散通风、未加旋的高压水射流通风直流 送风和高压二次实心旋转水气射流通风旋流送风进行了试验 [5] ,结果表明,原始状态靠主风流扩 散通风时回风隅角有大范围瓦斯积聚超限,未加旋的高压水射流通风时部分点仍存在积聚超限,而高压二 次实心旋转水气射流通风后瓦斯均降到安全浓度以下. 采用Fluent软件对回风隅角进行直流送风和旋流送风进行3CFD数值模拟的结果符合现场实际.数值 模拟和现场试验研究表明,对回风隅角进行高压二次实心旋转水气射流通风即旋流送风的瓦斯治理 比未加旋的高压水射流通风即直流送风涡流区消除范围更大,瓦斯驱散稀释效果更佳. 参考文献 [1] 夏新川,张秀才,王士涛,等.工作面上隅角瓦斯运移、积聚及处理措施[J ].煤炭科学技术, 2001, 29 6 5 - 8. 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