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文章编号0253 - 9993200104 - 0384 - 05 旋转环形射流对上隅角积聚瓦斯的作用机理 杨胜强,俞启香,王 凯,秦波涛 中国矿业大学 能源科学与工程学院,江苏 徐州 221008 摘 要在简要分析环形射流基本特性的基础上,推导出环形射流完全发展区的速度分布计算公 式和卷吸含瓦斯流的沿程平均瓦斯浓度分布计算公式,分析了环形环绕射流横穿巷道主风流时的 弯曲变形及驱散上隅角积聚瓦斯的过程,论述了旋转频率及环形射流与圆形射流有效出射面积比 对射流的射程及弯曲变形的影响.现场试验验证了环绕射流的卷吸和风速脉动特性具有柔性排放 效应,可有效、安全地驱散上隅角积聚瓦斯. 关键词上隅角;环绕射流;柔性排放;脉动通风 中图分类号 TD712154 文献标识码 A 收稿日期 2000-08-01 基金项目国家自然科学基金资助项目59874027 ;国家“九五”重点科技攻关资助项目96 - 223 - 01 - 05 - 04 ;煤炭科学基金资 助项目 96 安10101 图1 环形射流 Fig11 Annular jet 上隅角作为“U”型采煤工作面采空区的漏风汇,上 隅角内风流处于涡流状态,极易使采空区涌出的大量高浓 度瓦斯难以进入到主风流中,而聚集在涡流区中,形成上 隅角瓦斯积聚. 若在上隅角附近安装环绕射流脉冲风机,则在脉冲风 机的有效射流场内,对上隅角积聚瓦斯起主要作用的是环 绕射流.一般风机的叶轮均为一环形,环形的外径等于轮 毂直径加上两倍叶片长度,环形的内径等于轮毂直径.当 风机叶轮旋转时,所产生的风流为一环形射流,如图1所 示.同时考虑到本脉冲风机是利用围绕自身旋转的射流驱 散上隅角积聚瓦斯,如果忽略空气中因含不同浓度瓦斯所 造成的微小密度差,可以认为本风机所产生的风流在瓦斯积聚区域内为不可压缩等密度淹没环形环绕射 流. 1 环形射流的基本特性及假设 N1A1Chigier和J1M1Ber对环形射流的实验研究表明,在环形射流离开风机的前一阶段,流线向内 收缩,在中部形成回流区,达到一定距离后,两侧射流合并一同向前推进,此后的流动与圆形断面射流 圆形射流类似,如图1所示[1]. 为了对环形射流进行符合实际的分析,需要对本风机所产生的环形射流进行如下简化和假设①从 动量计算来说,环形射流是沿环形一周均布的条形射流组合.则环形射流在汇合前按条形射流分析,在汇 合后按圆形射流分析.②在条形射流外侧,射流扩张角与条形射流相同;而在条形射流内侧,由于流线 向内收缩,则射流扩张角较大,环形射流两侧汇合点距射流出口较近. 本文所讨论的环形射流状况为射流风机安装在距瓦斯积聚区一定距离的主风流中,射流主要作用区域 第26卷第4期煤 炭 学 报 Vol. 26 No. 4 2001年8月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYAug. 2001 属环形射流完全发展区射流断面流速分布存在相似关系的区间 , 而完全发展区的射流特性与圆形断面 射流圆形射流类似.因此,可依据圆形射流特性研究环形射流完全发展区的速度分布及卷吸含瓦斯流 的沿程平均瓦斯浓度分布. 2 环形射流完全发展区的速度分布及轴线速度沿程变化规律 已有实验研究表明,环形射流完全发展区按圆形射流考虑的断面速度分布服从高斯正态分布[2], 即 u umexp - r2/ b2e , 式中,u为垂直断面上距轴线r处的速度, m/ s ,r为任一垂直断面距轴线的距离, m;um为射流轴线最 大流速, m/ s;be为当uum/ e时,距轴线的特性半厚度, m;e为自然对数底数. 根据风机出口断面和环形射流完全发展区断面动量守恒定律,可推得射流轴线速度沿射程x的变化 方程式,即 um/ u08 r 0 b0 b 0/ be, 式中,u0为风机出风口流速, m/ s;b0为环形射流半厚度, m;r0为轮毂半径, m. 对于环形射流来说,从实验知,特性半厚度be是在环形射流的中心射流环基础上向外线性扩展的, 即be r0 b001154x. 3 环形射流完全发展区沿程卷吸流量及其对周围高浓度瓦斯的稀释 根据环形射流汇流后任意断面的流量计算,可得射流沿程单位长度卷吸流量Q′ c为 Q′ c01154 2πu0Q0. 式中,Q0为通风机出口风量, m3/ s. 若风机出射风流的原始瓦斯浓度为c0,上隅角附近瓦斯积聚区空气中的瓦斯浓度随着射流射向上隅 角的方向线性递增,则射流周围空气中的瓦斯浓度变化方程为 cx c0 qx , 式中,cx为距离风机出风口x处射流周围空气中瓦斯浓度, ;q为射流周围空气中沿射流单位长度的瓦 斯浓度递增率, / m. 则可推得射流内部沿程平均瓦斯浓度csx为 csx c 0 qx - q r0 x b0 x 01077x2 2πu0Q0 r 0 b001154 x . 4 环形环绕射流横穿巷道主风流时的弯曲变形 本风机安装在距瓦斯积聚区一定距离的主风流中,用于驱散积聚区内的积聚瓦斯,因此,本风机射流 必须横穿巷道主风流.当环形环绕射流横穿巷道主风流时,在风机出风口与瓦斯积聚区边界之间,主风流 由于受到射流的阻碍而形成绕流,且在射流周界上的压强分布前后不对称,以致射流本身受到主风流的推 力而发生弯曲.此时,若风机出风口环绕机体轴心的旋转方向与主风流一致,则由于出风口的旋转对射流 的向心作用将使射流的弯曲变形加剧.射流的弯曲可分为3段[2]在出风口近区存在一个势流核心区,从 出风口至势流核心区末端为射流的起始段 Ⅰ,Ⅰ 段内射流流动方向基本上沿出射方向,弯曲不大;次后射 流主体段逐渐向巷道主风流下游弯曲,并逐渐与主风流平行,此段称为显著弯曲段 Ⅱ,在该阶段,射流背 风面形成一对反向的漩涡,使射流断面由圆形变为扁卵形并逐渐发展成为肾形,巷道主风流与射流间较高 的横向压强梯度使射流的卷吸掺混作用加强,射流流速衰减也较快;在弯曲段之后,射流方向基本上与主 风流方向一致,称为顺流贯穿段 Ⅲ.各区域如图2所示. 583第4期杨胜强等旋转环形射流对上隅角积聚瓦斯的作用机理 图2 环形环绕射流横穿主风流时的弯曲变形 Fig12 The curvature deation of annular rotary jet while crosscutting the main airflow 为了分析环形环绕射流横穿主风流时的变化规律, 结合环形环绕射流的主要特征,作如下假设①射流横 穿并完全淹没于巷道主风流中;②忽略通风机出射风 流、巷道主风流及瓦斯积聚区空气中瓦斯浓度的差异造 成的密度差,且均为ρ;③巷道主风流为均匀平行流动, 主风流的风流方向与上隅角瓦斯积聚区的边界始终平 行. 假设风机出风口环绕机体轴心转动的角速度为ω, 风机旋转频率为f ,则 ω 2πf.设风机出风口环绕机 体轴心旋转的半径为R0,出风口断面直径为D.若风 机出口风速为u0,在风流从风机出风口射出的瞬间,由 于出风口环绕机体轴心旋转,使射流轴线方向产生偏 离,其方向应为出风口风速与出风口旋转线速度的合成.考虑到射流横穿巷道主风流时,主风流作用于射 流的气动压差阻力射流横穿主风流时射流引起的主风流全压差也是引起射流弯曲的主要原因[1],根 据Subramanya和Porey的实验[3],可推得射流弯曲段轴线终端坐标ys为 ys/ D 1165λeξs, 式中,λe为有效流速比,λ 2 eu20/ [ u2a1 2πf R0/ u0 2 ];ua为主风流风速, m/ s;ξ 2 s为环形射流出 射面积与圆形射流出射面积之比,ξ 2 s 16 r 0b0 b0/ D2. 从上式可见,当其它条件不变时,风机旋转频率f越大,有效流速比λe越小,射流的弯曲变形越显 著,也就更加难以穿透巷道主风流进入瓦斯积聚区,排除积聚区内的高浓度瓦斯. 考虑到风机安设位置距积聚区边界的垂直距离Ld应小于射流有效射程,同时考虑到风机旋转频率对 有效出射断面的影响[4],可得出Ld的计算公式为 Ld 4 .即2 , 3号测点瓦斯浓度有所降低,但 超限区与超限值仍较大. 通风机运转时撤下风幛,其叶轮转速为1 170～ 1 250 r/ min ,风量为50～60 m3/ min ,通风机体逆时针 旋转,在出风口朝向上隅角时旋转方向与工作面主风流 方向相同,旋转频率为12次/ min ,工作面主风流基底 风速约为3 m/ s. 对1～4号测点在环绕射流脉冲通风作用下的瓦斯 浓度变化情况进行测定.结果表明,在环绕射流脉冲通 风作用下,上隅角中射流有效作用范围内距通风机轴 心半径约215 m左右,低于通风机悬吊高度的空间 , 作用时间10 min后瓦斯浓度均显著降低,且降至 1 以下,即在上隅角中切顶线以内的工作面的空间内消除了瓦斯积聚现象.这充分说明了环绕射流脉冲 通风机对消除上隅角积聚瓦斯是非常有效的. 通过测定环绕射流脉动通风治理上隅角瓦斯积聚前后,回风巷风流中瓦斯浓度随时间的变化,发现回 风流瓦斯浓度的变化平缓,没有出现压入式局部通风机排瓦斯时“一风吹”所引起的回风流瓦斯骤然超限 的危险情况.试验表明,环绕射流脉冲通风对上隅角积聚瓦斯排放具有安全的柔性排放效果,有利于采煤 工作面的安全生产,符合安全生产对积聚瓦斯的排放要求. 7 结 论 1假设射流断面速度分布服从高斯正态分布,本文推导出环形射流完全发展区的轴线速度沿射程x 的变化方程以及射流沿程卷吸高瓦斯流后平均瓦斯浓度的变化方程. 2理论分析和工业性试验表明,环形环绕射流进入上隅角瓦斯积聚区后,在有效射流场内,其卷吸 掺混作用和风速的脉动变化可有效地稀释并排除上隅角的积聚瓦斯. 3环绕射流横穿巷道主风流时,受主风流绕流阻力及本身环绕旋转向心力的作用,将发生弯曲变 形.f越大,λe越小,射流弯曲变形越显著,也越不易穿透巷道主风流进入瓦斯积聚区. 4影响射流穿透巷道主风流深度的另一个主要参数是有效出射面积比ξ 2 s,环形射流的环形面积越 大,ξ 2 s越小,则射流穿透巷道主风流的深度越小,射流有效作用距离越短. 5工业性试验表明,环形环绕射流的卷吸特性及其弯曲变形特征,使得环形环绕射流对上隅角积聚 瓦斯的输运是一个周期性的不断稀释、驱散并排向巷道主风流的过程.此过程对上隅角高浓度瓦斯具有柔 性排放作用,可以避免因高浓度瓦斯骤然大量排向回风巷而导致回风流瓦斯浓度超限. 参考文献 [1] Ber J M , Chigier N A.燃烧空气动力学[M].陈 熙译.北京科学出版社, 1979. [2] 余常昭.环境流体力学导论[M].北京清华大学出版社, 1992. [3] Subramanya K, Porey , P D.Trajectory of a turbulent cross jet [J ]. Journal of Hydraulic Research , 1984 , 22 5 35～ 40. [4] 王 凯,俞启香,杨胜强,等.环绕射流脉冲通风治理上隅角瓦斯积聚的研究[J ].中国矿业大学学报, 2000 , 29 4 353～357. 作者简介 杨胜强1964 - ,男,贵州铜仁人,副教授,工学博士,从事矿井通风与瓦斯防治研究.发表学术论文30余篇. 783第4期杨胜强等旋转环形射流对上隅角积聚瓦斯的作用机理 Action mechanism of rotary2jet pulse ventilation on the upper2 cornerπs gas accumulation in U2shaped working face YANG Sheng2qiang , YU Qi2xiang , WANG Kai , QIN Bo2tao Energy Science and Engineering Academy ,China University of Mining and Technology , Xuzhou 221008,China Abstract Based on the basic characteristicsof annular2jet analyzed briefly , the velocity and the average methane concentration distribution ula of annular jet which draws flow contained in gas have been deduced in the ful2 ly2developed field. When annular rotary2jet injects across the main flow , its curved shape and the process of dis2 persing the upper2cornerπs gas2accumulation of U2shaped working face are analyzed. The influence of rotary fre2 quency and the outlet area ratio of annular2jet and circular2jet on shooting range and curving degree is expound2 ed. Through field experiment , it has been proved that the drawing airflow and the pulsing velocity characteris2 tics of rotary2jet can produce the gentle discharging effect which disperses the upper2cornerπs gas2accumulation effectively and safely. Key words upper corner ; rotary2jet ; gentle discharging effect ; pulse ventilation 2001年JOURNAL OF COAL SCIENCE ENGINEERING CHINA煤炭学报英文版征订启事 JOURNAL OF COAL SCIENCE ENGINEERING CHINA是中国煤炭学会主办的刊物,是向 国内外公开发行的英文版煤炭科学技术方面的综合性学术刊物.主要刊载煤田地质与勘探、煤矿开采、矿 山测量、矿井建设、煤矿安全、煤矿机械工程、煤矿电气工程、煤炭加工利用、煤矿环境保护等方面的科 学研究成果论著和学术论文,以及煤矿生产建设、企业管理经验的理论总结,也刊载重要学术问题的讨论 及国内外煤炭科学技术方面的学术活动简讯. 煤炭学报英文版JOURNAL OF COAL SCIENCE ENGINEERING CHINA是向世界传播 我国煤炭科技的重要媒体,对加强中外科学技术交流,宣传我国煤炭科学成就,提高我国煤炭科学技术的 国际地位将起到重要的作用.及时报道我国煤炭科技新理论、新技术、新经验也是煤炭学报英文版的 主要任务.煤炭学报英文版和中文版具有不同的刊登内容和各自的特点. 煤炭学报英文版是半年刊,每年6月和12月出版.每期112页,每册国内订价20元,全年共收 费40元.订阅者可直接和本编辑部联系,订单函索即寄,编辑部随时办理订阅手续. 本刊地址北京市和平里煤炭科学研究总院内煤炭学报编辑部 邮政编码 100013 联系电话 010 84262930 883 煤 炭 学 报 2001年第26卷